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。

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。

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.

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。

“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。

基于运放和模拟开关的可编程放大器实验设计

可编程放大器是电子测量常用器件,可扩大输入信号的量程范围。单片可编程放大芯片集成度高、价格不菲,学生对其内部结构了解甚少。实验采用通用运放和模拟开关实现4级量程可编程放大。学生通过实验可更好地理解可编程放大器工作原理,有益于提高学生工程实践创新能力,拓展了实验教学的深度与广度。实验电路成本低、工作稳定,可作为应急方案用于大学生电子设计竞赛等场景。

RBFRadar:基于可编程数据平面检测价值突发流

在各种网络流量中,突发是一种常见且重要的流量模式。突发会增大网络时延并影响应用性能,因此对突发流的检测、分析和缓解对于提升网络性能和鲁棒性是有意义的。然而,当前基于逐次突发的检测方案存在显著的带宽开销和高用户负担问题。文中通过观察并分析多个场景下的突发流量特征,提出了价值突发流(Remarkable Burst Flow,RBF)检测,在降低带宽开销的同时,减少了传统突发检测中的密集手工劳动和专家经验要求,减轻了网络管理者的负担。RBFRadar是基于Sketch数据结构的框架,支持可编程数据平面上的RBF检测,在一段时间内观察流级别的突发性。该框架仅产生有限的内存占用和低时间复杂性,其原型可在PISA架构上实现。实验结果表明,在检测RBF的准确性方面,RBFRadar的F1分数是现有方案的5.6~23.4倍;在带宽开销方面,与基于逐次突发的检测方案相比,RBFRadar可降低84.62%~98.84%的带宽开销。

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。

集成可编程光芯片的研究与功能验证

随着对高速、超紧凑数据信号管理需求的日益增长,光子集成电路(Photonics Integrated Circuits,PIC)在先进的光子信号处理中受到广泛关注,其中可编程光芯片因其特有的通用性、可重构特性逐渐受到开发者的青睐.本文依托联合微电子中心有限责任公司(United MicroElectronics Center Co.Ltd,CUMEC)的绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)自主工艺平台,设计并制备了包含9个六边形单元的3×3六边形架构可编程光芯片,利用迭代扫描法实现了消光比高达30 dB的开关电压标定,并通过扁平化版图优化设计使芯片尺寸降低了21%;采用此可编程光芯片进一步完成了典型功能验证:通过对输入输出端的可调基本单元(Tunable Basic Unit,TBU)耦合系数进行调谐,可实现消光比、谐振波长、自由光谱范围可调的马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)/微环谐振腔(Micro-Ring Resonator,MRR),消光比可高达42.3 dB/28 dB;可实现延时量大范围可调谐的延时线及任意输入/输出端口之间的路由.该芯片是目前世界上规模最大的六边形架构可编程光芯片,并实现了与有源单元的单片集成,在微波光子信号处理、化学生物传感、量子信息、光计算领域具有广阔的应用前景.

基于可编程控制器的永磁同步电机控制方法

为降低永磁同步电机的速度和扭矩波动,该文提出基于可编程控制器的控制方法。基于永磁同步电机数学模型,利用PLC结合FPGA构建控制架构。编码器解码模块确定电机方向并测量速度,PLC模块根据输入速度及期望值,运用PID算法获取期望电流。ADC模块采集实时电流,经变换后与期望电流作为PLC输入,得到期望电压。该电压经逆变换后输入SVPMW模块调制,控制电机功率。实验显示,该方法能精准测量电机实时转速,快速控制电机到达期望转速,保证扭矩和速度波动平稳。

一种迟滞电压线性可编程比较器设计

提出了一种迟滞电压线性可编程型比较器,该电路在比较器的输出端口加入反馈结构,通过控制反馈电流支路的注入个数,使得比较器在设计范围内具有线性可控的迟滞电压,在不同应用环境下可实现抗噪与反应速度的最优组合,解决了高速测试过程中对迟滞电压可线性编程的需求。该迟滞电压线性可编程比较器电路在40 nm互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺下实现。仿真结果表明,在3.3 V工作电压、27℃环境温度、tt工艺角条件下,电路的最大功耗为102.4μW,传输延迟为10 ns,在补偿电流个数取2到6时,迟滞电压线性控制效果最明显。

基于S7-200可编程控制器的多种液体自动混合的模拟控制

随着工业自动化技术的快速发展,基于S7-200可编程控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的多液体自动混合控制系统在化工、食品和制药行业中变得日益重要。深入分析了基于S7-200 PLC的自动混合控制系统的设计与实现,探讨了其在实际工业应用中的效果。介绍了系统的总体设计,详细阐述了选择S7-200 PLC的原因以及其主要特点,讨论了液体混合控制的关键策略。整体上展示了基于S7-200 PLC的自动混合控制系统在现代工业生产中的重要性和应用潜力。

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。