FPGA在光电系统中应用广泛, 复杂的光电系统中可能集成了多个FPGA信号处理系统, 整体状态下各子系统FPGA一般不具备在线JTAG更新程序的条件。提出一种基于Aurora协议光纤的FPGA远程更新方法, 对FPGA烧录文件进行数据分包, 光纤传输中增加握手和重发机制, 数据包通过光纤接口发送给FPGA, FPGA对每一包数据校验无误后缓存至DDR中。当DDR接收完整包数据后, SOC系统通过Microblaze软核将DDR中的数据写入FLASH对应地址中, 实现了FPGA程序的远程更新。经实验测试, 光纤模块带宽可稳定工作在10 Gbps, 8.52 MB的FPGA烧录文件的远程更新时间为117 s。该方法解决了长距离、复杂系统的FPGA远程更新问题, 有效提高了远程更新效率, 降低了数据传输误码率。
光纤 远程更新 现场可编程门阵列 片上系统 Aurora协议 optical fiber remote update FPGA SOC Aurora protocol
1 中国科学院半导体研究所 超晶格实验室，北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
非制冷红外成像技术具有非常广泛的应用前景。但是，目前非制冷红外成像芯片存在非均匀校正、图像细节增强和条纹噪声等亟待解决的问题。论文提出并设计一种面向非制冷红外成像的图像处理专用SoC芯片，芯片集成了一个CPU、两个DSP处理器和一个红外图像处理专用加速器，单芯片可实现非制冷低功耗红外图像的非均匀校正、图像滤波、直方图均衡、数字图像细节增强、条纹消除和目标检测跟踪等实时图像处理。同时，研究开发了面向芯片应用的非制冷低功耗红外图像处理算法。采用65-nm CMOS工艺实现了非制冷红外图像专用处理SoC芯片，实现了基于非制冷红外成像芯片和图像处理SoC芯片的小型低功耗非制冷红外成像系统。测试结果表明成像系统可以实现清晰的非制冷红外成像、目标检测及目标跟踪等功能，系统功耗小于2 W，体积相比传统的系统减小了50%，满足对体积、功耗、性能要求比较高的系统的应用需求，具有较高的工程应用价值和前景。
红外图像处理 SoC芯片 非制冷红外探测系统 低功耗 infrared image processing SoC chip uncooled infrared detection system low-power
1 华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430079
2 INRAE, Unité InfoSol, 45075 Orléans, France
3 UMR SAS, INRAE, Agrocampus Ouest, 35042 Rennes, France
4 浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所, 浙江 杭州 310058
土壤是陆地碳循环的中枢, 充分发挥土壤固碳潜力有助于减缓全球气候变化。 土壤有机碳 (SOC) 的高度分异性同时体现在空间和垂直分布上, 但是许多前期研究往往只考虑了空间分异, 而忽略了垂直分异。 尤其在青藏高原这种高寒山区, 土壤样品采集难度较大且费用昂贵。 可见近红外 (Vis-NIR) 光谱作为传统土壤实验室化学分析的辅助手段, 能够较为快速和精准地估测SOC含量。 但是土壤水分等环境因素会掩盖或改变SOC的Vis-NIR光谱吸收特征进而削弱模型预测精度。 外部参数正交化 (EPO) 和分段直接标准化 (PDS) 算法可以有效校正水分对光谱的影响, 但其在野外新鲜土柱上的表现还不得而知。 本研究旨在探索不同水分影响校正算法对野外剖面土壤光谱的校正能力, 对采自中国青藏高原海拔2 900～4 500 m色季拉山的共26个1 m深土柱。 沿深度以5 cm×5 cm为测量单元, 从各单元中心采集共计386个野外原状湿样Vis-NIR光谱, 并在实验室内测得相应386个研磨干样的Vis-NIR光谱以及SOC含量。 经EPO和PDS算法校正土壤水分对光谱的影响后, 通过随机森林建立土壤光谱和SOC含量的定量预测模型, 并使用靴襻法评估不同校正处理下预测模型的不确定。 土柱整体及垂直分布的精度结果表明, 经PDS法转换的农田和草地土柱湿样光谱均表现出良好的水分校正效果, 而EPO法仅对农田土柱有效。 水分影响校正算法在不同土壤深度上也存在显著差异, EPO和PDS对农田和草地表层样本的水分校正均效果明显。 两种校正方法的效果显示出地类和土层深度的依赖性。 本研究为利用Vis-NIR光谱技术在高寒山区野外快速准确估算土壤碳含量的垂直分异提供了必要参考。
土壤有机碳 外部参数正交化 分段直接标准化 随机森林 青藏高原 Soil organic carbon (SOC) External parameter orthogonalisation (EPO) Piecewise direct standardization (PDS) Random forest (RF) Qinghai-Tibet Plateau 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1234
1 西安石油大学,陕西省油气井测控技术重点实验室
2 电子工程学院, 陕西西安 710065
锂电池及其应用近年来逐渐成为研究热点。以提高电池管理系统 (BMS)对电池荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)的估算精确度为目标, 在建立二阶 Thevenin等效电路模型基础上提出一种能在线协同估算电池荷电状态和健康状态的改进扩展卡尔曼滤波算法。通过分阶段脉冲放电实验, 并利用最小二乘法求得模型参数。在动态应力测试工况 (DST)下借助 Matlab对比分析了改进扩展卡尔曼算法在 SOC和 SOH估计精确度、错误初值时算法收敛性、算法复杂度等方面的性能。实验表明, 利用该算法可以精确估计出各采样点处的 SOC和 SOH, 误差低于 1%;且在初值不准确情况下, 运行算法可快速收敛至真值附近, 算法估算结果的准确性与模型参数的微调无关, 鲁棒性较好。
动力锂电池 SOC估算 SOH估算 改进扩展卡尔曼滤波 power lithium-ion battery SOC estimation SOH estimation improved extended Kalman filter equivalent circuit model 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(4): 750
1 南京理工大学 智能弹药国防重点学科实验室, 南京 210094
2 中国工程物理研究院 化工材料研究所, 绵阳 621900
为了减少激光半主动**中测量光学器件光斑点坐标时噪声和干扰对探测精度影响、增加脉冲信号的测量带宽、提取信号的有效值, 同时克服串行快速傅里叶变换(FFT)运算耗时及时间复杂度较大的问题, 基于多核和并行架构的SoC-FPGA平台以及OpenCL软件, 提出了实现并行FFT的计算方法。结果表明, 利用该方法可使FFT(1-D)的时间复杂度下降到原来的1/Q, 得到了较好的加速效果;通过3种平台(先进精简指令集微处理器、数字信号处理器和片上系统现场可编程门阵列)的运算耗时实验对比, 该算法运算耗时为6.0449ms(1-D 4096点), 要比同点数其它两种平台运算耗时少。并行FFT算法不仅满足激光半主动导引头信号实时性的要求, 而且可以达到去噪的效果, 能有效地降低噪声和背景光的影响。
测量与计量 并行快速傅里叶变换 时间复杂度 激光半主动 measurement and metrology parallel fast Fourier transform SoC-FPGA SoC-FPGA OpenCL OpenCL time complexity laser semi-active
南京信息工程大学地理与遥感学院, 江苏 南京 210044
反射光谱技术具有快速、 便捷等特点, 过去几十年中将其应用于土壤科学的研究呈指数增长, 且广泛用于土壤属性估算。 土壤全氮含量是一项非常重要的肥力指标, 光谱估算全氮含量可以为实现精准农业提供重要支持。 但反射光谱估算土壤全氮含量是基于全氮与有机碳的相关性还是基于氮本身的吸收特征仍然存在争议。 本文以江苏滨海土壤为研究对象, 利用偏最小二乘法分别构建全氮和有机碳在相同建模样本量、 不同全氮含量及变异程度情况下的估算模型, 通过分析模型精度变化规律及全氮与有机碳估算模型系数的相关性, 探讨土壤全氮反射光谱估算机理。 结果表明, 该地区土壤为1 000年来滨海滩涂经人为耕作发育形成, 全氮含量不高, 有机碳含量偏低。 全氮与有机碳之间存在较强的相关性, 相关系数高达0.98。 土壤全氮含量估算精度随样本集全氮含量的平均值、 标准差增大出现先增加后略有减小的变化规律, 与变异系数的变化规律相一致。 当全氮含量较低时(样本平均值小于0.27 g·kg-1), 土壤全氮与有机碳相关系数也较小, 实现反射光谱估算全氮是基于氮的吸收特征; 当全氮含量较高时(样本平均值大于0.29 g·kg-1), 全氮与有机碳相关性较强且有机碳模型精度高于全氮, 说明有机碳对光谱曲线的影响随其含量增加而增大, 并掩盖了氮的吸收特征, 实现反射光谱估算全氮是基于其与有机碳的相关性。 该研究揭示了土壤反射光谱估算全氮含量的机理, 从而为反射光谱快速估算土壤全氮含量提供理论依据。
反射光谱 全氮 有机碳 偏最小二乘回归 Reflectance spectroscopy Total nitrogen (TN) Soil organic carbon (SOC) Partial least squares regression (PLSR) 光谱学与光谱分析
2016, 36(10): 3222
针对于传统PC机实现的图像采集与处理系统在功耗、移植性、实时性和体积上的局限性问题，本设计实现了基于FPGA和ARM硬核处理器整合的SoC FPGA的图像文字分割系统。基于 SoC FPGA 的硬件平台和移植的嵌入式 Linux开发环境的软硬协同设计方法，实现了CMOS传感器的图像采集、SDRAM存储、双口RAM数据通信和VGA显示输出。同时，基于ARM的硬核处理系统（HPS）控制双口RAM读写图像数据，在HPS中实现图像的预处理和分水岭算法。实验结果表明：本系统具有较准确的文字分割效果，一幅图像实时文字分割的平均速度为087 s，比基于PC机的matlab环境和NIOS II的SOPC系统上实现速度分别提高了0.84倍和4.52倍。本系统具有设计灵活，速度快、可移植性强的优点，对实时图像采集与处理系统的研究提供参考意义。
硬核处理系统 文字分割 分水岭算法 SoC FPGA SoC FPGA hard processor system (HPS) Linux Linux text segmentation Watershed algorithm
1 中北大学（朔州校区）, 山西 朔州 036000
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
为确定硅基片上系统半导体光电器件集成中绝缘层材料对器件整体性能的影响, 设计并制备了带有覆层的纳米波导谐振腔.谐振透射谱功率测试表明顶层覆盖Si3N4薄膜和SiO2薄膜绝缘层没有削弱环形谐振腔的品质因素, 沉积后的最佳耦合间距为70～110 nm.覆层为SiO2时谐振点波长附近的谐振峰消光比达16.5 dB, 3 dB带宽为0.12 nm；覆层为Si3N4时谐振点波长附近的谐振峰消光比达13.9 dB, 3 dB带宽为0.18 nm.该研究为片上系统集成设计中最佳绝缘层材料的选择提供参考.
光电器件 片上系统 纳米光波导 微环谐振腔 Photoelectric device System on Chip(SoC) Nanophotonic waveguide Microring resonator
中国科学院上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室, 上海 200050
基于中科院上海微系统研究所自主研发的相变存储器芯片, 设计并实现了国内首个以相变存储器为存储介质的SD卡系统。本系统由多接口SoC芯片、6.375Mbits相变存储器芯片以及外围控制电路等构成。系统通过SD/MMC接口与上位机进行数据通信, 并使用FAT文件系统进行管理。该SD卡系统容量为256kb, 读取速度为2Mb/s, 写入速度为0.5Mb/s。
相变存储器 SD卡 多接口SoC芯片 坏块管理 地址映射表 phase change random access memory SD memory card multi-interface SoC chip bad block management address mapping table
