FastRMT:一种面向微体系结构创新的高速数据平面可编程系统

网络数据平面可编程(Data Plane Programmability)给网络转发设备的数据平面赋予强大的可编程性,在不更换设备的情况下,可以动态部署新型机制与服务,例如路由转发核心机制、网络安全控制功能、网内计算加速服务等.由此,数据平面可编程成为业界和学术界高度关注的新兴技术,并已在主流云服务提供商投入应用.可重构匹配表架构(Reconfigurable Match Table Architecture,RMT)由于出色的处理性能和采用P4语言灵活编程的特性,成为数据平面可编程的热点研究方向.然而,受困于RMT架构复杂的体系结构设计、芯片闭源的服务机制以及门槛较高的FPGA设计开发,使得RMT研究人员难以通过FPGA,对RMT创新设计以及100 Gbps以上真实性能场景进行敏捷验证.本文提出并实现了一种数据平面可编程系统FastRMT,首次开源了FPGA级的系统实现.FastRMT支持RMT架构可编程协议解析、自定义规则匹配、超长指令字的并发动作执行引擎等核心功能,支持P4语言对系统进行编程.FastRMT具备松耦合与模块化的特点,研究人员可以替换模块或者对系统进行动态重构,从而实现新型机制或体系结构的敏捷开发与验证.本工作包含交换机原型与网卡原型两种版本,支持主流FPGA芯片,系统可完成100 Gbps的报文线速处理能力,1500 B报文处理延迟仅为1.22μs,体现了FastRMT作为基础框架对微体系结构创新和生产线级别验证的优势和可行性.

基于现场可编程门阵列的水果识别系统设计

针对目前大多数水果识别系统实时性差和成本较高的问题,本文提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的水果识别系统。整体硬件设计包含图像采集、检测识别和显示模块。软件部分通过图像采集平台将水果图像存储至双倍数据率同步动态随机存储器(DDR3)控制模块,进行图像灰度化处理,并创造性地提出背景帧差法对水果图像进行分割。通过融合水果颜色和几何特征,实现对水果数量、颜色和种类的识别。整个水果识别系统在不同光照下对常见水果进行了测试。实验结果表明,水果平均识别准确率达到93.25%,识别速度约为16.67 ms,FPGA硬件资源消耗率仅占28.02%,可以满足实时性需求。

一种基于可编程逻辑器件的多功能信号源设计

为适应不同应用场景下对多种信号类型和特性的需求改变,设计一种基于可编程逻辑器件的多功能信号源,以解决通信信号输出过程存在偏差问题。基于可编程逻辑器件进行多功能信号源的电路排布,采用巴特沃斯低通滤波器对信号噪声进行处理,确定波形优化指标,利用数字频率合成技术进行信号波形优化,设计顶层逻辑模块布局。对设计的多功能信号源进行性能测试,结果表明:在改变载波频率和调制度的情况下,设计的多功能信号源在传输过程中输出的信号频谱和解调波形的偏置精度,均优于传统的信号源。

造纸机分布传动可编程控制器PCC系统的应用

PCC可编程控制器以其强大的数据处理能力、高运算速度和可靠网络连接等优势,在在造纸工业中得到广泛应用,充分发挥其优势有助于推进造纸机的智能化发展、提升造纸机的技术水平。对此,简述了PCC系统控制原理,设计了以PCC B&R 2005为主控制器、操作面板为人机界面、PROFIBUS现场总线为通信方式的造纸机分布传动控制系统,对系统中主要硬件选型与配置、系统通信方式、下位机软件设计等进行了详细说明,并基于组态王与PCC进行造纸机分布传动上位机监控界面的设计,以期提高造纸机分布传动控制系统的控制精度、实时性和稳定性。

自主可控可编程控制系统架构及关键技术分析

主要对自主可控可编程控制系统架构以及关键技术进行分析。首先,对可编程控制系统架构特点进行分析,包括:选用实时以太网总线具有高同步性特点,同时应用具有标准化特色的应用层协议;主站从站通用化水平持续提升;功能呈现出丰富化发展趋势。其次,对自主可控可编程控制系统关键技术及其实现进行分析,包括主站从站硬件标准化、实时以太网总线控制器、HMI组态编程、PLCopen功能库这4个方面的内容。希望能够通过自主可控可编程控制系统关键技术的综合应用,促进可编程控制系统优化发展,进而在工业控制产品自主化建设发展方面起到积极作用与价值。

4D打印可编程液态金属-液晶弹性体软体致动器

为了得到能够可控制形变的液晶弹性体,提高其在软体致动器和软体机器人领域的应用潜力,本文报道了一种基于液态金属(LM)-液晶弹性体(LCE)的光驱动软体致动器。该软体致动器通过4D打印技术制备而成,展现出了良好的形变可编程性。通过超声将LM分散在乙醇中,随后将LM微米颗粒混合到配置好的液晶溶液中得到均匀的LM-LCE墨水,利用4D打印技术对其墨水的取向结构进行编程,最终制备出具有特定形变的软体致动器。通过4D打印,分别制备了具有交替正交和圆锥形阵列取向结构的LM-LCE软体致动器。该致动器具有良好的光热性能,在808 nm红外激光照射下,在10 s内致动器表面温度可达120℃。基于优越的光热性能,交替正交取向结构的致动器可以快速产生弯曲形变;而圆锥形阵列取向结构的致动器则以螺旋中心为顶点产生凸起形变。基于4D打印技术,LM-LCE的光驱动软体致动器具有良好的形状可编程性,在动态和复杂的环境中展现出更加优异的适应性及可调节性,有望在医疗、军事和软体机器人领域得到广泛应用。

基于可编程控制器的槟榔包装控制系统设计

为解决槟榔自动包装机封口装置存在封口不牢固、包材烧穿等问题,设计了一种基于可编程控制器(programmable logic controller, PLC)技术的槟榔自动包装机封口装置控制系统,以实现槟榔包装的稳定性。介绍封口装置工艺以及控制系统结构,包括PLC、温度传感器、位置传感器、温度控制模块、伺服电机等。封口装置中温度为主要研究对象,同时为弥补传统PID(proportional-integral-differential)控制的不足,改善传统LADRC(linear active disturbance rejection control)控制参数整定困难等问题,提出一种粒子群(particle swarm optimization, PSO)优化改进型线性自抗扰温度控制器,以提高封口装置温度控制的鲁棒性和抗扰性。最后进行仿真和实验研究。结果表明:与传统PID以及自抗扰(active disturbance rejection control, ADRC)控制器相比,加入粒子群(particle swarm optimization, PSO)算法优化后的改进型LADRC方法,可以使系统输出响应、快速性增强,调节时间变短,封口装置实际包装温度误差<0.4℃。可见所述封口装置系统有效提高温度控制精度,一定程度上提升了槟榔自动包装机的生产效率。

基于可编程交换机的网内灰色故障检测技术研究进展

灰色故障是指对生产网络产生细微影响的交换机故障.然而,当这些轻微故障相互叠加或与新增故障叠加时,可能会导致整个生产网络的瘫痪.因此,检测灰色故障对生产网络的稳定性至关重要.传统解决方案关注的是在控制平面收集数据平面交换机中的流记录,并对其进行处理以检测灰色故障.然而,此类解决方案存在着不足:(1)缓存和处理大量的流记录会引入庞大的资源开销;(2)较高的检测时延无法保证灰色故障检测的时效性.近年来,可编程交换机的出现为灰色故障检测技术带来了新机遇:网络管理员可以将灰色故障检测算法部署运行至可编程交换机的线速ASIC流水线上,从而支持低开销、低时延、高精度的网内灰色故障检测技术.本文针对基于可编程交换机的网内灰色故障检测技术进行综述,在对灰色故障的概念、普遍性及对生产网络的危害进行描述的基础上,分析与讨论了现有基于可编程交换机的网内灰色故障检测技术的研究现状与进展,详细介绍每项技术的工作原理及流程,搭建真实的实验平台评估各项技术的检测指标,在文末指出了现有技术所面临的问题与挑战.

一次性可编程存储器的数据保持特性建模及分析

基于300 mm 0.18μm MS 5 V工艺平台设计并流片了1k×16一次性可编程OTP器件,并对存储单元的结构、工作原理及工艺等可能影响数据保持寿命的因素进行了分析。根据Arrhenius寿命模型对不同样品设置了高温老化实验测试,收集数据并对OTP器件的保持特性进行建模。通过225℃、250℃和275℃条件下的高温老化加速实验,拟合样品最大数据保持时间曲线。在生产过程中可能出现的最差产品条件下,对1/(kT)与数据保持时间曲线进行数学拟合,计算在不同失效条件下的浮栅电荷泄漏的激活能和最大数据保持时间。

一种状态可编程交换机的流量控制方案

随着网络应用的功能和服务需求的多样化,网络流量的类别也逐渐丰富,如何为不同类别的流量提供区分的QoS服务成为亟需解决的问题。该文为基于SDN网络的交换机增加了一种可编程的流量控制机制,控制面通过开放的编程接口配置交换机,使其为不同数据流提供带宽保障。提出并实现了一种针对优先级队列的调度算法,为流量构建其所需容量的数据传输通道,保障了网络资源的高效利用。实验结果显示,各类流量可以按照指定的带宽执行转发,其他流量发生变化时,给定流量的带宽波动不超过2%;且在长度为78 Bytes的小包情况下,高优先级的流量丢包率控制在1%以下。

一种面向可编程确定性零拷贝的FPGA加速器

随着网络规模的进一步扩展,传统B/S架构的单体应用逐渐被微服务所代替,服务的拆分使得API的规模呈指数增长.而商用网卡处理在处理海量的微服务请求时,在确定性、可编程和数据拷贝三个方面表现出巨大的局限性.为保证各网络节点高效、灵活、精确地处理服务请求,本文提出可编程确定性的多队列FPGA加速器原型.该加速器依托多个硬件队列以及队列管理单元,扩展基于规则的RSS算法,实现serverless友好的数据包分发.添加PTP硬件时钟组件,与队列管理单元协同控制对数据包的确定性发送.为提升网络节点的数据收发效率,设计了适配FPGA加速器的驱动程序,实现数据包收发的零拷贝.在支持100Gbps线速率的FPGA上进行的实验表明,该加速器可以支持不同数据包大小的多队列的零拷贝传输,定义网路节点的转发行为,并在8个核心的FPGA设备上接近线速率处理数据,此外,它还支持以接近ovs-DPDK的低延迟进行数据包转发,在一定程度上克服了商业网卡在面向微服务架构时的局限性.

可编程门阵列WM-TDLAS气体检测系统设计及应用

本文基于可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)快速处理数字信号及多线程优势,结合波长调制可调谐半导体激光吸收光谱(WM-TDLAS)技术,研制可编程门阵列WM-TDLAS二氧化碳浓度检测系统。根据应用功能需求,利用FPGA芯片的逻辑门阵列可编程特性,设计了具备信号采集及调制、谐波解调功能的数字化锁相放大器(digital lock-in amplifier,DLIA)。为验证其性能进行谐波提取测试、Q值、抗噪声实验,结果表明目标频率提取线性度达99.99%,Q值可达45。在对不同信噪比信号进行谐波提取实验中,当信噪比为43 dB时,均值最大相对误差仅为0.91%。采用中心波长1572 nm分布式反馈激光器作为光源,覆盖选定的6360 cm−1处吸收线,密集多通气体吸收池有效光程14 m,开展了气体浓度检测实验。系统检测浓度与二次谐波幅值拟合线性度为99.982%,通过提升扫描波长频率,系统可在0.1 s获取浓度值。艾伦(Allan)方差结果表明,当积分时间为44 s时,系统的检测下限为1.86 ppm。实验结果表明,该可编程门阵列WM-TDLAS检测系统具有检测精度高、响应速度快、稳定性强和小型化的特点,可用于实际应用中浓度实时监测。

可编程网络流量公平调度研究综述

网络数据包调度是一个经典的多维决策问题,其核心在于网络设备中如何实时地做出数据包入队和出队的合理决策。在该领域中,流量公平调度是一个备受关注的重要课题。为了保障网络服务等级、缓解链路拥塞以及有效应对网络攻击,快速、公平且通用的调度算法显得至关重要。传统的数据包调度算法实现了公平的带宽分配和流量隔离,但随着软件定义网络(SDN)和可编程网络的出现和发展,灵活且可重构的网络编程方式催生了许多国内外学者提出创新性和实用性的公平调度方案。本文围绕流量公平调度问题,系统地总结了实现公平调度的6种技术路线,并展望了未来的研究方向。

一种用于传感器模拟前端的可编程增益放大器

基于华虹0.18μm CMOS工艺设计了一款用于传感器模拟前端的可编程增益放大器(PGA),其整体采用全差分结构来抑制传感器输出的共模噪声、直流分量以及供电电源的输出噪声。该电路由仪表放大结构轨对轨输入级、轨对轨自动调零全差分运算放大器、数字控制电路以及直流分量消除电路这四个部分构成,同时采用连续时间自动调零校准技术来降低其输入失调电压。PGA的放大倍数为5 bit调节,共12个档位,分别为1,2,4,8,…,1024,2048倍。在3.3 V电源电压下,PGA输入输出摆幅为0.2~3.1 V。在输入500 mV的直流分量条件下,在-40~125℃的温度范围内,可将直流分量抑制到47.6μV。通过Virtuoso软件进行电路设计、版图绘制以及仿真验证,后仿真结果表明,在进行100次蒙特卡罗仿真下,电源抑制比和共模抑制比在1 kHz处的平均值分别约为110.3 dB和116.1 dB,输入失调电压的1σ值约为21.3μV。

基于PC架构的可编程控制器发展趋势及其在风电控制领域的应用

基于PC架构的可编程控制器(PC-Based PLC)是在PC平台和嵌入式操作系统基础上开发的可编程控制器。在风电机组级控制系统(包括主控系统、变桨系统、偏航系统、状态监测系统等)、风电场站级监控系统(包括SCADA系统、AGC、AVC系统等)领域,PC-Based PLC均有广泛应用。对PLC可编程控制器的PC架构、基于PC-Based PLC的风电机组控制系统技术架构等进行了阐述,结合双馈型风电机组控制系统分析了风电机组控制系统的发展现状及存在问题,同时结合云化、分布式、边缘计算等工业控制前沿方向分析了PC-Based PLC在风电控制领域的技术发展趋势。

基于可编程数据平面的实时传输技术研究

随着人们线上业务的增多,在线教育、在线会议等业务对网络时延和抖动有了更高的要求,因此,该文基于软件定义网络(SDN)架构,在可编程数据平面使用P4语言设计了一种实时传输方案。该方案基于可变阈值机制,通过在可编程数据面上建立一种阈值反馈自调节机制,使优先级调度和重路由调度能适应网络波动,降低时延。实验结果表明,改进后方案在时延和抖动方面均有明显改善,提高了实时传输业务质量。

可编程控制器总线开发运行配置方案设计

随着可编程控制器应用范围加大,其需要支持的总线类型也不断增多,亟需一种通用的、可扩展的总线开发设计方法,以提升总线开发集成效率。采用层次化信息描述文件对总线和模块进行建模,组态软件以树形结构展现总线树,支持配置EtherCAT、Modbus、IEC61850和LocalBus等各种工业总线。采用组件库方式实现总线的功能,控制器运行时软件支持多种类型的总线库加载运行,支持总线配置内容在线增量更新。基于提出的通用建模配置和运行管理方法,新增一种数据总线时,控制器和组态软件都无需做适配修改,提升了系统的适配能力和可靠性。

面向可编程网络的高可靠路由优化算法研究

随着网络规模的不断扩大和复杂度的增加,网络的可靠性和性能变得越来越重要。在可编程网络中,路由优化算法成为提高网络性能和可靠性的重要手段之一。在网络中,路由优化是一个非常重要的问题,因为它直接影响网络的性能和可靠性。传统的路由算法存在一些问题,如收敛速度慢、资源利用率低等。为了解决上述问题,提出了一种新的路由优化算法,即结合Bellman-Ford的双向Dijkstra算法进行最短路径计算。具体来说,首先从可编程网络入手,分析了传统的路由算法存在的问题;接着,为了改进传统Dijkstra算法中无法对存在负权边进行求解的不足,在存在负权边时融入Bellman-Ford算法进行求解,对所有边进行V-1次松弛操作,预处理出源点和汇点到每个节点的距离上界,从而减少计算量;然后通过预处理出源点和汇点到所有节点的最短路径长度的上界,可以减少Dijkstra算法的搜索范围,从而提高搜索效率;最后通过仿真对所提出的算法进行了验证,并与传统的路由算法进行了比较。实验结果表明,所提出的算法在收敛速度、资源利用率等方面均表现优秀,能够有效提高网络的性能和可靠性。因此,以上的研究具有一定的理论和实际意义,对于网络技术的发展具有重要的参考价值。

“新工科”视域下智能制造专业课程的“合作学习式”教学探索:以校企共建课程《可编程控制器原理及应用》为例

在“新工科”背景引领下的智能制造工程专业建设中,以校企共建课程《可编程控制器原理及应用》为载体,本文作者通过实践总结了一套“合作学习式”教学方法,为智能制造工程类专业课程的教与学奠定基础。

项目驱动《电气控制与可编程控制器》课程教学改革研究

本研究探索了在项目驱动下进行现代《电气控制与可编程控制器》课程的教学改革方法。通过引入实际工程案例和实践操作,将理论知识与实际应用相融合,培养学生的工程意识和问题解决能力。同时,采用小组合作学习方式,提升学生的协作能力和团队精神;借助项目管理工具,加强学生的项目管理和组织能力。最后,通过评估和分析教学效果,总结出适合本校实际的教学方法和策略,以供后续课程改革和优化的参考。