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关键词： 数字信号处理电路   束流监测系统   同步辐射光源   ZYNQ-7000  

摘要： 随着同步辐射光源的发展与建设,束流监测系统作为保障同步辐射光源的重要组成,其重要性越来越突出。一方面,相当于加速器的眼睛和耳朵,通过测量束流各个参数,了解束流运行状态,进行科学研究。另一方面,随着同步辐射光源的发展,尤其是对于第四代光源来说,束流监测系统还被赋予了新的职能,面临新的挑战,例如在同步辐射光束线实验站上,束流监测系统通过对束线位置的精确测量和控制,确保束线稳定在设定位置,从而保障高精度实验运行。 束流监测系统中的电子学往往可以分成前端电路(模拟调理和模数转换)和数字信号处理两部分,其中前端电路部分在束流监测系统中往往需要适配探测器定制化设计,不具有通用性,与之相比,数字信号处理部分则可以参考NI美国国家仪器、libera等公司的思路,设计成通用模块,所以对其中数字信号处理部分进行研究将更具意义。基于上述的背景,为了解决国内在束流监测系统电子学方面的短板,本文将开展其中数字信号处理电路部分的研究与设计。 在数字信号处理电路的设计上,本文参考了NI美国国家仪器、libera等公司的思路,将其设计成通用模块,并同步的完成数字信号处理电路的“软”、“硬”设计: “硬件”设计:在硬件架构设计上,参考libera产品族,采用“FPGA+ARM”片上系统技术,选用Xilinx的ZYNQ-7000芯片作为数字信号处理电路的核心器件,使该电路能同时具备FPGA并行处理能力和ARM灵活计算能力。在电路实现上加入丰富的外围接口设计,包括FMC、串口、网口等,可以在很大程度上适配不同的束流监测系统,提高扩展能力,提高了数字信号处理电路的通用性。此外,还装配了DAC模块,用以驱动束流调节机构,如压电陶瓷、伺服电机等,按照调节量进行精密调节,通过连续不断的反馈调节,最终使束斑位置稳定聚焦在样品位置,满足束流监测系统对束流稳定的新要求。此外,在数字信号处理电路的设计上,利用ZYNQ-7000芯片内嵌的高速串行收发器GTX与光收发模块SFP相结合,实现高性能数据传输的设计,用于实现前端电路与数字信号处理电路之间的数据交互。 “软”设计:数字信号处理电路上的ZYNQ-7000芯片取代了模拟运放搭建的运算电路,采用数字化处理方案,在片上实现算法集成,提供两种的数据数据处理流程上,满足多样化实验需求。一种数据处理流程用于反馈控制,数据经过PID等调节算法模块,给出位置变化信息,用于控制DAC,改变DAC输出的模拟电压值,该模拟电压值用于控制压电陶瓷调节装置、步进电机等设备在位置、角度等方面的调节量。另一种数据处理流程用来实现前端电路数据的在线处理,实现高精度参数测量。前端电路的数据首先经由数据存储模块和触发判选模块后,送到滤波处理模块(如FIR低通滤波和均值滤波),然后由不同的参量计算方法对滤波后的数据进行处理,即可得到相应的位置、强度、调节量等信息,最后在通过光纤口直接送到DAQ系统。 基于ZYNQ-7000完成设计的数字信号处理电路,在实验室环境下完成了重要功能评估,其反馈支路的功能满足设计预期,能将离散的位置经过数字信号处理电路处理后聚焦在设定位置。并在实验室环境下,对数据传输的关键环节性能进行了测试,各个节点的数据带宽均符合预期。 综上,本论文工作的开展,给国内束流检测系统电子学部分的进一步研究,提供了一种设计思路,为我国现有光源的升级以及未来光源的建设,如HEPS、HALF、X射线FEL、X射线ERL等装置上的束流监测系统电子学部分提供技术储备,希望本论文工作的开展,可以推动束流测量技术的进步。

关键词： 海水   总磷   总氮   在线分析仪   校准模型  

摘要： 在当代环境监测领域,实现对海水中总磷和总氮的在线分析至关重要,它不仅对人们了解海洋生态系统的健康状态有重要意义,也是全球气候变化研究和海洋污染防控的关键。针对现有技术在海水总磷、总氮在线监测中所面临的挑战,本文通过一系列技术升级和优化,提高了总磷总氮在线分析仪的检测准确度和系统稳定性,对海洋环境保护与可持续发展提供了一定的技术支持。 本文首先调研了海水总磷、总氮检测的理论基础及方法,通过改进光学检测装置并解释了光学检测原理,实现了对分析仪测量原理与过程的改进,为后续的技术开发奠定了坚实的理论基础。 在硬件设计与温度控制方面,本文详细介绍了一套全新的电路控制系统设计方案,包括电源模块、最小系统供电电路等关键部分的设计。特别是通过采用过零触发型固态继电器和双闭环PID控制策略,本研究成功实现了对加热与冷却模块的温度控制,提高了系统的响应速度和化学消解效率。 为了校准环境因子对总磷、总氮检测结果的影响,本文构建了一套环境因子校正模型,为海水总磷总氮分析仪的准确测量提供了技术支持。在深入讨论了温度和盐度变化对检测精度的影响后,通过系列实验和数据分析,验证了模型的有效性,为海水总磷总氮在线分析仪提供了可靠的校准方法。 最后,总磷总氮在线分析仪通过性能测试及海水现场试验,验证了测量范围、检出限和重复性等关键性能指标,证实了其在实际海水监测中的实用价值。 本文在海水总氮和总磷现场分析技术方面取得了重要进展,提升了检测的准确度和系统稳定性,为海洋环境监测和保护提供了技术支持。通过技术升级和系统优化,为海洋科学研究和环境保护提供了保障,对于推动海洋环境的可持续发展具有重要意义。

关键词： 新工科   电子电路基础实验   晶体管测量电路   思政元素   人才培养  

摘要： “电子电路基础实验”课程要求学生自主选择一个课题作为课程的设计项目，简易晶体管测量电路是“电子电路基础实验”的可选课程之一。在新工科教育背景下，文章探讨了简易晶体管测量电路的总体结构和分块设计，并从电路设计、电路仿真和电路搭建三个维度深入分析了测量电路所涉及的思政元素，为新时代工科实验教学发展提供借鉴，引导学生树立正确的价值观和世界观。

关键词： 近似计算   近似逻辑综合   布尔矩阵分解   电路划分   误差界模型  

摘要： 随着信息技术的飞速发展,对于数据运算量的需求日益提升,特别是在人工智能等前沿应用中,对计算效率的依赖度和计算精度的容忍度发生了显著变化,传统的完全精度计算的主导地位受到了挑战。作为应对,近似计算这一新兴计算范式开始兴起,特别是在电路设计中,近似逻辑综合已成为一种有效的设计手段,实现了计算精度、设计面积和延迟之间的平衡。 本文的研究聚焦于近似逻辑综合技术中的逻辑重构法,通过布尔矩阵分解进行电路的近似设计,研究重点是开发新的布尔矩阵分解算法和电路划分技术,以提高大规模电路处理的可行性,同时优化近似效果的评估。提出的布尔矩阵分解算法通过误差整形的方式,将矩阵误差最小化和列误差消除技术相结合,通过对残余误差的估计选择合适方案,同时引入无关项以简化近似电路的规模。提出的电路划分算法通过层次划分和相似性分析,将电路的基本单元用合适的方式归类,对划分出的子电路进行权重分析和重新排序,为近似分解提供更好的输入。构建近似逻辑综合工具链,将核心算法与开源电子设计自动化工具相结合,以贪心迭代的方式在指定误差约束下生成最佳近似电路。利用布尔可满足性问题构建误差界模型,高效地计算近似设计的最大误差,并指导近似逻辑综合的整个过程。 实验结果表明,所开发的ESBMF矩阵分解算法和HGCP电路划分算法在多个测试电路上展示了优异的性能,相比其他近似逻辑综合方法,在重构误差控制和电路规模优化方面具有明显优势。本研究为近似计算中电路优化技术提供了新的思路和方法,显著降低了电路面积和资源消耗。这些成果不仅为电路设计中的误差权衡提供了新的解决方案,还为未来电路设计和优化提供了新的研究方向。

摘要： 基于半导体集成电路的数字计算技术自20世纪被发明以来，因其前所未有的高速及通用逻辑运算能力，迅速应用到人类生活的方方面面，极大推动了科技发展进程与社会生活方式的飞跃变革。经过半个多世纪的发展，数字计算性能不断提升，持续的进展来源于从材料、器件、电路、架构到系统等多领域科学与技术的综合突破。因此，以超级计算机(超算)为代表的高性能计算技术能力，不仅是国际计算技术领域的研发竞争高地，也逐渐演变成国家综合科技实力的彰显标志。