集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

混合关键系统助力工业智能系统蓬勃发展——“第五届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛”圆满结束

本刊编辑部

2023, 23(9): 1-3.

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业界论坛

揭开下一代人工智能和嵌入式系统的面纱

Stuart Cording(Elektor), 君谦(译者)

2023, 23(9): 4-6.

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业界论坛

人工智能的生态树及算力研究^*

周娜, 何铮, 何为民

2023, 23(9): 7-10.

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介绍了通用人工智能AGI的生态树,重点分析了AGI生态树的决定性基础建设—算力。算力位于AGI科技发展金字塔的底端,它的发展制约了人工智能的发展。此外,还介绍了当前算力发展的进程和方向。

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专题论述

STM32F407的FreeRTOS多机通信系统设计

陈旅超, 蒲泽坤, 沈勇

2023, 23(9): 11-15.

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为了实现通过PC上位机控制单片机主机并通过主机控制从机的目的,针对STM32F407芯片设计了一款基于FreeRTOS的多机通信系统。该系统基于FreeRTOS实时操作系统,以STM32F407为核心,PC上位机通过以太网向单片机主机发送信息,同时命令单片机主机通过CAN总线控制单片机从机,实现多机通信。本文将对CAN通信、以太网通信等各个部分进行分析并设计程序软件。实验结果表明,本次设计的多机通信系统能够成功向单片机从机发送信息并接收来自从机的信息,可以实现多个控制模块之间的数据传输,多机之间相互协作,共同完成目标任务。

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专题论述

可信执行环境的RISC-V架构处理器安全分区方法

王健, 付志博, 明哲

2023, 23(9): 16-19.

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RISC-V架构处理器分区过程中,因未处于可信执行环境中,使得部分分区内容出现了新行内容随意替换旧行内容的问题,导致分区结果重叠部分较多。为此,提出基于可信执行环境的RISC-V架构处理器安全分区方法。根据请求指令中的虚拟机ID编号将虚拟机与虚拟根实例进行绑定,为RISC-V架构处理器中的划分提供安全环境。将安全内存加密引擎集成到内部的 Cache与存储控制器间,生成单次分块区。利用多用户端密钥对称算法获取访问密文,采用蒙特卡罗法计算当前分区解向量对应的偏移时间。根据该偏移时间序列,采用Cache方法进行分区可信通道物理页着色处理,可避免出现新行随意替换旧行的问题,获取安全的分区结果。由实验结果可知,使用本研究方法分区命中率最小值可达到0.82,能够达到理想的分区效果。

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专题论述

一种可配置异构多核SoC的设计实现方法^*

潘斌

2023, 23(9): 20-23.

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针对需要高性能处理和低功耗的各种应用(识别、推理、测量、控制和安全),开发了一种多核片上系统(System-on-Chip, SoC)。该SoC集成了3种可综合的处理器:8个CPU(M32R)、2个多组矩阵处理器(Multi-Bank Matrix processors, MBMX)和1个控制器(M32C)。这些处理器分别以1 GHz、500 MHz和500 MHz的频率运行,这3种处理器通过高带宽多层系统总线在芯片上相互连接,8个CPU通过缓存一致性机制连接到一个公共流水线总线上。此外,8个CPU共享1个512 KB的L2缓存以减少内部总线流量,采用了一种具有2读1写计算和后台I/O操作功能的多组矩阵处理器,1 GHz的CPU通过延迟管理网络实现,该网络包括可以适用于任何应用或工艺技术的延迟监视器。可配置异构架构具有9个CPU和2个矩阵处理器,可以将功耗降低45%。

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专题论述

Cortex-M0 MCU中断向量重定位的高效方法

俞庆, 刘贯营

2023, 23(9): 24-28.

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为了在不具备中断向量硬件重定位的普通Cortex-M0架构MCU上实现IAP功能,提出了一种中断向量重定位的通用方法。该方法不依赖于MCU的硬件特性,而是基于软件实现梯子函数,从而实现中断向量的重定位。文中深入研究了该方法并进行了改进,大幅减小了中断向量重定位过程中的时间开销,提升了中断响应速度。本文以STM32F030为对象,详细介绍了该方法的原理,给出了Keil环境下梯子函数的实现代码和分散加载文件的写法。目前,该方法已经在实际产品中得到检验和推广。

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专题论述

Raspberry Pi的DRAM PUF密钥生成系统研究

谷敏章, 毛臻, 葛成华

2023, 23(9): 29-32.

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介绍了基于树莓派B+硬件平台实现DRAM PUF密钥发生系统的研究与设计。系统从嵌入式设备广泛使用的动态随机存储器中提取带有自身硬件指纹的物理不可克隆函数,通过模糊提取算法和Hash算法消除由于环境噪声及老化效应带来的错误信息,稳定生成128位DRAM PUF安全密钥。该系统生成的DRAM PUF安全密钥可靠性高达99%,唯一性为48.44%,均匀性为50%,并且密钥的信息熵值为1.0。

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技术纵横

高稳定性区块链节点存储数据防篡改仿真

李斌, 刘思尧, 王敏, 秦振威

2023, 23(9): 33-36.

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与一般的区块链相比,高稳定性区块链中的节点存储数据更容易受到防篡改威胁,为了保证数据的安全性,进行了高稳定性区块链节点存储数据防篡改仿真研究。通过滑动窗口分段将区块链节点存储的数据分割成多个子序列,通过判断子序列的变化趋势给出特征函数,利用字符串的方式表示区块链节点存储数据的时间序列组成,基于变步长计算,通过匹配测度的计算提取出区块链节点存储数据的关键特征。通过用户信息的加密生成用户密钥,得到区块链节点存储数据的密文,完成数据加密。引入水印防篡改算法,分割嵌入数据中的水印信息,通过水印信息与二进制信息之间的转换,结合矩阵置乱实现区块链节点存储数据防篡改。实验结果表明,本文方法能够有效防止区块链节点存储的数据被篡改,保证数据的隐蔽性和安全性。

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技术纵横

基于等效采样的高速啁啾信号恢复

冯心如, 景宁, 银子燕

2023, 23(9): 37-40.

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在压缩感知原理的基础上,利用分数阶傅里叶变换和等效时间采样构造观测矩阵,对观测过程进行稀疏表达,建立符合压缩感知原理的高频观测方程,并对其进行求解,最终实现对原始信号的重建。利用比奈奎斯特取样速率更短的特定时间取样,可以实现对线性调频信号的高精度重构;而当取样采用不等间隔取样,在时频范围内,取样的时频范围不再是固定的,但会因原信号中的非零点出现能量泄漏而造成大量无关扰动。等效时间采样使得频谱不再是规律性搬移,而是一小部分胡乱地搬移,频率泄漏均匀地分布在整个频域,因而数值都比较小,使恢复过程误差更小。仿真实验结果表明,所提方法在采样点个数为 17时,重构成功率高达99.62%。

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技术纵横

高速PCB多板互联的电源完整性分析^*

牛森, 张敏娟, 银子燕

2023, 23(9): 41-44.

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针对PCB多板互联的非理想连接以及多电源电压的压降损失,提出了一种基于电源分配网络的仿真设计方法,对由底板12 V输入电压逐级降压至核心板主芯片的1.1 V、1.5 V供电电压的电源网络进行仿真分析。主要涉及3个方面:①直流压降,通过选择ESR更低的电感器、加宽主控芯片电源引脚的覆铜面积等措施使得主控芯片的IR Drop从226.24 mV降至41.10 mV;②电流密度,仿真得到电流密度为70.40 A/mm²,低于100 A/mm²,符合设计标准;③过孔通流能力,增加过孔数量使得过孔处电流从1.172 A降至0.556 A。仿真结果表明,此方法有效降低了多板互联PCB电路潜在的压降损失风险,提高了电源系统的可靠性和稳定性。

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技术纵横

一种深度学习改进算法的图像处理技术研究

常春雷, 运凯, 王辉, 张辉, 徐赢, 马崇瑞

2023, 23(9): 45-48.

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针对YOLOv5算法对目标物体及局部特征定位不准确的问题,提出了一个基于YOLOv5的YOLOv5-ABN目标检测网络。首先为了得到准确的定位信息,本文将卷积注意力机制中的空间注意力机制与坐标注意力机制相结合,提出了一个融合空间特征信息与坐标信息的空间-坐标注意力机制,在YOLOv5的 Backbone网络中加入空间-坐标注意力模块,在Neck检测层引入加权双向特征金字塔网络,并对错框参数进行优化,提高了网络对样本模型及局部特征的检测精度及定位能力,分别用改进前后的算法对自定义数据集和康奈尔数据集进行训练。实验结果表明,改进后的算法性能要优于YOLOv5算法,在识别精度没有降低的前提下,对目标物体的定位更加准确,鲁棒性更好。

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技术纵横

FPGA多协议转换的智能家居终端研制

刘良臣, 王真星

2023, 23(9): 49-52.

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目前,智能家居终端存在云平台交互/采集/显示等功能欠缺、互操作性能不佳、支持接入的通信协议有限等问题。为此研制了一种基于FPGA多协议转换的智能家居终端系统。它集控制、采集、显示于一体,能对大部分不同通信协议的设备进行操作,并能接入阿里云物联网平台,可用手机APP控制,研制的自动协议转换机制可以使不同厂商的智能家居设备实现互联。

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新器件新技术

基于修正粒子群优化算法的医疗设备物联网辅助定位系统设计

王旭

2023, 23(9): 53-56.

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为加强医疗设备管理效果,设计了基于修正粒子群优化算法的医疗设备物联网辅助定位系统,提升了辅助定位效果,利用射频识别智能阅读器感知标签内记录的医疗设备信息,通过ZigBee网络传输感知的医疗设备信息与阅读器坐标信息至网络传输层;应用层中医疗设备辅助定位模块计算医疗设备坐标;通过卡尔曼修正机制和修正粒子群算法优化医疗设备坐标得到最佳的医疗设备辅助定位坐标。实验结果表明,该系统可有效感知医疗设备信息,实现医疗设备辅助定位,且辅助定位精度较高;在种群数量为40时,该系统的辅助定位时间较短,辅助定位时需要的功耗较低。

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新器件新技术

5G物联网和边缘计算的智能电网安全方案^*

陈旗展

2023, 23(9): 57-60.

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智能电网需要高速、可靠的通信,以通过物联网设备实现实时电网监测,5G可以视为将当前电力网基础设施转变为智能电网的催化剂,因此了解5G在基于物联网的智能电网中的网络安全方面的优势对于设计决策和未来的风险分析工作至关重要。本文探讨了一个关于自动电压控制的智能电网用例,该用例利用5G作为具有边缘支持的无线通信基础设施,确定了5G在安全方面带来的优势,展示了5G安全技术如何适用于智能电网,从而为未来5G智能电网系统的安全分析提供基础。

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新器件新技术

嵌入式系统物联网装置的开发与优化^*

林喜辉

2023, 23(9): 61-64.

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针对物联网技术存在的问题进行深入的探讨,旨在将其全部底层构件整合到一个软件中,以实现低能耗、产品级的物联网装置的开发和优化。完成了基于线程控制、线程同步、线程通信等多个模块的功能设计;实现了嵌入式物联网系统的中断控制和存储管理以及嵌入式物联网系统的多种通信方式和协议,测试了嵌入式物联网系统的低功耗。实验结果表明,在不使用操作系统的状态下,系统所提供的更多功能会导致耗电量增大,但是在低功率、正常工作状态下,它的耗电量是普通微机的50%。

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新器件新技术

单片机中环形队列取余运算的改进

梁凤涛

2023, 23(9): 65-66.

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针对环形队列入队、出队时取余运算耗时问题,提出一种使用按位与运算的方法,大大缩短了入队、出队耗时;针对批量写入/读出数据时,使用单字节方式效率低的缺点,提出了一种对队列一次性读/写多字节的实现方式。实际测试结果表明,本文提出的方法耗时更少、执行效率更高。

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新器件新技术

Stratix系列FPGA可实现远程升级的系统设计

王晓辉, 刘玉婷

2023, 23(9): 67-69.

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在通信、航空、航天、医疗等众多领域,FPGA作为主控器已无可替代,基于JTAG(Joint Test Action Group)的FPGA传统升级方式依赖专用的JTAG下载线缆和本地开发环境,加载稳定性差,传输速率低。本文提出基于Stratix系列FPGA 远程升级实现技术方案,此方案保证基本硬件电路与传统升级方式相同,通过软件功能扩展即可实现对FPGA软件的更新,使得产品的调试和升级维护更加便利。工程实践证明,利用远程升级方式可以使升级效率提升为原来的10倍左右,该技术方案稳定、可靠。

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应用精选

STM32微控制器的badUSB防护设备

胡金亮, 陈家刚

2023, 23(9): 70-73.

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Bad Universal Serial Bus(badUSB)是一种利用Universal Serial Bus(USB)接口来攻击计算机的设备,由于其伪装成正常的计算机USB外设,杀毒软件的防护对其没有任何作用,因此是一种极难防御的攻击手段。本文设计了一种利用微控制器USB主机来探测防御badUSB的设备,此设备成本低、体积小、安全性高,而且不影响USB通信速度。

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应用精选

基于bit-map算法的DMA数据流仲裁器设计^*

朱亚琦, 侯晓娟

2023, 23(9): 74-77.

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针对集成电路产业快速发展所需要的复杂通信要求,设计了一种基于bit-map算法的DMA数据流仲裁器。DMA数据流仲裁器由通道优先级bit-map映射模块、通道请求生成模块、通道请求仲裁模块、通道授权标志生成模块和外设请求应答模块组成。在完成逻辑设计后,通过UVM验证方法学对电路的各个功能进行验证。验证结果表明,本设计仅使用一个32位bit-map映射寄存器将8条通道的32种优先级配置映射到对应有效位,便可实现对8条通道DMA请求的仲裁,无需配置优先级比较电路,不会因逐级比较产生优先级配置相互干扰的问题,且在后期生成实际电路的过程中可以减小电路面积、降低电路功耗。

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应用精选

基于LwIP的网口与串口数据透传设计^*

许向阳, 张宇, 毕胜, 王晓君

2023, 23(9): 78-82.

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对于目前某些特殊设备只配备RS-422或LVDS串口而没有以太网口的情况,上位机与它们之间的数据透传只能依靠串口转换器实现,例如Moxa Uport系列USB转串口转换器等。这样的数据透传方式不仅传输距离近、效率低、成本高,而且不能够接入网络。针对这些问题,提出了一种基于LwIP TCP网口-串口数据透传设备设计方案,该数据透传设备使用ZYNQ-7020 SoC作为主控芯片设计了RS-422接口电路和LVDS接口电路,实现了网口数据与RS-422/LVDS串口数据的透传,最后在某地检设备上进行性能测试。测试结果表明该数据透传设备的RS-422和LVDS串口可实现在2 Mb/s以内的任意速率下无丢包、无误码的数据透传功能,为网口与串口之间的数据透传提供了一种可靠的实现方案。

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应用精选

基于STM32的四轮足式机器人设计^*

朱俊杰, 林恩泽

2023, 23(9): 83-86.

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对四轮足式机器人进行分析,建立了对应运动学模型,为系统实现提供理论支撑。该设计采用STM32F103VET6为主控芯片,各传感器作为下位机采集数据,利用蓝牙和语音识别等软硬件技术实现用手柄和语音控制机器人。实验结果表明,该设计相比传统机器人可切换运动方式,能够满足不同场景的使用需求,且灵活性强、稳定性高、鲁棒性好。

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应用精选

多通道便携式高精度程控电阻装置设计^*

仝修亮, 于丽霞, 杨学军, 袁治雷, 苏海鑫

2023, 23(9): 87-91.

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针对某航天项目需要在功率组件自动测试系统中连续输出多路大小阻值不等的电阻,提出了一种以STM32F103RCT6芯片为核心的低成本、易实现的24通道程控电阻输出解决方案。在I/O口资源有限条件下, 利用74HC595移位缓冲器的优势控制继电器电阻网络的通断,实现多通道电阻输出。通过MAX232芯片以及Modbus协议通信能够快速准确地输出24路期望阻值。测试结果表明,开发的程控电阻装置可提供1666.65 kΩ以内的电阻输出,分辨率为10 Ω且精度可达0.1%以内,其体积小、方便携带,而且操作简便、显示直观。

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产业技术

Wi-Fi 6鲜为人知的功能如何帮助您放心连接物联网设备？

德州仪器(TI)

2023, 23(9): 92-92.

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产业技术

通过下一代控制功能简化设计管理

莱迪思半导体

2023, 23(9): 93-96.

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