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新近研究表明睡眠中的心率监测可以用来对睡眠质量作初步的评估分析,它为睡眠的分析工作提供更为简便的手段。论文以硬件装置开发为重点,为实现睡眠检测中的心率检测,先后设计了心电、心音、脉搏这三类携有心率信息的生理信号检测装置。基于MCU的多路电生理信号采集模块适用于睡眠中的应用,为睡眠心率检测提供最直观、严格的手段。系统电源以电池方式供电,功耗低、体积小,可连续长时间工作和高采样率采集数据,同时也可作为心电、脑电一体化的信号采集设备。系统以高位数A/D和8051 MCU组合为核心结构。基于DSP的心音采集系统,不仅能够实现心率检测,同时又可做为一套完整的数字电子听诊系统。从功能上划分为两个子系统,DSP子系统借助Hilbert变换在数字信号处理器平台上实现心音信号的实时频谱单边带调制,使心音取得加强的听觉效果。Matlab GUI子系统由可视化编程控制PC机声卡对心音信号作出采集。基于SOC的脉搏波采集系统,不仅可以实现睡眠中的心率检测,同时还可辅以睡眠中的动脉血氧饱和度监测。文中对脉搏血氧的光电检测原理、硬件电路结构、软件设计流程作出了详细分析。系统结构以光源驱动、光电转换和内带多路24位A/D转换器的MSC1210等电路为核心。最后,论文为数字生理信号的预处理滤波提出了基于分数延迟的FIR型梳状滤波器设计。通过将高通纠漂滤波器与分数延迟(Fraction Delay)滤波器相结合,可实现出采样率与陷波点为分数关系下的梳状滤波器,并优化了它的实现结构。这种设计方法在通带内具有线性相位,且可以得到较好的陷波特性,从而对采集信号中出现的基线漂移、工频和各次谐波干扰可作出有效的滤除。

关键词：心电图心音脉搏血氧梳状滤波器

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基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器研究

基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器研究

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作者：张馨龙清华大学

学位级别：硕士

永磁同步电机以其高效率、高功率密度的优点越来越受到人们重视,并被越来越广泛地应用与驱动系统中。本文旨在基于TMS320F28335的芯片开发永磁同步电机的控制器。控制器还具有无位置传感器控制的功能,为位置传感器提供安全冗余,提高控... 详细信息

永磁同步电机以其高效率、高功率密度的优点越来越受到人们重视,并被越来越广泛地应用与驱动系统中。本文旨在基于TMS320F28335的芯片开发永磁同步电机的控制器。控制器还具有无位置传感器控制的功能,为位置传感器提供安全冗余,提高控制器的鲁棒性。首先,对被控对象进行建模。通过Maxwell建立的电机有限元模型能更全面准确地反映电机的特性。在有限元模型基础上简化的集中参数模型是电机控制的基础。另外,还介绍了如何通过实验和最小二乘法标定建模所需的参数。然后是电机转矩转速双闭环控制算法的研究。本文提出一种滤波补偿的方法能减少电流滤波导致的相位滞后和幅值减少。文中还研究了空间矢量脉宽调制产生的机理和方法,以及优化死区注入的方法。矢量控制的核心是对dq轴电流进行解耦,然后控制器配置零点,把离虚轴较近的极点消去,最终把转矩环简化成一阶低通环节。在此基础上,便可以科学地设计控制器的PI参数。程序的总体框架用状态机来表示,能保证其运行更加稳定。另外,需要对参数进行标幺化,防止数值过大溢出或截断产生误差。除了应用层的代码,底层驱动代码同样重要,它是沟通应用层和硬件底层的桥梁。文中讲述了主要寄存器的配置参数。控制器的硬件系统可以划分成四个部分,分别是最小系统、IGBT的驱动与保护、信号采集以及通讯电路。最小系统能保证DSP能正常运行。IGBT采用自举电路来驱动,通过分别检测三相电流判断是否发生短路故障。信号采集电路通过两级运放采集电流电压和温度等九个模拟量。还能采集编码器的数字信号。通讯电路支持CAN、SPI、I2C以及串口的通讯。为了研究无位置传感器控制技术,先后分析了直接计算法、龙贝格观测器法和滑模观测器法的优劣。提出了一种参数化配置龙贝格观测器增益的方法,以及多段滑膜观测的方法,并通过李雅普诺夫函数证明了其鲁棒性。滑模观测器观测反电动势的正弦和余弦分量,然后通过锁相环计算出角度和转速。最后,通过计算机仿真和所搭建的实验台架进行实验,验证了所提出算法的有效性。

关键词：永磁同步电机硬件设计无位置传感器控制滑模观测器矢量控制

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倒立摆伺服系统设计与实验研究

倒立摆伺服系统设计与实验研究

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作者：李恺清华大学

学位级别：硕士

在控制理论教学中,倒立摆的平衡问题是一个经常被使用的生动有趣的实验。倒立摆仅靠移动固结在小车上的支点的水平位置进行控制,是一个典型的具有不稳定开环极点的实验装置。倒立摆系统不仅具有生动直观的教学特点,在研究方面,倒立摆系... 详细信息

在控制理论教学中,倒立摆的平衡问题是一个经常被使用的生动有趣的实验。倒立摆仅靠移动固结在小车上的支点的水平位置进行控制,是一个典型的具有不稳定开环极点的实验装置。倒立摆系统不仅具有生动直观的教学特点,在研究方面,倒立摆系统同样具有重要的价值。作为一个复杂、时变、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统,倒立摆的稳定性控制又是控制理论与应用的典型问题。本课题主要完成倒立摆伺服系统运动控制模块的设计和实现,对倒立摆系统进行建模和仿真,在此基础上完成了对单级倒立摆的稳定平衡控制。运动控制模块的核心为基于DSP技术的摩信运动控制卡,使得系统的运算速度和精度具有较大提高,进而提高了系统的快速性和实时性。经过实验完成系统运动控制模块的调试。为无摩擦假设条件下的一级、二级以及三级倒立摆系统建立了线性模型,并分别对其使用线性二次型调节器控制方法进行了仿真。进而分析了摩擦因素对倒立摆线性模型的影响,给出了考虑摩擦影响的倒立摆线性模型的一般形式,讨论了摩擦影响下倒立摆控制算法的修正原则。使用C语言编写控制程序,实现数据采集、控制率计算、控制输出,以及通信等功能。上位机用户界面设计使用VC进行开发,实现PC机的用户界面操作,完成在线检测、在线控制以及在线调试等任务。完成单级倒立摆系统的调试和实验,实现了倒立摆位置随动以及定位功能。实验结果表明系统具有一定的瞬态、稳态特性和鲁棒性。本文所完成的工作,既可以作为现代控制理论的教学实验,对于具有类似模型的其他装置如两足机器人的研究也有一定的借鉴作用。

关键词：倒立摆,伺服系统,线性二次型调节器,数字信号处理器

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无线辐射监测与视频监控系统的设计与开发

无线辐射监测与视频监控系统的设计与开发

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作者：金戈清华大学

学位级别：硕士

随着核技术在工业、农业、医疗、科研及教学等领域的广泛应用,放射源安全越来越受到重视。由于使用或管理不当,辐射事件或事故时有发生,已造成一定的人员伤亡。因此,放射源的安全管理至关重要。为了满足放射源安全监控的需求,本文设计... 详细信息

随着核技术在工业、农业、医疗、科研及教学等领域的广泛应用,放射源安全越来越受到重视。由于使用或管理不当,辐射事件或事故时有发生,已造成一定的人员伤亡。因此,放射源的安全管理至关重要。为了满足放射源安全监控的需求,本文设计并实现了一种无线辐射监测与视频监控系统。本文介绍了该系统的主要功能,设计思想,实现方案,以及所用到的关键技术。研究了辐射探测仪器的计算机化数据处理,无线RF数据通信方法和通信协议,视频信号的无线微波传输、显示和采集,以及图像序列中的运动检测等问题。硬件方面,设计了嵌入式控制器。控制器与X-γ剂量率仪、视频监控设备、数字数传电台,微波视频发射器等构成了系统的前端。控制器通过串行通信接口与其他设备连接,实现数据采集、缓冲,设备控制,通信等功能。系统的后端由PC,视频采集设备,数字数传电台,微波视频接收器等构成。软件方面,设计并实现了兼容NMEA0183标准的通信协议,用于保证无线RF数据通信的可靠性。通信协议的内容有:报文格式定义;错误检验方法;通信机制,包括差错控制、拥塞控制等功能;地址功能,实现点对多点通信。PC客户端程序实现了剂量率数据的接收、解析、存储、查询显示和绘图等功能,还有摄像机镜头和云台的控制。视频采集程序基于MicrosoftDirectShow架构,实时显示视频图像,智能化地采集保存视频信号,视频信号的采集由运动检测结果和辐射检测结果自动触发。视频以MPEG-4压缩格式文件存储,节省磁盘存储空间。在对常用的视频运动目标检测算法的研究的基础上,提出了动态背景差分法,进行运动检测。本系统集成了辐射监测和视频监控功能,能够连续自动监控。由于使用了无线通信和一体化控制,系统易于移动和部署。能够满足放射源安全监控的需求。

关键词：无线通信通信协议辐射监测视频监控运动检测

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