基于Cortex-M4的CNTR/CTRU密钥封装高效实现

量子计算技术的迅猛发展对现有的公钥密码体制造成了极大的威胁,为了抵抗量子计算的攻击,后量子密码成为当前密码学界的研究热点.目前,物联网的安全问题备受关注,ARM Cortex-M4作为低功耗嵌入式处理器,被广泛应用于物联网设备中,在其上部署后量子密码算法将为物联网设备的安全提供更加可靠的保障.CNTR和CTRU是我国学者提出的NTRU格基密钥封装方案,相比于基于LWE技术路线的格基密钥封装方案在安全性和其他性能上具有综合优势,并在我国密标委得到立项.本文工作首次在ARM Cortex-M4平台上高效紧凑地实现了CNTR和CTRU方案,充分利用单指令多数据(Single Instruction Multiple Data,SIMD)指令,调整运算结构和指令安排,优化核心的多项式运算,从而在算法实现速度和堆栈空间上进行全面优化升级.本文主要工作如下:本文首次在ARM Cortex-M4上实现耗时模块多项式中心二项分布采样,采样速度提升32.49%;使用混合基数论变换(Number Theoretic Transform,NTT)加速非NTT友好多项式乘法运算,充分利用浮点单元(Floating-Point Unit,FPU)寄存器,在NTT实现中采用层融合技术,最大化减少加载和存储等耗时指令使用,使得正向NTT和逆向NTT的速度分别提升84.24%、81.15%;通过NTT过程系数范围分析进行延迟约减,进而减少约减次数,并使用改进的Barrett约减和Montgomery约减技术实现降低约减汇编指令条数;使用循环展开技术实现多项式求逆,优化多项式求逆这一耗时过程,速度优化率为68.85%;针对解密过程中的非NTT友好素数模数多项式环乘法,采用多模数NTT和中国剩余定理(Chinese Remainder Theorem,CRT)结合的方法进行加速,完成解密过程96.26%的速度提升;使用空间复用的方法优化堆栈空间,CNTR和CTRU的堆栈空间分别减少了29.86%、28.17%.实验结果表明:提出的优化技术大幅提升了算法实现效率,与C参考实现相比,CNTR和CTRU的整体速度优化率分别为85.54%、85.56%.与其他格基密钥封装方案最新ARM Cortex-M4实现相比,本文的优化实现在速度、空间和安全性上具有综合性的优势.

基于Cortex-M3的串口与CAN转换模块的设计与实现

针对采用控制器局域网络(CAN:Controller Area Network)总线的自动操舵系统和采用串口通讯的航海导航设备之间通讯的不匹配问题,设计了一种基于Cortex-M3嵌入式平台的通信转换模块,实现了串口与CAN总线数据的双向转换功能。同时对传统CAN收发器CTM1050存在的信号稳定性不足、波特率精准度低等问题,提出并实现了一种硬件电路的替代方案,提高了数据通讯的时效性和稳定性。基于CAN2.0B扩展帧,设计了自动操舵系统内部CAN总线协议。该协议可根据报文信息优先级分配标识帧,保证了总线数据的有序传输。实验结果表明,该通讯模块功能使用正常且通讯效果良好,具有一定通用性,可在多种需要转换的设备系统上推广使用。

基于Cortex-M3的组合罗经显控软件的设计与实现

为解决传统光纤陀螺罗经系统价格昂贵的问题,利用低成本的光纤陀螺罗经和双天线卫星定位定向系统组成组合罗经的主罗经单元成为重要措施。组合罗经显控单元的主控芯片采用基于Cortex-M3的LPC1768,为了减少大量代码的编写、缩短软件开发周期,屏幕选用迪文串口屏,通过串口接收主罗经发来的报文,将船舶航向以罗盘图片的方式在屏幕上实时显示出来。同时,为了方便不同的用户使用,设计了3种显示模式:罗经模式、航向模式以及导航模式。经实船测试,该显控软件的设计可行且能够满足航行要求。

基于Arm Cortex-M0的视频处理系统

设计一种基于Arm Cortex-M0的视频处理系统,旨在满足视频处理在各个应用领域的需求。系统基于EG4S20现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)开发板进行开发,搭建基于Arm Cortex-M0的系统级芯片(System on Chip,SoC)架构,实现了多种图像信号处理(Image Signal Processing,ISP)算法。系统通过安全数字(Secure Digital,SD)存储卡读取原始视频数据,经过ISP硬件加速处理,通过高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface,HDMI)实时显示处理后的图像。系统集成了键盘、数码管和蜂鸣器模块,实现了智能化的视频处理和控制,极大地提高了处理效率和效果。

基于Cortex-M3的汉盲翻译SoC设计

汉盲翻译是一种将中文文本自动翻译为对应的盲文数据的过程.在嵌入式环境下,汉盲翻译的速度较慢,难以达到复杂环境下的实时性需求.为此设计出专用的汉盲翻译IP核,通过实现逆向最大匹配分词算法、汉盲转换,最终得到准确的盲文数据.为了验证设计的合理性,以Cortex-M3为微处理器构建SoC,搭载串口、LCD驱动和汉盲翻译IP核,并使用FPGA实验平台进行功能验证和性能测试.测试结果表明,该SoC可准确进行汉盲翻译,翻译速度达5 079.37 B/s.

基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式运动控制箱的设计与实现

通过研究现有运动控制方案,发现常见的运动控制解决方案都要用到运动控制卡,成本较高,体积较大,不适合控制精度要求不太高、成本要求较高的运动控制场景。从ARM Cortex-M3为内核的32位微控制器、光电隔离接口电路、PWM信号调制、供电电源、软件设计5个方面进行设计,调试并实现一套具有更高性价比的嵌入式运动控制箱。该嵌入式微控制器经光电隔离接口电路读取外部数字化输入信号,经过嵌入式微控制器CPU处理,输出数字化信号和调制PWM信号,经光电隔离接口电路隔离转换,以控制伺服电机和外部其他设备。该运动控制箱成本低、功能强大、体积小,适用于对成本要求较高、对运动精度和难度要求不太高的场合。实际应用表明,该运动控制箱可实现4通道PWM输出、20通道的数字输入和16通道的数字输出,性能良好,性价比高,效果良好。

基于稀疏化CNN在Cortex-M视频的身份识别研究

目前市场上存在的门禁、考勤等身份识别系统,基本上是利用算法直接在基于操作系统的专用设备上进行身份的验证,大量视频图像直接上传到中心服务器进行数据运算处理,造成服务器的压力过大。针对这一问题,提出一种基于稀疏化CNN在微控制器芯片上实现监控视频人员身份识别的方法。首先在不依赖于操作系统的微控制器芯片上对小区、商场及校园等公共场所的监控视频进行结构处理,采用CMSIS-NN在微控制器芯片上搭建与PC训练机(服务器)相同的稀疏化改进的AlexNet模型,然后将利用训练机获取的经验值移植到微控制器芯片上,实现对结构化视频的人员身份识别。经实验证明,在微控制器和训练机上识别准确率基本保持一致。因此,在系统前端实现视频结构化处理以及对其搭建稀疏化神经网络实现对人员身份识别是可行的。

Cortex-M0 MCU中断向量重定位的高效方法

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。

基于CORTEX-M4单片机的医疗器械控制系统设计与研究

Cortex-M4处理器是由ARM专门开发的先进嵌入式处理器,在M3的基础上强化了运算能力,新加了浮点、DSP、并行计算等,其性能比Cortex-M3提高了20%。它在医疗器械控制系统中常被用作首选的处理器。此课题将结合牙科综合治疗平台项目,研究基于Cortex-M4单片机的控制系统。本研究将着重介绍产品系统设计方案,并详细介绍产品硬件设计,软件设计,系统可靠性体提高、安规和EMC优化等过程。

智能家居基于Cortex-M3/M0的感知与控制子网设计

在物联网智能家居系统中,将按功能分立的抄表网、环境网、电控网、安防网等分立子网,融合成按信息流向的感知网、控制网。本文介绍了采用NXP Cortex-M3/M0系列ARM微处理器设计开发物联网智能家居系统的技术要点。

基于ARM Cortex-M4的MQX中断机制分析与中断程序框架设计

中断机制是决定RTOS实时性指标的核心机制。MQX是一个由Freescale维护、源代码公开、支持多任务的抢占式的RTOS,将会广泛用于ARM Cortex-M微处理器的应用中。MQX的中断机制具有实时响应、动态管理的特点。以ARM Cortex M4Kinetis微控制器为蓝本,深入分析了MQX的中断顶半部和底半部的运行机理,提出了MQX的中断实时特性的评估算法,明确了程序时间的可控性。在此基础上,根据嵌入式软件工程的基本原理,不拘泥于传统程序结构设计方法,提出了一种MQX下中断程序框架及编程要素分布的基本原则,从而较好地满足了程序可复用性及可移植性要求。

基于ARM Cortex-M3便携式智能超声波液位计

为了准确测量环境恶劣工业生产中的液位以保证生产效率,通过研究超声波测距工作原理,采用新型高性能、低功耗和低成本的ARM-Cortex M3内核微控制器,结合超声波技术、红外传输与DSl820温度补偿修正设计了一款便携式智能超声波液位计。其采用的先进微处理器以及无线传输的方式,简化了硬件电路,优化了软件编程。研究表明:该液位计设计提高了液位测量精度、实时性、灵活性与快速性。

基于db4小波变换和双ARM Cortex-M的电能质量分析系统

研究并开发了基于双ARM Cortex-M平台、利用小波变换检测暂态扰动电信号的电能质量分析系统原型。首先利用Mallat算法对电能信号进行离散小波分解,计算并比较高频区间的模极大值,进而确定扰动发生时间点并进行录波。在双ARM Cortex-M硬件平台上对该检测扰动的算法进行验证,通过电压中断和暂态振荡两种输入信号模型对系统进行测试,结果表明系统能在2ms内检测到电信号的突变,能准确实时地检测到暂态扰动出现的时刻。

μC/OS-Ⅱ在Cortex-M3内核上的移植及优化

描述了源代码公开的实时操作系统μC/OS-Ⅱ在以Cortex-M3内核的ARM处理器STM32-F103ZET6上的移植过程。介绍了ARM的Cortex-M3内核的基本概念,及移植过程,并对移植过程中的任务堆栈做出优化,最后通过建立简单任务,来验证移植的正确性以及系统在STM32F103ZET6上运行的可行性和稳定性。

基于Cortex-M3的矿用便携高速红外数据采集器设计

设计了一种适合矿下工作人员维护煤矿生产在线监测设备和采集数据的便携式高速红外数据采集器。基于Cortex-M3内核的STM32F系列芯片,搭载TFDU4100红外收发模块,使用SD卡存储大容量数据,并可通过USB接口将数据传至上位机。分别对红外传输速度、误码率、存储速度进行测试。测试结果表明:该采集器传输速度快、准确率高且存储速度快,具有较强的实用性。

基于Cortex-A9平台的ZigBee物联网综合实验平台设计

基于ARM嵌入式平台,设计无线网络通信实验课程,能够把分散的嵌入式系统知识点,整合在统一平台中,达到创新物联网实验教学体系的目的。实验通过Cortex-A9内核平台与ZigBee无线网络平台配套研发,让学生在实际操作和编程过程中,深刻理解物联网通讯的工作原理。实验分析了Cortex-A9内核在物联网实验中的工作特点,选用Tiny4412核心板,配套CC2530传感器节点,搭建物联网综合实验平台。同时,针对高校学生的基本情况,设计了理论完善、操作性强的实验流程,实现Android APP应用、Linux QT应用、QT应用的演示方式,贯穿物联网3个结构层次所涉及的知识要点和实践重点。

基于ARM Cortex-M3的便携式智能瓦检仪的设计

为了测量煤矿井下瓦斯浓度以提高煤矿安全系数,利用新型的ARM Cortex-M3内核高性能、低功耗和低成本的特点,结合红外技术研究设计出一款便携式小型瓦斯检测仪;ARM Cortex-M3内核简化了硬件电路的设计和开发环境,优化了软件编程;红外技术的应用使得该仪表可供煤矿井下工作人员随身携带,使用方便;该仪表能够实现瓦斯含量实时检测和报警,具有测量精度高、实时性好、速度快、操作简单和性价比高等优点,使得矿井环境更加安全可靠;文章详细介绍了瓦检仪系统的组成、工作原理以及软硬件设计。

基于Cortex-M4的四旋翼飞行控制系统设计

针对四旋翼飞行器,设计并实现了一种基于Cortex-M4的微型飞行控制系统;使用高性能Cortex-M4处理器融合陀螺仪,加速度计,GPS位置,超声波高度,磁力计等信息,采用互补滤波进行姿态解算,并以PID控制方法对飞行器的滚转、俯仰、偏航和高度通道进行控制,实现了四旋翼飞行器的自动定高飞行和定点悬停功能;文章详细介绍了控制系统的总体构成,以及软硬件设计方法,并结合Ucos-II嵌入式实时操作系统,保证了系统的可靠性和实时性。

基于Cortex-A9的物联网网关的通信协议设计

针对Cortex-A9物联网网关硬件平台,提出一套可靠的物联网网关通信协议。协议承担物联网网关的数据汇集和中转等任务,完成传感器数据的上传、报警短信的转发以及网关和服务器的局域组网等功能,成功将无线传感器网络协议、GSM协议、TCP/IP协议相融合,实现对环境信息稳定可靠的监测。

基于Cortex-M4和FreeRTOS的矿用三维激光扫描测量系统设计

为了满足矿用三维激光扫描系统的需求,设计了基于Cortex-M4内核和嵌入式实时操作系统FreeRTOS的运动控制和数据采集系统。采用Cortex-M4为内核的STM32F407ZGT微控制器和APM电机控制器等进行相关的硬件电路设计,通过移植FreeRTOS内核实现对运动控制、激光传感器数据采集、摄像头视频传输等任务的调度和对其他硬件资源的管理,简化了硬件设计的复杂度,优化了软件编程,提高了系统的实时性和可靠性,降低了成本。