基于微处理器的数字PID控制器改变了传统模拟PID控制器参数整定不灵活的问题。但是常规微处理器容易在环境恶劣的情况下出现程序跑飞的问题，如果实现PID软算法的微处理器因为强干扰或其他原因而出现故障，会引起输出值的大幅度变化或停止响应。而FPGA的应用可以从本质上解决这个问题。因此，利用FPGA开发技术，实现智能控制器算法的芯片化，使之能够广泛的用于各种场合，具有很大的应用意义。 首先分析FPGA的内部结构特点，总结FPGA设计技术及开发流程，指出实现结构优化设计，降低设计难度，是扩展设计功能、提高芯片性能和产品性价比的关键。控制系统由四个模块组成，主要包括核心控制器模块、输入输出模块以及人机接口。其中控制器部分为系统的关键部件。在分析FPGA设计结构类型和特点的基础上，提出一种基于FPGA改进型并行结构的PID温度控制器设计方法。在PID算法与FPGA的运算器逻辑映像过程中，采用将补码的加法器代替减法器设计，增加整数运算结果的位扩展处理，进行不同数据类型的整数归一化等不同角度的处理方法融合为一体，可以有效地减少逻辑运算部件。应用Ouartus Ⅱ图形输入与Verilog HDL语言相结合设计实现了PID控制器，用Modelsim仿真验证了设计结果的正确性，用Synplify Pro进行电路综合，在Quaitus Ⅱ软件中实现布局布线，最后生成FPGA的编程文件。根据控制系统的要求，论文设计完成了12位模数AD转换器、数据显示器、按键等相关外围接口电路。 将一阶、纯滞后、大惯性电阻炉温作为控制对象，以EP1C3T144 FPGA为核心，构建PID控制系统。在采用Pt100温度传感器、分辨率为2℃、最大温度控制范围0～400℃的条件下，实验结果表明，达到无超调的稳定控制要求，为降低FPGA实现PID控制器的设计难度提供了有效的方法。
上传时间： 2013-06-13
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在工业控制领域，多种现场总线标准共存的局面从客观上促进了工业以太网技术的迅速发展，国际上已经出现了HSE、Profinet、Modbus TCP/IP、Ethernet/IP、Ethernet Powerlink、EtherCAT等多种工业以太网协议。将传统的商用以太网应用于工业控制系统的现场设备层的最大障碍是以太网的非实时性，而实现现场设备间的高精度时钟同步是保证以太网高实时性的前提和基础。 IEEE 1588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议——精确时间协议(Precision Time Protocol)。PTP协议集成了网络通讯、局部计算和分布式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通讯的分布式系统，特别适合于以太网，但不局限于以太网。PTP协议能够使异质系统中各类不同精确度、分辨率和稳定性的时钟同步起来，占用最少的网络和局部计算资源，在最好情况下能达到系统级的亚微级的同步精度。 基于PC机软件的时钟同步方法，如NTP协议，由于其实现机理的限制，其同步精度最好只能达到毫秒级；基于嵌入式软件的时钟同步方法，将时钟同步模块放在操作系统的驱动层，其同步精度能够达到微秒级。现场设备间微秒级的同步精度虽然已经能满足大多数工业控制系统对设备时钟同步的要求，但是对于运动控制等需求高精度定时的系统来说，这仍然不够。基于嵌入式软件的时钟同步方法受限于操作系统中断响应延迟时间不一致、晶振频率漂移等因素，很难达到亚微秒级的同步精度。 本文设计并实现了一种基于FPGA的时钟同步方法，以IEEE 1588作为时钟同步协议，以Ethernet作为底层通讯网络，以嵌入式软件形式实现TCP/IP通讯，以数字电路形式实现时钟同步模块。这种方法充分利用了FPGA的特点，通过准确捕获报文时间戳和动态补偿晶振频率漂移等手段，相对于嵌入式软件时钟同步方法实现了更高精度的时钟同步，并通过实验验证了在以集线器互连的10Mbps以太网上能够达到亚微秒级的同步精度。
上传时间： 2013-08-04
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本文首先介绍了步进电机的细分电流控制策略(实质是细分控制函数发生器)，然后讨论了圆弧插 补产生步进电机细分电流的控制方法。最后介绍一 个行之有效的优化修正方法—— 加权补偿法。
上传时间： 2013-07-28
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随着移动终端、多媒体、通信、图像扫描技术的发展，图像应用日益广泛，压缩编码技术对图像处理中大量数据的存储和传输至关重要。同时， FPGA单片规模的不断扩大，在FPGA芯片内实现复杂的数字信号处理系统也成为现实，因此采用FPGA实现图像压缩已成为一种必然趋势。JPEG静态图像压缩标准应用非常广泛，是图像压缩中主要的标准之一。研究JPEG图像压缩在FPGA上的实现，具有广阔的应用背景。 论文从实际工程应用出发，通过设计图像压缩的IP核，完成JPEG压缩算法在FPGA上的实现。首先阐述JPEG基本模式的压缩编码的标准，然后在设计规划过程中，采用SOC的设计思想，给出整个系统的内部结构、层次划分，对各个模块的HDL实现进行详细的描述，最后完成整体验证。方案采用了IP核复用的设计技术，基于Xilinx公司本身的IP核，进行了再次开发。在研究JPEG标准的核心算法DCT的基础上，加以改进，设计了适合器件结构的基于DA算法的DCT变换的IP核。通过结构和算法的优化，提高了速度，减少占用过多的片内资源。 设计基于Xilinx的Virtex- II系列的FPGA的硬件平台,在ISE7.1中编译综合，最后通过Modelsim仿真验证。分辨率为352×288大小的源图像，在不同的压缩等级设置下，均测试通过。仿真验证的结果表明：基于FPGA的JPEG压缩编码占用较少的硬件资源，可在较高的工作频率下运行，设计在速度和资源利用率方面达到了较优的状态，能够满足一般图像压缩的要求。 整个设计可以作为单独的JPEG编码芯片也可以作为IP核添加到其他系统中去，具有一定的使用价值。
上传时间： 2013-04-24
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频率合成技术广泛应用于通信、航空航天、仪器仪表等领域，目前，常用的频率合成技术有直接频率合成、锁相频率合成和直接数字频率合成(DDS)等。其中DDS是一种新的频率合成方法，是频率合成的一次革命。全数字化的DDS技术由于具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位噪声低和频率稳定度高等优点而成为现代频率合成技术中的佼佼者。随着数字集成电路、微电子技术和EDA技术的深入研究，DDS技术得到了飞速的发展。 DDS是把一系列数字量化形式的信号通过D/A转换形成模拟量形式的信号的合成技术。主要是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速D/A转换产生已经用数字形式存入的正弦波(或其它任意波形)。一个典型的DDS系统应包括以下三个部分：相位累加器可以时钟的控制下完成相位的累加；相位一幅度码转换电路一般由ROM实现；D/A转换电路，将数字形式的幅度码转换成模拟信号。 现场可编程门阵列(FPGA)设计灵活、速度快，在数字专用集成电路的设计中得到了广泛的应用。本论文主要讨论了如何利用FPGA来实现一个DDS系统，该DDS系统的硬件结构是以FPGA为核心实现的，使用Altera公司的Cyclone系列FPGA。 文章首先介绍了频率合成器的发展，阐述了基于FPGA实现DDS技术的意义；然后介绍了DDS的基本理论；接着介绍了FPGA的基础知识如结构特点、开发流程、使用工具等；随后介绍了利用FPGA实现直接数字频率合成(DDS)的原理、电路结构、优化方法等。重点介绍DDS技术在FPGA中的实现方法，给出了部分VHDL源程序。采用该方法设计的DDS系统可以很容易地嵌入到其他系统中而不用外接专用DDS芯片，具有高性能、高性价比，电路结构简单等特点；接着对输出信号频谱进行了分析，特别是对信号的相位截断误差和幅度量化误差进行了详细的讨论，由此得出了改善系统性能的几种方法；最后给出硬件实物照片和测试结果，并对此作了一定的分析。
上传时间： 2013-07-05
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随着国民经济的发展和社会的进步，人们越来越需要便捷的交通工具，从而促进了汽车工业的发展，同时汽车发动机检测维修等相关行业也发展起来。在汽车发动机检测维修中，发动机电脑(Electronic Control．Unit-ECU)检测维修是其中最关键的部分。发动机电脑根据发动机的曲轴或凸轮轴传感器信号控制发动机的喷油、点火和排气。所以，维修发动机电脑时，必须对其施加正确的信号。目前，许多发动机的曲轴和凸轮轴传感器信号已不再是正弦波和方波等传统信号，而是多种复杂波形信号。为了能够提供这种信号，本文研究并设计了一种能够产生复杂波形的低成本任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator-AWG)。 本文提出的任意波形发生器依据直接数字频率合成(Direct Digial FrequencySynthesis-DDFS)原理，采用自行设计现场可编程门阵列(FPGA)的方案实现频率合成，扩展数据存储器存储波形的量化幅值(波形数据)，在微控制单元(MCU)的控制与协调下输出频率和相位均可调的信号。 任意波形发生器主要由用户控制界面、DDFS模块、放大及滤波、微控制器系统和电源模块五部分组成。在设计中采用FPGA芯片EPF10K10QC208-4实现DDFS的硬件算法。波形调整及滤波由两级放大电路来完成：第一级对D/A输出信号进行调整；第二级完成信号滤波及信号幅值和偏移量的调节。电源模块利用三端集成稳压器进行电压值变换，利用极性转换芯片ICL7660实现正负极性转换。 该任意波形发生器与通用模拟信号源相比具有：输出频率误差小，分辨率高，可产生任意波形，成本低，体积小，使用方便，工作稳定等优点，十分适合汽车维修行业使用，具有较好的市场前景。
上传时间： 2013-05-28
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随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理已经逐渐发展成一门关键的技术科学。图像处理作为一种重要的现代技术，己经在通信、航空航天、遥感遥测、生物医学、军事、信息安全等领域得到广泛的应用。图像处理特别是高分辨率图像实时处理的实现技术对相关领域的发展具有深远意义。另外，现场可编程门阵列FPGA和高效率硬件描述语言Verilog HDL的结合，大大变革了电子系统的设计方法，加速了系统的设计进程，为图像压缩系统的实现提供了硬件支持和软件保障。 本文主要包括以下几个方面的内容： (1)结合某工程的具体需求，设计了一种基于FPGA的图像压缩系统，核心硬件选用XILINX公司的Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA芯片，存储器件选用MICRON公司的MT48LC4M16A2SDRAM，图像压缩的核心算法选用近无损压缩算法JPEG-LS。 (2)用Verilog硬件描述语言实现了JPEG-LS标准中的基本算法，为课题组成员进行算法改进提供了有力支持。 (3)用Verilog硬件描述语言设计并实现了SDRAM控制器模块，使核心压缩模块能够方便灵活地访问片外存储器。 (4)构建了图像压缩系统的测试平台，对实现的SDRAM控制器模块和JPEG-LS基本算法模块进行了软件仿真测试和硬件测试，验证了其功能的正确性。
上传时间： 2013-04-24
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如今电力电子电路的控制旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。现场可编程门阵列器件(Field Programmable Gate Arrays)是近年来崭露头角的一类新型集成电路，它具有简洁、经济、高速度、低功耗等优势，又具有全集成化、适用性强，便于开发和维护(升级)等显著优点。与单片机和DSP相比，FPGA的频率更高、速度更快，这些特点顺应了电力电子电路的日趋高频化和复杂化发展的需要。因此，在越来越多的领域中FPGA得到了日益广泛的发展和应用。 本文提出了一种采用现场可编程门阵列(FPGA)器件实现数字化变频调速控制系统的设计方案。该系统能产生三相六路正弦脉宽调制（SPWM）波形；调制频率范围为0～4KHZ，分7级控制；16位的速度控制分辨率；载波频率分8级控制，最高可达24KHZ；系统接口兼容Intel系列和Motorola系列单片机；该系统控制简单、精确，易修改，可现场编程；同时具有脉冲延时小、最小脉冲删除、过压和过流保护功能等特点，可应用于PWM变频调速系统的全数字化控制。文中对方案的实现进行了详细的论述，主要包括系统设计的理论分析，系统结构设计及在FPGA硬件上的实现，最终验证了该控制系统的可行性和有效性。 数字化设计是本系统的特点，系统最终生成的三相SPWM脉冲是基于三相正弦调制波和三角载波比较得到的。设计时，充分结合FPGA器件的结构特点，利用一种改进结构的数字控制振荡器（NCO）来产生正弦波样本，在一定程度上解决了传统NCO产生正弦波的精度和频率相互制约的问题；把分时复用数字通信原理结合到系统的设计中，设计出分时运算电路，使得系统在同步时钟下，生成三相正弦调制波而不影响系统的速度，同三角载波逻辑比较后，最终得到三相SPWM脉冲序列。
上传时间： 2013-07-05
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图像缩放在图像处理领域中，发挥着重要作用。图像的分辨率调整和格式变换，都需要用到图像缩放技术。随着多媒体技术和大规模集成电路的发展，利用硬件实现视频图像无级缩放已成为图像处理研究的一个重要课题。 图像缩放通常由插值算法实现。传统的插值算法由于实现原理的局限性，在缩放时容易引起边缘锯齿或细节模糊现象。针对传统插值算法的这个不足，出现了许多基于边缘改进的算法。但这些算法一般只能完成2k倍数插值，无法真正做到基于边缘的无级缩放。 为了实现基于边缘改进的无级缩放，本文做了如下五个方面的研究工作： 1.系统回顾了图像缩放技术，包括传统图像缩放技术和多边缘检测插值，分析了这些图像缩放技术的优缺点。 2.重点研究了新兴的方向多项式插值算法，该算法能够真正完成基于边缘改进的无级缩放。 3.提出改进的方向多项式插值算法(IOPI算法)，该算法针对硬件实现，做了两个方面改进：提出EDV算法，简化边缘方向的确定；提出Cubic6逼近插值算法(A-Cubic6算法)，改善平坦区域缩放效果。其中的EDV算法通过加减、比较模块，完成边缘方向的确定。相比原算法中的乘除法、直方图计算，大大简化了硬件实现，降低了硬件实现成本。A-Cubic6算法利用查找表简化了Cubic6点插值算法的实现，而且明显改善了非边缘区域的缩放效果。 4.研究缩放算法与图像质量的评价方法。比较、分析各算法的软件仿真结果，得出结论：本文提出的IOPI算法在平坦区域和边缘区域都具有比其它算法更突出的效果。 5.结合实时视频处理要求，研究了IOPI算法的FPGA实现。已完成最近邻域插值和A-Cubic6算法的FPGA实现，可以在硬件平台上稳定工作。
上传时间： 2013-06-05
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现代雷达系统广泛采用脉冲压缩技术，用以解决作用距离与分辨能力之间的矛盾。脉冲压缩是指雷达通过发射宽脉冲，保证足够的最大作用距离，而接收时，采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲以提高距离分辨率的过程。同时，数字信号处理技术的迅猛发展和广泛应用，为雷达脉冲压缩处理的数字化实现提供了可能。 本文主要研究雷达多波形频域数字脉冲压缩系统的硬件系统实现。在匹配滤波理论的指导下，成功研制了基于FPGAEP1K100QC208-1和4片高性能ADSP21160M的多波形频域数字脉冲压缩系统。该系统可处理时宽在42μs以内、带宽在5MHz以下的线性调频信号(LFM)，非线性调频信号(NLFM)和Taylor四相码信号，且技术指标完全满足实用系统的设计要求。 本文完成的主要工作和创新之处有：(1)基于双通道模数转换器AD10242设计高精度数据采集电路，为整个脉压系统的工作提供必要的条件。完成了前端模拟信号输入电路的优化和差分输入时钟的产生，以实现高精度采样。 (2)根据协议和脉压系统的工作要求，以基于FPGAEP1K100QC208完成系统控制，使整个脉压系统正确稳定地工作。同时以该FPGA生成双口RAM，实现数据暂存，以匹配采样速率和脉压系统频率。 (3)设计基于4片高性能ADSP21160M的紧耦合并行处理系统，以完成多波形频域数字脉冲压缩的全部运算工作。4片DSP共享外部总线，且各DSP以链路口互连，进行数据通信。各DSP还使用一个链路口连接到接口板DSP，将脉压结果送出。 (4)以一片ADSP21160M和一片EP1K100QC208为核心，设计输出板电路，完成数据对齐、求模和数据向下一级的输出，并产生模拟输出。 (5)调试并改进处理板和输出板。
上传时间： 2013-06-11
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