集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

物联网:前景众说纷纭？

Robert van der Zwan

2022, 22(10): 1-2.

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技术专题—嵌入式人工智能

基于Xilinx KV260和卷积神经网络的自动驾驶小车^*

郭传鈜, 王延葵, 毕盛, 董敏

2022, 22(10): 3-6.

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基于现场可编程门阵列的片上系统在边缘端人工智能应用中具有独特的优势。其神经网络推理加速由软核实现,可随着人工智能技术的发展更新硬件加速器而不用更换芯片方案,同时,FPGA侧也可针对具体应用定制其他专用的硬件加速核。本文使用Xilinx KV260开发板和Vitis AI工具链,在FPGA的SoC上实现硬件加速神经网络推理的基于示教学习的自动驾驶小车系统。

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技术专题—嵌入式人工智能

微控制器平台低代码神经网络推理技术研究

张岩, 宋岩

2022, 22(10): 7-10.

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基于微控制器平台的深度学习技术(TinyML)的兴起,意味着在广大嵌入式平台上部署人工智能的重大革新必将带来AIoT的发展。微控制器种类繁多,不同的芯片,其开发方式和基础API也各不相同,与PC端相比,模型的推理技术开发工作难度不小,需要具备一定的嵌入式开发经验。本文尝试将高级语言Python与微控制器结合,为入门开发者提供一套简单、可靠的开源低代码开发套件(名为“OpenART”),可以大大提高在微控制器上部署深度学习的开发效率、降低学习成本。

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技术专题—嵌入式人工智能

TFLitemicro内存管理与分配策略的优化

许鹏, 宋岩

2022, 22(10): 11-15.

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TFLitemicro(TFLm)是当前在微控制器平台上流行的神经网络推理框架。本文分析了TFLm在推理模型时的内存管理机制与分配策略,以及其在使用内存时的局限性。当前TFLm仅支持使用单块内存(Tensor Arena) 来保存模型推理所需的中间结果,本文扩展TFLm的内存管理以支持使用多块不连续且访问性能有巨大差异的内存,还给可以重叠的tensor分配相同的内存。通过这样的改进,既把数据流量更多地引到片上快速内存中,又降低了峰值内存的占用。通过在i.MX RT1170上的实验数据表明,本文策略对于含有快速片上RAM(以DTCM为代表)的微控制器,能大大提高片上快速RAM的利用率,显著缓解存储器带宽带来的瓶颈,使推理时间缩短至一半以上。

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技术专题—嵌入式人工智能

使用先进MCU实现加速的机器学习应用

Brian Rodrigues

2022, 22(10): 16-20.

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随着技术的发展,人工智能正在进入嵌入式系统应用领域,越来越多的应用程序运行在MCU上。为了顺应这一趋势,Silicon Labs推出了一款可以执行硬件加速AI操作的无线MCU—EFR32xG24。本文列举了3个项目示例,应用EFR32xG24实现多种机器学习应用。

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专题论述

LSTM混合算法在用户电量数据异常检测中的应用

陈敏

2022, 22(10): 21-24.

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提出一种基于LSTM混合算法的用户电量数据异常检测模型。首先,提出了一种用于电力数据特征提取的检测器,该检测器通过从样本中提取抽象特征重新构造输入,并将重构误差与阈值进行比较,实现电力用户高维特征表示。其次,提出了混合CNNLSTM的电力数据异常分析网络,利用CNN叠加特征表示,并基于双层LSTM捕获电力数据上下文关系,从而有效提高模型的分类和回归能力。实验阶段,以某电力公司提供的电力数据为例,对所提模型进行验证。实验结果表明,所提模型性能最优,准确率和召回率分别为89.3%和69%。

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专题论述

序列号同步下配电网5G通信的传输^*

王旭蕊, 孟显, 季名扬, 刘辛彤

2022, 22(10): 25-28.

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5G通信的出现为分布式网络传输分化保护数据提供了新的想法,但其传输速度较慢,影响数据同步。本文提出了一种数据同步方法,可以抵消时间延迟和固定延迟的影响。该方法计算了基于序列号同步下分布式网络模型下的分布式数据保护的信息传输延迟,然后用数字序列封装同步序列,作为双方数据同步的一种方式,分配网络中的微分屏蔽。测试结果表明,这种方法可以有效同步数据。

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专题论述

嵌入式软件故障自动安全升级技术研究^*

吴良顺, 应忍冬, 刘佩林, 张斌

2022, 22(10): 29-31.

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嵌入式软件空中升级(OTA)时,需要升级包具备完整性、安全性和容错机制。本文研究了一系列嵌入式软件故障自动安全升级和在线评估技术,设计了安全回卷机制,设置了多重“阻隔点”,确保升级失败时能够安全恢复上一版本并通过硬件看门狗防止死锁;提出基于局部软件安全签名的升级包“合法性”验证技术;设置“防火墙”机制以保证核心数据区安全;“沙盒”运行模式,通过“试运行”验证可升级模块的安全性。

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专题论述

一种改进PCNN的红外与可见光图像融合算法研究

蒋艳丽, 刘培培, 周慧丽, 田野

2022, 22(10): 32-35.

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红外图像与可见光图像运用传统图像融合技术进行图像融合时,融合图像出现细节模糊、对比度降低等问题。针对此问题,提出了一种通过面积比改进脉冲耦合神经网络(PCNN)结合NSCT的图像融合方法。首先利用直方图双向均衡化对源图像预处理;其次经过NSCT分解图像得到低频子带和高频子带,高频部分采用改进的PCNN作为融合规则得到高频融合系数,低频部分采用加权平均作为融合规则得到低频融合系数;最后NSCT逆变换处理高低频融合系数得到融合图像。实验结果表明,融合算法在保留图像细节信息、增强图像轮廓信息方面优于传统图像融合算法,提高了图像对比度。

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专题论述

RISCV标准指令集的六级流水线设计

张旭, 韩跃平, 唐道光, 武杰

2022, 22(10): 36-39.

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基于RISCV标准指令集,提出一种六级流水线设计方法。首先,分析了流水线级数对处理器性能的影响,在经典五级流水线的基础上将流水线划分为6个阶段,缩短时延,提高主频。其次,为解决流水线中的冒险问题,采用定向前推和插入纵向气泡的方式处理数据冒险问题,使用流水线冲刷解决流水线中控制冒险问题。最后,在EDA工具中,采用RISCV标准指令集对本设计进行仿真测试,并在FPGA上实现,运行时钟频率可达78.2 MHz。

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技术纵横

计算机建模的医学信息实时监控与分析

孙坚, 孔维强

2022, 22(10): 40-44.

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近年来医疗机构的增加导致医学信息数量急剧增加,许多医疗机构无法实时对医疗数据进行监控,为此设计了医学信息实时监控与分析系统。系统的应用服务层中融入了多种算法模型和数据分析模型,帮助系统快速对大量的医学数据进行处理和分析,使系统实时掌握数据的动态变化情况。数据采集模块中融合了子带分解和同步触发技术,子带信号通过并行和串行方式进行同步触发,加快了模块的数据传输速率,并保证同步采样。系统中的医学信息实体识别模型采用交叉共享的结构,能够同时提取数据集的交互特征,提高了模型的识别精度。实验结果显示,该研究系统的数据分析效率最高,整体时间不超过7 000 ms,实体识别精度最大为1。

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技术纵横

实现串口接收和发送都使用DMA的方法

刘贯营

2022, 22(10): 45-46.

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单片机串口在嵌入式系统中是很重要的模块,它实现了单片机和外设之间的数据交换。在需要大量频繁进行数据交换的系统中,如何提高数据的高效处理和减少CPU的占用时间显得格外重要。本文介绍了一种实现串口接收和发送都使用DMA的方法,减少对CPU中断的依赖,进而最大程度地减少了CPU占用时间。

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技术纵横

真双口RAM环形缓存的滑窗式数据处理系统

张鑫刚, 薛培, 邵春伟

2022, 22(10): 47-51.

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提出一种用真双口RAM操作地址首末相连实现环形缓存,用滑动窗口对输入环形缓存的时序数据进行分段的数据处理系统。通过采用突发模式将实时数据写入环形缓存中,减少环形缓存写入时重复输入RAM操作地址产生的时序消耗,相比单字节模式速率提高49.9%。通过在环形缓存上预留1 MB缓存区域,使系统在写入环形缓存数据速率在12~20 Mb/s范围内不恒定情况下仍能正常工作,提高系统适用性。将其部署在FPGA上,验证结果表明,系统能够满足电子系统实时数据分段计算要求。

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技术纵横

一种基于存储芯片的小型数据备份算法及应用

周锋

2022, 22(10): 52-54.

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设计了一种基于存储芯片的小型数据备份算法,并且在多款单片机系统下实现。本文介绍的小型数据备份算法使用了时间点和存储位置的映射关系,使得数据存储和查询都简洁快速,无需使用多重循环在整个芯片范围内查找存储位置和查询点,有效克服了单片机资源有限、处理速度慢的缺点。本算法在某综合气象数据采集器中得到了成功使用,从200台采集器连续运行2年的情形来看,数据的存储效果良好,数据的读取和存储方便快捷有效。

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技术纵横

基于灰狼优化算法的智能电表嵌入式操作系统任务调度算法^*

赵婷, 王爽, 段晓萌

2022, 22(10): 55-57.

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基于当前比较先进的灰狼算法,研究其在智能电表操作系统处理服务程序节点的调度原理,提出了一种优化的任务调度算法。该算法完成了智能电表操作系统的计算任务分配,有效缩短了任务的调度时间并确保了多任务调度的实时性,实现了系统的调度均衡,最后通过仿真实验验证了算法的有效性。

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新器件新技术

基于FPGA的RS422转以太网的设计与应用

文丰, 张晋铭, 张凯华

2022, 22(10): 58-61.

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在数据传输领域,UART作为可靠的传输协议被广泛使用,但是其通信接口RS422已经逐渐被PC机淘汰。针对这一问题,设计并实现了RS422到以太网的转换和传输。该设计以FPGA为控制核心来实现RS422和以太网转换的片上集成,在硬件设计上,RS422和以太网分别采用ADM2682EBRIZ和88E1111作为物理层;软件设计上,通过编写硬件描述语言和使用IP核完成对UART、UDP、IP、ARP和MAC模块的设计,将存储器中的数据通过UART缓存至FIFO中,并在UDP/IP协议下以太网各模块完成对数据报的帧封装,再通过物理层、网络变压器和RJ45水晶头将数据包上传到地面综合测控台的上位机软件。经过仿真实验和上位机数据处理验证,该设计能够完成RS422到以太网的转换和传输,对数据进行回读分析后丢帧率为0。

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新器件新技术

基于FPGA的实时以太网通信模块设计

冮明旭

2022, 22(10): 62-66.

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介绍一种基于FPGA的实时以太网通信模块设计方法,该系统以Zynq7000系列的FPGA芯片为控制核心。在PS端开发数据处理模块与时钟同步模块;在PL端设计实现数据链路层控制功能以及对数据帧与时钟同步帧执行时间戳添加功能的MAC控制处理模块,然后控制外部物理接口芯片88E1512实现数据的实时传输。测试结果表明,本文设计的实时以太网通信模块满足实际应用需求。

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新器件新技术

无人机在GNSS拒止环境下的UWB定位系统研究^*

李建盛, 孙林, 芦昊

2022, 22(10): 67-71.

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针对无人机在地下室、隧道等GNSS拒止环境下无信号或定位精度不足、无法实现无人机的自主航路规划的问题,提出一种可应用于现有无人机的UWB高精度无人机定位系统。该系统采用对称双边双向测距算法,简化了计算复杂度,并引入第一路径功率与累积信道脉冲响应功率的比值来抑制非视距误差;设计了GNSS消息仿真模型,将本地坐标转换为标准化全球导航卫星系统电文以仿真GNSS接收器。实验结果表明,该系统实现了无人机在GNSS拒止环境下的高精度定位,定位均方根误差小于0.5 m,可靠性为99%。

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新器件新技术

在开源智能家居中接入自定义DALI灯具

陈良富

2022, 22(10): 72-74.

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介绍了一个开源智能家居项目,通过一个DALI(Digital Addressable Lighting Interface,数字可寻址照明接口)网关和HOMEASSISTANT的自定义组件实现HOMEASSISTANT控制DALI灯具,在家居中实现了各种灯光效果。

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应用精选

视频监控前端的人脸识别技术研究

李希龙

2022, 22(10): 75-78.

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智能监控系统面临的主要问题是视频监控图像数据量大,对实时性传输、存储和处理的要求高。如果将智能监控中的人脸识别的工作前移,即利用前端嵌入式摄像头设备实现人脸识别,不仅可以实现人脸快速检测以及危险目标出现时的实时预警,还可以大大降低智能监控人脸识别系统对通信、存储和计算等性能的要求。本文基于树莓派实现了一个人脸识别原型系统,验证了该方法的有效性。

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应用精选

双机同时运行的热备冗余通信系统设计^*

薛培, 张鑫刚, 杨芳

2022, 22(10): 79-83.

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提出一种基于主机、备机同时运行,并在主机异常或被拔出时能以较低延迟自动切换备机接管与从机通信的冗余系统。上电后无需等待上位机设置,系统自动选举主机、备机,加速系统初始化。通过主机与备机之间互相检测心跳和在位指示信号,判断是否需要执行主机备机切换。通过环形缓存实现数据同步,保障主机备机切换时刻通信数据不丢失,从而提高通信可靠性。验证结果表明,在数据带宽为12.5 Mb/s的冗余通信系统中,当主机异常或被拔出后经过170 μs切换延迟,备机接管与从机通信。

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应用精选

小型化多通道超声存储测试系统设计

李伟, 王黎明, 聂鹏飞, 时润茁

2022, 22(10): 84-87.

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针对固体火箭发动机在超声阵列测试过程中对测试系统体积小、抗干扰能力强、独立存储测试的需求,设计了一种小型化多通道超声存储测试系统。首先,设计了超声发射电路和ADC采集电路,以ZYNQ 7020为主控芯片,对二者进行驱动,并利用PL资源完成LVDS高速ADC接口、AXI A/D IP核和DMA高速传输模块设计,实现双极性超声激励、10 MHz多通道同步并行采集;其次,利用PS资源开发了eMMC存储模块和外部控制功能;最后,对系统进行实验验证。测试结果表明,设计的多通道超声存储测试系统工作稳定,能够有效获取超声回波信号。

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应用精选

多通道同步触发控制器设计^*

王点兵, 武锦辉, 刘吉, 冯进宝, 赵子文

2022, 22(10): 88-91.

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针对爆炸场破片测试中多台仪器需要同时触发的问题,制作了具有远程遥控功能的8通道同步触发器。使用FPGA和STM32单片机作为控制芯片,并使用合适的高精度晶振作为内部时钟源以保证高精度的定时控制。该设备可实现双通道触发输入,8通道同步触发输出,输入信号间的逻辑关系可设,输出信号的脉冲宽度可调。经实际检验可知,输出信号与输入信号之间的延时小于300 ns,各输出通道之间的同步性小于10 ns,具有较强的同步性,可应用于实际测试中,为记录设备、数据采集系统、高速相机、雷达等测试仪器提供同步触发信号,确保时基同步。

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产业技术

Silicon Labs基于第二代平台无线SoC的创新引领物联网未来发展

芦潇静

2022, 22(10): 92-93.

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