2000年10月2日，美国国家标准与技术研究所宣布采用Rijndael算法作为高级加密标准，并于2002年5月26日正式生效，AES算法将在今后很长一段时间内，在信息安全中扮演重要角色。因此，对AES算法实现的研究就成为了国内外的热点，会在信息安全领域得到广泛的应用。用FPGA实现AES算法具有快速、灵活、开发周期短等优点。 本论文就是针对AES加、解密算法在同一片FPGA中的优化实现问题，在深入分析了AES算法的整体结构、基本变换以及加、解密流程的基础上，对AES算法的加、解密系统的FPGA优化设计进行了研究。主要内容为： 1．确定了实现方案以及关键技术，在比较了常用的结构后，采用了适合高速并行实现AES加、解密算法的结构——内外混合的流水线结构，并给出了总体的设计框图。由于流水线结构不适用于反馈模式，为了达到较高的运算速度，该系统使用的是电码本模式(ECB)的工作方式； 2．对各个子模块的设计分别予以详细分析，结合算法本身和FPGA的特点，采用查表法优化处理了字节代换运算，列混合运算和密钥扩展运算。同时，考虑到应用环境的不同，本设计支持数据分组为128比特，密钥长度为128比特、192比特以及256比特三种模式下的AES算法加、解密过程。完成了AES加、解密算法在同一片FPGA中实现的这个系统的优化设计； 3．利用QLJARTUSII开发工具进行代码的编写工作和综合编译工作，在 MODELSIM中进行仿真并给出仿真结果，给出了各个模块和整个设计的仿真测试结果； 4．和其他类似的设计做了横向对比，得出结论：本设计在保证了速度的基础上实现了资源和速度的均衡，在性能上具有较大的优势。
上传时间： 2013-05-25
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利用混沌的对初值和参数敏感、伪随机以及遍历等特性设计的加密方案,相对传统加密方案而言,表现出许多优越性能,尤其在快速置乱和扩散数据方面.目前,大多数混沌密码倾向于软件实现,这些实现方案中数据串行处理且吞吐量有限,因而不适合硬件实现.该论文分别介绍了适合FPGA(现场可编程门阵列)并行实现的序列密码和分组密码方案.序列密码方案,对传统LFSR(线性反馈移位寄存器)进行改进,采用非线性的混沌方程代替LFSR中的线性反馈方程,进而构造出基于混沌伪随机数发生器的加密算法.分组密码方案,从图像置乱的快速性考虑,将两维混沌映射扩展到三维空间;同时,引入另一种混沌映射对图像数据进行扩散操作,以有效地抵抗统计和差分攻击.对于这两种方案,文中给出了VHDL(硬件描述语言)编程、FPGA片内功能模块设计、加密效果以及硬件性能分析等.其中,序列密码硬件实现方案,在不考虑通信延时的情况下,可以达到每秒61.622兆字节的加密速度.实验结果表明,这两种加密算法的FPGA实现方案是可行的,并且能够得到较高的安全性和较快的加密速度.
上传时间： 2013-04-24
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AES是美国于2000年10月份确立的高级加密标准，该标准的反馈链路模式AESCBC加密算法，用于在IPSec中替代DESCBC和3DESCBC。 加密是安全数据网络的关键，要保证在公众网上传输的信息不被窃取和偷听，必须对数据进行加密。在不影响网络性能的前提下，快速实现数据加密/解密，对于开发高性能的安全路由器、安全网关等对数据处理速度要求高的通信设备具有重要的意义。 在目前可查询的基于FPGA技术实现AESCBC的设计中，最快的加/解密速度达到700Mbps/400MHZ。商用CPU奔腾4主频3.06，用汇编语言编写程序，全部资源用于加密解密，最快的加密解密速度可以达到1.4Gbps。但根据国外测试结果表明，即使开发的路由器本身就基于高性能的双64位MIPS网络处理器，软件加密解决方案仅能达到路由器所要求的最低吞吐速率600Mbps。 本文首先研究分析了目前几种实现AESCBC的方法有缺点的情况下，在深入研究影响硬件快速实现AESCBC难点基础上，设计出一种适应于报文加密解密的硬件快速实现AESCBC的方案，在设计中采用加密解密和密钥展开并行工作，实现了在线提供子密钥。在解密中采用了双队列技术，实现了报文解密和子密钥展开协调工作，提高了解密速度。 本文在quartus全面仿真设计方案的基础上，全面验证了硬件实现AESCBC方案的正确性，全面分析了本设计加密解密的性能。并且针对设计中的流水线效率低的问题，提出改善流水线性能的方案，设计出报文级并行加密解密方案，并且给出了硬件实现VPN的初步方案。实现了单一模块加密速度达到1.16Gbps，单一模块解密速度达到900Mbps，多个模块并行工作加密解密速度达到6.4Gbps。 论文最后给出了总结与展望。目前实现的AESCBC算法，只能通过仿真验证其功能的正确性，还需要下载到芯片上做进一步的验证。要用硬件实现整个IPSec，还要进一步开发基于FPGA的技术。总之，为了适应路由器发展的需求，还有很多技术需要研究。
上传时间： 2013-05-29
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加密算法一直在信息安全领域起着无可替代的作用,它直接影响着国家的未来和发展.随着密码分析水平、芯片处理能力和计算技术的不断进步,原有的数据加密标准(DES)算法及其变形的安全强度已经难以适应新的安全需要,其实现速度、代码大小和跨平台性均难以继续满足新的应用需求.在未来的20年内,高级加密标准(AES)将替代DES成为新的数据加密标准.高级加密标准算法是采用对称密钥密码实现的分组密码,支持128比特分组长度及128比特、192比特与256比特可变密钥长度.无论在反馈模式还是在非反馈模式中使用AES算法,其软件和硬件对计算环境的适应性强,性能稳定,密钥建立时间优良,密钥灵活性强.存储需求量低,即使在空间有限的环境使用也具备良好的性能.在分析高级加密标准算法原理的基础上,描述了圈变换及密钥扩展的详细编制原理,用硬件描述语言(VHDL)描述了该算法的整体结构和算法流程.详细论述了分组密码的两种运算模式(反馈模式和非反馈模式)下算法多种体系结构的实现原理,重点论述了基本体系结构、循环展开结构、内部流水线结构、外部流水线结构、混合流水线结构及资源共享结构等.最后在XILINX公司XC2S300E芯片的基础上,采用自顶向下设计思想,论述了高级加密标准算法的FPGA设计方法,提出了具体模块划分方法并对各个模块的实现进行了详细论述.圈变换采用内部流水线结构,多个圈变换采用资源共享结构,密钥调度与加密运算并行执行.占用芯片面积及引脚资源较少,在芯片选型方面具有很好的适应性.
上传时间： 2013-06-20
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本文研制了一种基于社区和家庭，以家庭为核心的“家庭——社区医院——中心医院”的三层体系结构的远程家庭监护系统。该系统主要包括家庭端的远程家庭监护智能终端和远端的医院监护中心两部分，其中，家庭端的远程家庭监护智能终端的软硬件实现是本文的重点和关键。 给出了远程家庭监护智能终端的硬件结构和软件体系的总体设计方案。远程家庭监护的硬件平台，以Philips的ARM内核的32位嵌入式微处理器LPC2214为控制核心，外围扩展蓝牙模块、ISP1160 USB主机模块、10M以太网通信模块、CF卡存储模块和液晶显示模块等模块实现。对各硬件模块的设计实现做了详尽的论述。在硬件平台的基础上，移植嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ，按照操作系统、中间件程序和应用程序的分层软件体系结构，设计实现了远程家庭监护智能终端的软件，使得软件更易维护和升级。 对家庭监护终端的软件实现进行了详细的论述。设计实现了各硬件模块的驱动程序、通信协议和应用程序。整个应用程序按功能划分为9个任务，由操作系统内核进行调度，提高了系统的可靠性和实时性。应用程序实现了友好的人机界面和生理信号的自动分析功能。重点研究了ECG信号自动分析诊断算法，应用自适应模板法，实现了疾病自动分析诊断功能，能够实现10种常见心律异常的自动分析诊断。 远程家庭监护智能终端系统可实现对病人心电、血压、血糖、体温、呼吸率和血氧饱和度等参数的实时远程监护，可根据病人的情况定制要监护的参数，具有良好的可扩展性和灵活性。远程家庭监护终端，通过蓝牙模块以无线方式采集病人的心电和体温参数，通过USB主机下行口连接其他生理参数模块采集血压等参数。所采集的参数经终端分析处理后，可在液晶上显示生理参数值及结果，并可通过局域网传送到监护中心服务器，供社区医院监护医生分析诊断。在病人出现生理异常时，家庭监护智能终端能够给出初步诊断结果并发出报警。监护服务器收到报警后提醒监护医生给出诊断结果，并将诊断结果反馈到家庭监护终端显示，使病人能够得到及时救治。
上传时间： 2013-06-06
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软开关技术是电力电子装置向高频化、高功率密度化发展的关键技术，已成为现代电力电子技术研究的热点之一。微处理器的出现促进了电力电子变换器的控制技术从传统的模拟控制转向数字控制，数字控制技术可使控制电路大为简化，并能提高系统的抗干扰能力、控制灵活性、通用性以及智能化程度。本文提出了一种利用耦合输出电感的新型次级箝位ZVZCS PWM DC/DC变换器，其反馈控制采用数字化方式。 论文分析了该新型变换器的工作原理，推导了变换器各种状态时的参数计算方程；设计了以ARW芯片LPC2210为核心的数字化反馈控制系统，通过软件设计实现了PWM移相控制信号的输出；运用Pspice9.2软件成功地对变换器进行了仿真，分析了各参数对变换器性能的影响，并得出了变换器的优化设计参数；最后研制出基于该新型拓扑和数字化控制策略的1千瓦移相控制零电压零电流软开关电源，给出了其主电路、控制电路、驱动电路、保护电路及高频变压器等的设计过程，并在实验样机上测量出了实际运行时的波形。 理论分析与实验结果表明：该变换器拓扑能实现超前桥臂的零电压开关，滞后桥臂的零电流开关；采用ARM微控制器进行数字控制，较传统的纯模拟控制实时反应速度更快、电源稳压性能更好、外围电路更简单、设计更灵活等，为实现智能化数字电源创造了基础，具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。
上传时间： 2013-08-03
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近年来，移动通信技术在全球范围内得到了迅猛的发展及应用，各种全新的无线通信概念层出不穷、各种新的体制及其关键技术日新月异。由于正交频分复用(OFDM)技术可以高效地利用频谱资源并有效地对抗频率选择性衰落，多入多出(MIMO)利用多个天线实现多发多收，在不增加带宽和发送功率的情况下，可以成倍提高信道容量，因此OFDM-MIMO技术被广泛认为是后三代通信系统(B3G)的关键技术，是当今移动通信领域研究的热点。 本文对OFDM-MIMO通信系统接收机的关键技术--数字下变频，OFDM同步、解调进行了相关研究，在多天线接收板的XC2VP70-5FF1704芯片上，完成了数字下变频，OFDM同步和解调的FPGA设计与实现。通过功能仿真、时序仿真、板级电路测试，验证了该设计的正确性。 本文首先介绍了OFDM基本原理以其特点，然后对同步技术和数字下变频技术作了相应的介绍。同步是OFDM系统设计中的一项关键技术，即是针对系统中存在的时间偏差、频率偏差进行定时恢复、频偏的估计与补偿，来减少各种同步偏差对系统性能的影响。数字下变频是软件无线电的核心技术之一，其基本功能是从高速中频数字信号中提取所需的窄带信号，将其下变频为基带信号，降低数据率，以供后续DSP器件作进一步处理。 在数字下变频器的设计和实现方面，本文先介绍了数字下变频器的原理和基本结构，然后根据系统要求对其进行了设计，并在实现上作了一些简化，节约了硬件资源。 在对时间同步的设计和实现方面，本文采用了利用PN序列进行时间同步的算法。在实现上根据系统实际情况将数据分为四路分别与本地PN码做滑动相关运算，更有效的利用了同步数据，达到了更好的同步性能。 在OFDM的频率同步的设计和实现方面，本文采用重复的PN码两两相关来估计频偏值，并联合一个二阶负反馈环路进行补偿。该算法利用环路自身噪声带宽抑制噪声，提高频率估计精度，并同时利用负反馈扩大频偏估计范围。本文在对算法的详细研究分析的基础上对其进行了FPGA设计与实现。
上传时间： 2013-04-24
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在机器人学的研究领域中，如何有效地提高机器人控制系统的控制性能始终是研究学者十分关注的一个重要内容。在分析了工业机器人的发展历程和机器人控制系统的研究现状后，本论文的主要目标是针对四关节实验室机器人特有的机械结构和数学模型，建立一个新型全数字的基于DSP和FPGA的机器人位置伺服控制系统的软、硬件平台，实现对四关节实验室机器人的精确控制。 本论文从实际情况出发，首先分析了所研究的四关节实验室机器人的本体结构，并对其抽象简化得到了它的运动学数学模型。在明确了实现机器人精确位置伺服控制的控制原理后，我们对机器人控制系统的诸多可行性方案进行了充分论证，并最终决定采用了三级CPU控制的控制体系结构：第一级CPU为上位计算机，它实现对机器人的系统管理、协调控制以及完成机器人实时轨迹规划等控制算法的运算；第二级CPU为高性能的DSP处理器，它辅之以具有高速并行处理能力的FPGA芯片，实现了对机器人多个关节的高速并行驱动；第三级CPU为交流伺服驱动处理器，它实现了机器人关节伺服电机的精确三闭环误差驱动控制，以及电机的故障诊断和自动保护等功能。此外，我们采用比普通UART速度快得多的USB来实现上位计算机．与下位控制器之间的数据通信，这样既保证了两者之间连接方便，又有效的提高了控制系统的通信速度和可靠性。 机器人系统的软件设计包括两个部分：一是采用VC++实现的上位监控软件系统，它主要负责机器人实时轨迹规划等控制算法的运算，同时完成用户与机器人系统之间的信息交互；二是采用C语言实现的下位DSP控制程序，它主要负责接收上位监控系统或者下位控制箱发送的控制信号，实现对机器人的实时驱动，同时还能够实时的向上位监控系统或者下位控制箱反馈机器人的当前状态信息。 研究开发出来的四关节实验室机器人控制器具有控制实时性好、定位精度高、运行稳定可靠的特点，它允许用户通过上位控制计算机实现对机器人的各种设定作业的控制，也可以让用户通过机器人控制箱现场对机器人进行回零、示教等各项操作。
上传时间： 2013-04-24
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文章开篇提出了开发背景。认为现在所广泛应用的开关电源都是基于传统的分立元件组成的。它的特点是频率范围窄、电力小、功能少、器件多、成本较高、精度低，对不同的客户要求来“量身定做”不同的产品，同时几乎没有通用性和可移植性。在电子技术飞速发展的今天，这种传统的模拟开关电源已经很难跟上时代的发展步伐。 随着DSP、ASIC等电子器件的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。由于数字化，使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能，同时由于它的智能化、零件的共通化使得它能够灵活地应对不同客户的需求，这就降低了开发周期和成本。依靠现代数字化控制和数字信号处理新技术，数字化开关电源有着广阔的发展空间。 在数字化领域的今天，最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。近年来，数字电源的研究势头与日俱增，成果也越来越多。虽然目前中国制造的开关电源占了世界市场的80％以上，但都是传统的比较低端的模拟电源。高端市场上几乎没有我们份额。 本论文研究的主要内容是在传统开关电源模拟调节器的基础上，提出了一种新的数字化调节器方案，即基于DSP和FPGA的数字化PID调节器。论文对系统方案和电路进行了较为具体的设计，并通过测试取得了预期结果。测试证明该方案能够适合本行业时代发展的步伐，使系统电路更简单，精度更高，通用性更强。同时该方案也可用于相关领域。 本文首先分析了国内外开关电源发展的现状，以及研究数字化开关电源的意义。然后提出了数字化开关电源的总体设计框图和实现方案，并与传统的开关电源做了较为详细的比较。本论文的设计方案是采用DSP技术和FPGA技术来做数字化PID调节，通过数字化PID算法产生PWM波来控制斩波器，控制主回路。从而取代传统的模拟PID调节器，使电路更简单，精度更高，通用性更强。传统的模拟开关电源是将电流电压反馈信号做PID调节后--分立元器件构成，采用专用脉宽调制芯片实现PWM控制。电流反馈信号来自主回路的电流取样，电压反馈信号来自主回路的电压采样。再将这两个信号分别送至电流调节器和电压调节器的反相输入端，用来实现闭环控制。同时用来保证系统的稳定性及实现系统的过流过压保护、电流和电压值的显示。电压、电流的给定信号则由单片机或电位器提供。再次，文章对各个模块从理论和实际的上都做了仔细的分析和设计，并给出了具体的电路图，同时写出了软件流程图以及设计中应该注意的地方。整个系统由DSP板和ADC板组成。DSP板完成PWM生成、PID运算、环境开关量检测、环境开关量生成以及本地控制。ADC板主要完成前馈电压信号采集、负载电压信号采集、负载电流信号采集、以及对信号的一阶数字低通滤波。由于整个系统是闭环控制系统，要求采样速率相当高。本系统采用FPGA来控制ADC，这样就避免了高速采样占用系统资源的问题，减轻了DSP的负担。DSP可以将读到的ADC信号做PID调节，从而产生PWM波来控制逆变桥的开关速率，从而达到闭环控制的目的。 最后，对数字化开关电源和模拟开关电源做了对比测试，得出了预期结论。同时也提出了一些需要改进的地方，认为该方案在其他相关行业中可以广泛地应用。模拟控制电路因为使用许多零件而需要很大空间，这些零件的参数值还会随着使用时间、温度和其它环境条件的改变而变动并对系统稳定性和响应能力造成负面影响。数字电源则刚好相反，同时数字控制还能让硬件频繁重复使用、加快上市时间以及减少开发成本与风险。在当前对产品要求体积小、智能化、共通化、精度高和稳定度好等前提条件下，数字化开关电源有着广阔的发展空间。本系统来基本上达到了设计要求。能够满足较高精度的设计要求。但对于高精度数字化电源，系统还有值得改进的地方，比如改进主控器，提高参考电压的精度，提高采样器件的精度等，都可以提高系统的精度。 本系统涉及电子、通信和测控等技术领域，将数字PID算法与电力电子技术、通信技术等有机地结合了起来。本系统的设计方案不仅可以用在电源控制器上，只要是相关的领域都可以采用。
上传时间： 2013-06-21
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LAMOST(Large Sky Area Multi-Obiect Fiber Spectroscopy Telescope，大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)需要对焦而上的4 000个光纤定位单元进行精确定位，一个光纤定位单元需要两个步进电机来驱动，即需要对8 000个电机进行驱动控制。如何对这8 000个电机进行有效的控制，是本文主要的研究内容。 本义引入EDA(Electronic Design Automation)，技术，以FPGA和CAN总线为硬件载体来进行设计。FPGA相比较于DSP，单片机而言，具有10管脚多，资源丰富，使用灵活等优点，可以存片内集成多个电机的摔制，这样对于提高系统的集成度，节约成本无疑有着很大的帮助。 在电机的控制当中，其失步和过冲会直接影响到系统的精度，所以需要对电机脉冲频率加以控制，对于在平稳状态下能正常工作的电机，失步往往发生在启动停止等脉冲频率突然发生改变的时刻。具体实现方法是通过实验找出一条理想的加减速曲线，再将曲线离散化，并把离散化后的加减速分频系数存储在FPGA片内ROM里而，当电机运行到对应的步数时，取出分频系数来获取对应的运行频率。 在LAMOST观测中，光纤定位单元的零位是个很重要的基准，在每次观测之前，电机都要回零，理论上电气零位和机械零位在同一点上，如果电气检测到达零位则认为已经到达机械零位位置。但是实际中由于装配等一些原因，可能会出现零位短路和零位断路的情况。零位断路是指电机处于机械零位，但是电气不能检测到；零位短路是指电机不在机械零位，但是电气已经检测到处于零位。这两种情况会造成越界和机械零位一直被挤压的后果，有可能会损坏光纤定位单元，为了防止这些情况出现，软件程序中加入了计数器，从而从有效地保护了光纤定位单元，同时将这些状况向上反馈，以便维护和检修。 在本文完成之时，能够控制驱动336个光纤定位单元的小系统已经在北京天文台兴隆观测站实际投入运行，并于2007年5月28日获得首条光谱，取得了不错的效果。
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