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基于LZW算法的实时数据压缩无线传感器网络的研究与设计

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基于LZW算法的实时数据压缩无线传感器网络的研究与设计

作者：马林中北大学

学位级别：硕士

随着无线传感器网络技术的兴起,在工业、农业乃至人们日常生活的各方面,这项技术都有着非常广泛的应用,同时,在无线传感器网络技术中,采用ZigBee无线通信有着低功耗、低成本等重要优势。随着终端节点需要传输的数据量逐渐变大,并且在特... 详细信息

随着无线传感器网络技术的兴起,在工业、农业乃至人们日常生活的各方面,这项技术都有着非常广泛的应用,同时,在无线传感器网络技术中,采用ZigBee无线通信有着低功耗、低成本等重要优势。随着终端节点需要传输的数据量逐渐变大,并且在特定环境下必须使用ZigBee无线网络进行远距离无线通信时,就需要先将终端节点采集到的数据进行压缩,然后再进行传输,最后对数据进行还原。针对上述技术特点,结合无线传感器网络和数据压缩算法各自的优势,完成了基于LZW算法的实时数据压缩无线传感器网络的设计与实现。系统通过测量外部传感器提供的振动、压力、温度等电压信号,并对采集的数据进行实时压缩、存储及传输,从而降低了测试人员的工作量并且降低带宽占用。在本设计中所搭建的实时数据压缩无线传感器网络,由一个终端节点、多个路由器、一个协调器以及一台上位机构成。终端节点负责将采集到的数据经过LZW压缩算法压缩后,将数据进行存储并且发送;路由器节点负责无线网络中数据的中继;协调器负责将接收到的数据发送至上位机;上位机负责将接收到的数据进行还原以及命令的下发。其终端节点的核心部分主要由型号为XC6SLX25的FPGA和CC2530无线收发芯片构成,FPGA将A/D转换器采集的四个通道电压数据进行实时压缩,并通过UART串口与CC2530进行通信。在网络功能实现方面,利用Z-stack协议栈完成了终端节点、路由器节点以及协调器节点上CC2530芯片的开发与配置,并成功组网。经过仿真分析与最终的测试验证,本文设计的实时数据压缩无线传感器网络可以满足设计指标要求,实现了对远程数据的无线采集与存储,并通过对数据的压缩降低了网络占用率,具有一定的实用价值和应用前景。

关键词：无线传感器网络 LZW算法数据采集数据压缩紫蜂协议

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具有U盘存储功能的力参地面测试台

具有U盘存储功能的力参地面测试台

作者：宋楠中北大学

学位级别：硕士

随着航空航天事业的飞速发展，力参地面测试台由于其在对力学参数采编设备的综合测试及分析中的重要作用，已经成为了当今航天系统中重要的科研项目之一。它可以模拟力参采编单元工作所需的各项参数，完成对采编单元功能和性能的测试，... 详细信息

随着航空航天事业的飞速发展，力参地面测试台由于其在对力学参数采编设备的综合测试及分析中的重要作用，已经成为了当今航天系统中重要的科研项目之一。它可以模拟力参采编单元工作所需的各项参数，完成对采编单元功能和性能的测试，为采编单元的研究及改进，或对其进行故障分析提供了重要的基础和参考依据。本文在分析任务中功能指标要求的基础上，重点研究了采用U盘数据存储的方法及设计，并采用了模块化的设计准则，实现了具有U盘存储功能的力参地面测试台。本文主要完成的工作如下：（1）电源模块：研究了电压转换的设计方法，使其可以为其他模块提供多种电压，并为采编单元供应稳定的27V电源及用于拉偏测试的27±3V电源;（2）信号源模块：以FPGA为主要控制电路，将信号源下载至2块静态存储器，并通过D/A转换实现50路模拟信号源的发送，通过下载不同的数字量信号实现不同模拟信号源的发送;（3）在线读数及U盘存储模块：在完成在线读数功能的基础上，研究了U盘存储功能的设计方法，通过单片机控制CH375进而实现U盘存储功能。在线读数功能的控制芯片FPGA设计采用两级FIFO模块用于数据缓存，将第一级FIFO的数据发送到U盘存储模块，上位机通过指令控制读取第二级FIFO内数据，缓解了计算机引起的丢数问题，保障了数据的准确性。测试台通过与力参采编单元进行联试，能够对力参采编单元的各项性能进行检测，同时U盘存储功能为新一代测试台的研制提供了技术支持。

关键词：测试台 ATmega128 CH375 FPGA USB

基于FPGA的石油管道缺陷的漏磁检测装置的研究与设计

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基于FPGA的石油管道缺陷的漏磁检测装置的研究与设计

作者：田登辉中北大学

学位级别：硕士

石油作为极具战略意义的能源,在国防、交通、军事等领域发挥着巨大作用。管道运输是在石油资源储运中应用的较为普遍的方法,在管道进行长距离的储运过程中非常容易造成磨损和被介质进行腐蚀,极易造成管道表面产生缺陷,甚至发生泄露,管... 详细信息

石油作为极具战略意义的能源,在国防、交通、军事等领域发挥着巨大作用。管道运输是在石油资源储运中应用的较为普遍的方法,在管道进行长距离的储运过程中非常容易造成磨损和被介质进行腐蚀,极易造成管道表面产生缺陷,甚至发生泄露,管道的安全问题已经关乎国家的战略发展。针对管道的安全问题,本文提出并设计了一种基于FPGA的石油管道缺陷的漏磁检测装置。本文设计的FPGA的石油管道缺陷的漏磁检测装置的主要功能是采集管道缺陷部位产生的漏磁信号,并将漏磁信号与确定管道缺陷位置的里程信号都在Nand Flash中进行储存,在检测装置从管道中取出后利用USB2.0技术,将存储的数据上传给上位机。首先,本文分析了漏磁检测技术国内外发展的现状和针对管道检测的漏磁检测设备的发展现状,分析了漏磁场的形成原因,并引入有限元仿真的方法,使用Comsol Multiphysics软件对管道的缺陷部位进行磁场仿真。之后根据漏磁检测原理和检测装置的结构制定了漏磁信号检测装置的总体设计方案,并搭建硬件平台,使用FPGA作为主控芯片控制AD7490对漏磁信号进行采集并存储于Flash中,数据的交互部分使用了USB2.0总线传输的方式,采用了FX2芯片实现了FPGA与上位机之间的通信。本文主要从漏磁检测的原理、系统硬件电路的设计、软件逻辑电路的设计等方面进行详细的描述,最后对整体的测试系统进行搭建,完成了对漏磁检测装置各个模块和整体功能的测试,且测试结果准确,能完整地显示漏磁信号,满足功能需求,对其他漏磁检测装置的研制有一定的借鉴意义。

关键词：漏磁检测有限元分析 USB2.0 FPGA Nand Flash

基于NAND FLASH存储器的BCH编解码技术研究

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基于NAND FLASH存储器的BCH编解码技术研究

作者：程龙中北大学

学位级别：硕士

随着信息技术的快速发展，传统SLC(单层存储)架构的NAND Flash已经远远满足不了大容量、低成本存储器的要求，而MLC(多层存储)架构的NAND Flash凭借单位比特成本低、存储密度高等优点，被广泛的应用在各种存储系统当中。然而由于MLC架构... 详细信息

随着信息技术的快速发展，传统SLC(单层存储)架构的NAND Flash已经远远满足不了大容量、低成本存储器的要求，而MLC(多层存储)架构的NAND Flash凭借单位比特成本低、存储密度高等优点，被广泛的应用在各种存储系统当中。然而由于MLC架构NAND Flash的内部电压的等级增多，在擦写过程中发生位错误的概率增大，传统的单比特纠错码——汉明码已经无法满足纠错需求。BCH码因其构造简单、编译码易实现、纠错能力强、校验码更短等特点，使其更适用于NAND Flash多比特位错误的纠错，因此本文开展了对NAND Flash的BCH编解码技术的研究。依据NAND Flash的内部结构特点，设计了纠错能力为每512bytes可以纠正8bits错误位的BCH码。本文首先从BCH码的理论基础、构造方法等循序渐进的展开，针对BCH码生成多项式在信息码元较长时求解比较复杂和易出错的问题，采用Matlab求解取代查表法来提高效率。选择8位并行BCH编码方式作为BCH编码器的硬件实现方法，既解决了串行BCH编码器编码速度慢且位数与NAND Flash不匹配的问题,同时也减少了编码器中线性反馈移位寄存器电路的高扇出瓶颈。BCH译码器作为整个设计中算法最为复杂、占用逻辑资源最多的部分,本文在它的设计过程中应用了多种优化设计手段。在提升译码速率的举措方面，通过对伴随式求解模块和Chien搜索模块采取并行处理的方式，节省了8倍的时间;除此之外，采用了二级流水线结构的分块译码方式，使得一页数据的译码时间大大缩短，很好的提高了译码效率。并且在错误位置多项式的求解过程中采用了简化的无求逆算法，与传统的无求逆算法相比该算法电路结构简单，极大的减少了逻辑资源的占用量，节省了硬件成本。最后对BCH编译码器搭建仿真平台进行功能仿真，仿真结果表明设计的BCH译码器达到了预期的功能要求。

关键词： NAND FLASH BCH码并行仿真测试

差分式硅微机械陀螺的结构设计及闭环驱动研究

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差分式硅微机械陀螺的结构设计及闭环驱动研究

作者：李林中北大学

学位级别：硕士

通过充分调研和详细分析目前国内外振动式硅微机械陀螺的研究状况,针对梳齿式线振动微机械陀螺存在机械耦合误差较大,无法同时具有较高带宽和灵敏度及器件品质因子较低等缺点,本论文提出一种同时具有较高带宽和灵敏度的差分式硅微机械陀... 详细信息

通过充分调研和详细分析目前国内外振动式硅微机械陀螺的研究状况,针对梳齿式线振动微机械陀螺存在机械耦合误差较大,无法同时具有较高带宽和灵敏度及器件品质因子较低等缺点,本论文提出一种同时具有较高带宽和灵敏度的差分式硅微机械陀螺,该陀螺采用双质量块结构抑制了机械耦合对器件造成的不良影响,其驱动、检测模态谐振频率的精确匹配保证了陀螺较高灵敏度,同时差分式结构设计使陀螺带宽得到明显提高;与此同时,对陀螺实现真空封装提高结构品质因子,进一步增强陀螺了灵敏度;最终提出新颖的直流增益控制方法实现对差分式硅微机械陀螺的闭环驱动。论文通过理论研究和仿真分析相结合的方式,对陀螺基本组成部件(电容器和支撑梁系统)进行了详细的分析研究,确定差分式硅微机械陀螺分别采用蟹型梁和折叠梁作为检测质量块和驱动质量块的支撑梁,同时采用静电驱动和梳齿电容检测的工作模式。提出差分式硅微机械陀螺结构,通过大量仿真分析和理论计算使陀螺驱动、检测模态谐振频率精确匹配,保证陀螺具有较高灵敏度;详细分析了差分式硅微机械陀螺的结构特点及工作原理,通过与具有较高灵敏度的陀螺结构进行比较分析,确定差分式硅微机械陀螺在相同灵敏度条件下可以同时获得较高带宽。采用高深宽比深度腐蚀(ICP RIE)表面加工工艺及真空封装技术,以提高陀螺灵敏度。同时提出采用与ASIC兼容的表面加工工艺实现对差分式硅微机械陀螺结构的加工。对差分式硅微机械陀螺结构提出直流自动增益控制的闭环驱动方法,并针对该方法设计出一种低噪声的直流自动增益闭环控制电路,实现陀螺闭环驱动。

关键词：硅微机械陀螺差分式真空封装直流自动增益控制闭环驱动

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基于FPGA的组合导航硬件平台设计与实现

基于FPGA的组合导航硬件平台设计与实现

作者：常学仕中北大学

学位级别：硕士

在导航领域中,由多个独立导航系统结合而成的组合导航系统逐渐成为研究的热点。随着科学技术不断地进步与研究不断地深入,组合导航系统结构与相关的算法日益地成熟与完善。因为组合导航有系统实时性、高速导航解算等需求,所以组合导航... 详细信息

在导航领域中,由多个独立导航系统结合而成的组合导航系统逐渐成为研究的热点。随着科学技术不断地进步与研究不断地深入,组合导航系统结构与相关的算法日益地成熟与完善。因为组合导航有系统实时性、高速导航解算等需求,所以组合导航硬件平台提出了更高的要求。设计一种具有高性能、低功耗、实时性好的硬件平台不仅满足了组合导航系统的需求,还对组合导航系统的研究与实现具有重大的意义。硬件平台是组合导航系统的基础部分。首先,需要对GNSS/INS组合导航系统的需求进行分析,得到硬件平台设计总体框架并采用FPGA与DSP双CPU结构、选用TMS320C6713B与XC7K325T-1 FFG900I为核心处理器。其中,FPGA实现接口的拓展以及数据采集与预处理,DSP专注导航解算。其次,根据硬件平台设计总体框架确定了硬件平台的电路设计。设计中主要分为DSP系统电路设计与FPGA系统电路设计两部分。之后,本文对电路的设计原理以及器件选型进行了分析。根据组合导航硬件平台的功能要求以及所采集信号的特征,使用Verilog HDL硬件描述语言实现了FPGA对多路信号数据采集与预处理以及对外部通讯,使用C语言完成DSP实时操作系统的搭建与EMIF接口配置。其中,对FPGA实现的各个功能模块的功能进行仿真验证测试,保证功能的实现。最后,完成组合导航硬件平台样机的实现并对组合导航硬件平台进行功能测试。测试结果表明:组合导航硬件平台能够达到预期的设计要求,能够长时间进行数据采集且数据采集精度较高,具有小型化、集成度高的特点。

关键词： FPGA DSP 硬件平台数据采集激光陀螺