十多年来，随着信息技术、电子技术和通讯技术的发展，嵌入式系统已经获得了空前的应用和发展。随着嵌入式应用系统功能复杂度的提高、对软件产品的非功能约束的特别关注以及由于市场的激烈竞争导致嵌入式软件推出周期的缩短，都使得嵌入式软件开发人员面临着严峻的危机和挑战。传统的结构化开发方法已经显得力不从心，于是嵌入式软件开发人员在软件开发中引入了目前较为流行的“面向对象方法(OO)”，．但是目前对该方法的应用还只是停留在传统的以编程为中心的嵌入式软件开发方法上，不能很好地保证软件复用和代码的重用，因此难以满足市场对嵌入式软件开发效率和开发质量的要求。 本课题的研究内容是应用面向对象方法的框架技术，对嵌入式系统领域的专有结构组件进行封装，创新性地提出了面向嵌入式系统领域的通用实时框架ARTIC(Abstract real-time contrO1)。ARTIC框架除了具有框架的共有优点一最大限度实现软件重用外，最突出的是具备以下两个特点： 1、功能和非功能的分离 在应用面向对象的技术时，传统的嵌入式软件开发方法关注的重点是软件结构和功能分解，、忽略了嵌入式环境下特殊的非功能性要求。为了在实现系统功能需求的同时，保证软件系统的非功能性需求的实现，ARTIC框架引入了面向方面的思想，、把系统的非功能性需求从功能模块中分离出来，为它们单独设计组件。开发人员在应用该框架进行嵌入式软件设计时，只需要关注功能需求的实现，对于实时性、调度等非功能需求的实现可以通过调用ARTIC提供的时间管理模型和任务调度模型直接实现。 2、基于状态机的主动对象设计模式 根据嵌入式系统通常由多个控制线程组成的特点，应用基于状态机的主动对象设计模式，把嵌入式软件系统构建成多个主动对象的缉合。相对于传统的面向对象方法，本文提出的主动对象的最大特点在于：它提供对事件队列、控制线程和表示主动对象动态行为状态机等的封装，并且该模式可以直接支持嵌入式系统的并行性。 ARTIC框架的应用能够帮助嵌入式软件的开发人员快速地开发出高质量的嵌入式软件，除此之外，因为它包含了一个微小的实时操作系统(RTOS) 报包装，在某些场合可以作为一个简易的RTOS使用。为了验证ARTIC的性能，本文将该框架应用于硬币搬送实时控制系统的开发设计，从该系统的应用中充分体现了ARTIC框架的优点。
上传时间： 2013-06-21
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随着计算机网络与嵌入式控制技术的迅速发展，作为传统运输行业的铁路系统对此也有了新的要求，列车通信网络应运而生。经过多年的发展，国际电工委员会(IEC)为了规范列车通信网络，于1999年通过了IEC61375-1标准。该标准将列车通信网络分为两条总线：绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)。MVB是一个标准通信介质，为挂在其上的设备传输和交换数据。而多功能车辆总线控制器(MVBC)是MVB与MVB实际物理层之间的接口，其主要实现MVB数据链路层的功能。由于该项关键技术仍被国外公司垄断，因此开发具有自主知识产权的MVBC迫在眉睫。 鉴于上述原因，本文深入研究了IEC61375-1标准。根据MVBC的技术特点，本文提出了使用FPGA来实现其具体功能的方案。挂在MVB总线上的设备分为五类，他们的功能各不相同。而支持4类设备的MVBC具有设备状态、过程数据、消息数据通信和总线管理功能，并且兼容2类和3类设备。本文的目的就是用FPGA实现支持4类设备的MVBC。 本文采用自顶向下的设计方法。整个MVBC主要划分为：编码模块、译码模块、冗余控制模块、报文分析单元、通信存储控制器、主控制单元、地址逻辑模块。在整个开发流程中，使用Xilinx的ISE集成开发环境。使用Verilog HDL硬件描述语言对上述各个模块进行RTL级描述，并用Synplify Pro进行综合。最后，在ModelSim中对各个模块进行了布线后仿真和验证。 在实验室条件下，通过严格的仿真验证后，其结果证明了本文设计的模块达到了IEC61375-1标准的要求。因此，用FPGA实现MVBC这一方案具有可操作性。 关键词：列车通信网；多功能车辆总线；多功能车辆总线控制器；现场可编程门阵列
上传时间： 2013-07-18
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高性能ADC产品的出现，给混合信号测试领域带来前所未有的挑战。并行ADC测试方案实现了多个ADC测试过程的并行化和实时化，减少了单个ADC的平均测试时间，从而降低ADC测试成本。 本文实现了基于FPGA的ADC并行测试方法。在阅读相关文献的基础上，总结了常用ADC参数测试方法和测试流程。使用FPGA实现时域参数评估算法和频域参数评估算法，并对2个ADC在不同样本数条件下进行并行测试。 通过在FPGA内部实现ADC测试时域算法和频域算法相结合的方法来搭建测试系统，完成音频编解码器WM8731L的控制模式接口、音频数据接口、ADC测试时域算法和频域算法的FPGA实现。整个测试系统使用Angilent 33220A任意信号发生器提供模拟激励信号，共用一个FPGA内部实现的采样时钟控制模块。并行测试系统将WM8731.L片内的两个独立ADC的串行输出数据分流成左右两通道，并对其进行串并转换。然后对左右两个通道分别配置一个FFT算法模块和时域算法模块，并行地实现了ADC参数的评估算法。 在样本数分别为128和4096的实验条件下，对WM8731L片内2个被测.ADC并行地进行参数评估，被测参数包括增益GAIN、偏移量OFFSET、信噪比SNR、信号与噪声谐波失真比SINAD、总谐波失真THD等5个常用参数。实验结果表明，通过在FPGA内配置2个独立的参数计算模块，可并行地实现对2个相同ADC的参数评估，减小单个ADC的平均测试时间。 FPGA片内实时评估算法的实现节省了测试样本传输至自动测试机PC端的时间。而且只需将HDL代码多次复制，就可实现多个被测ADC在同一时刻并行地被评估，配置灵活。基于FPGA的ADC并行测试方法易于实现，具有可行性，但由于噪声的影响，测试精度有待进一步提高。该方法可用于自动测试机的混合信号选项卡或测试子系统。 关键词：ADC测试；并行；参数评估；FPGA；FFT
上传时间： 2013-07-11
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电力电子装置的控制技术随着电力电子技术的发展而愈来愈复杂。开关电源是现代电力电子设备中不可或缺的组成部分，其质量的优劣以及体积的大小直接影响电子设备整体性能。高频化、小型化、数字化是开关电源的发展方向。 在应用数字技术进行控制系统设计时，数字控制器的性能决定了控制系统的整体性能。数字化电力电子设备中的控制部分多以MCU/DSP为核心，以软件实现离散域的运算及控制。在很多高频应用的场合，目前常用的控制器(高性能单片机或DSP)的速度往往不能完全满足要求。FPGA具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短等优点，与单片机和DSP相比，FPGA具有更高的处理速度。同时FPGA应用在数字化电力电子设备中，还可以大大简化控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。 依据FPGA的这些突出优点，本文将FPGA应用于直流开关电源控制器设计中，以实现开关电源数字化和高频化的要求。主要研究工作如下： 介绍了基于FPGA的DC/DC数字控制器中A/D采样控制、数字PI算法的实现；重点描述了采用混合PWM方法实现高分辨率、高精度数字PWM的设计方案，并对各模块进行了仿真测试；用FPGA开发板进行了一部分系统的仿真和实际结果的检测，验证了文中的分析结论，证实了可编程逻辑器件在直流开关电源控制器设计中的应用优势。
上传时间： 2013-07-23
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随着数字化技术的飞速发展，数字视频信号的传输技术更是受到人们的关注。相比较其它类型的信息传输如文本和数据，视频通信需要占用更多的带宽资源，因此为了实现在带宽受限的条件下的传输，视频源必须经过大量压缩。尽管现在的网络状况不断地改善，但相对与快速增长的视频业务而言，网络带宽资源仍然是远远不够的。2003年3月，新一代视频压缩标准H．264/AVC的推出，使视频压缩研究进入了一个新的层次。H．264标准中包含了很多先进的视频压缩编码方法，与以前的视频编码标准相比具有明显的进步。在相同视觉感知质量的情况下，H．264的编码效率比H．263提高了一倍左右，并且有更好的网络友好性。然而，高编码压缩率是以很高的计算复杂度为代价的，H．264标准的计算复杂度约为H．263的3倍，所以在实际应用中必须对其算法进行优化以减低其计算复杂度。 @@ 本文首先介绍了H．264标准的研究背景，分析了国内外H．264硬件系统的研究现状，并介绍了本文的主要工作。 @@ 接着对H．264编码标准的理论知识、关键技术分别进行了介绍。 @@ 对H．264块匹配运动估计算法进行研究，对经典的块匹配运动估计算法通过对比分析，三步、二维等算法在搜索效率上优于全搜索算法，而全搜索算法在数据流的规则性和均匀性有着自己的优越性。 @@ 针对块匹配运动估计全搜索算法的VLSI结构的特点，提出改进的块匹配运动估计全搜索算法。本文基于对数据流的分析，对硬件寻址进行了研究。通过一次完整的全搜索数据流分析，改进的块匹配运动估计算法在时钟周期、PE资源消耗方面得到优化。 @@ 最后基于FPGA平台对整像素运动估计模块进行了研究。首先对运动估计模块结构进行了功能子模块划分；然后对每个子模块进行设计和仿真和对整个运动估计模块进行联合仿真验证。 @@关键词：H．264；FPGA；QuartusⅡ；帧间预测；运动估计；块匹配
上传时间： 2013-04-24
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随着中国二代导航系统的建设，卫星导航的应用将普及到各个行业，具有自主知识产权的卫星导航接收机的研究与设计是该领域的一个研究热点。在接收机的设计中，对于成熟技术将利用ASIC芯片进行批量生产，该芯片是专用芯片，一旦制造成型不能改变。但是对于正在研究的接收机技术，特别是在需要利用接收机平台进行提高接收机性能研究时，利用FPGA通用可编程门阵列芯片是非常方便的。在FPGA上的研究成果，一旦成熟可以很方便的移植到ASIC芯片，进行批量生产。本课题就是基于FPGA研究GPS并行捕获技术的硬件电路，着重进行了其中一个捕获通道的设计和实现。 GPS信号捕获时间是影响GPS接收机性能的一个关键因素，尤其是在高动态和实时性要求高的应用中或者对弱GPS信号的捕获方面。因此，本文在滑动相关法基础上引出了基于FFT的并行快速捕获方法，采用自顶向下的方法对系统进行总体功能划分和结构设计，并采用自底向上的方法对系统进行功能实现和验证。 本课题以Xilinx公司的Spartan3E开发板为硬件开发平台，以ISE9.2i为软件开发平台，采用Verilog HDL编程实现该系统。并利用Nemerix公司的GPS射频芯片NJ1006A设计制作了GPS中频信号产生平台。该平台可实时地输出采样频率为16.367MHz的GPS数字中频信号。 本课题主要是基于采样率变换和FFT实现对GPS C/A码的捕获。该算法利用平均采样的方法，将信号的采样率降低到1.024 MHz，在低采样率下利用成熟的1024点FFT IP核对C/A码进行粗捕，给出GPS信号的码相位(精度大约为1/4码片)和载波的多普勒频率，符合GPS后续跟踪的要求。 同时，由于FFT算法是以资源换取时间的方法来提高GPS捕获速度的，所以在设计时，合理地采用FPGA设计思想与技巧优化系统。基于实用性的要求，详细的给出了基于FFT的GPS并行捕获各个模块的实现原理、实现结构以及仿真结果。并达到降低系统硬件资源，能够快速、高效地实现对GPS C/A码捕获的要求。 本研究是导航研究所承担的国家863课题“利用多径信号提高GNSS接收机性能的新技术研究”中关于接收机信号捕获算法的一部分，对接收机的设计具有一定的参考价值。
上传时间： 2013-07-22
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扩频通信技术因为具有较强的抗干扰、抗噪声、抗多径衰落能力、较好的保密性、较强的多址能力和高精度测量等优点，在军事抗干扰和个人通信业务中得到了很大的发展。尤其是基于扩频理论的CDMA通信技术成为国际电联规定的第三代移动通信系统的主要标准化建议后，标志着扩频通信技术在民用通信领域的应用进入了新阶段。 近年来，随着微电子技术和电子设计自动化(EDA)技术的迅速发展，以FPGA和CPLD为代表的可编程逻辑器件凭借其设计方便灵活等特点广泛应用于数字信号处理领域。 本论文正是采用基于FPGA硬件平台来实现了一个直接序列扩频通信基带系统，该系统的实现涉及扩频通信和有关FPGA的相关知识，以及实现这些模块的VHDL硬件描述语言和QuartusⅡ开发平台，目标是实现一个集成度高、灵活性强、并具有较强的数据处理能力的扩频通信基带系统。 本论文中首先对扩频通信的基础理论做了探讨，着重对直序扩频的理论进行了分析；其次根据理论分析，设计了全数字直接序列扩频基带系统的结构，完成了扩频序列的产生、信息码的输入和扩频。重点完成了对基带扩频信号的相关解扩和几种同步捕获电路的设计，将多种专用芯片的功能集成在一片大规模FPGA芯片上。在论文中列出了部分模块的VHDL程序，并在QuartusⅡ仿真平台上完成各部分模块的功能仿真。
上传时间： 2013-04-24
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随着列车自动化控制和现场总线技术的发展，基于分布式控制系统的列车通信网络技术TCN（IEC-61375）在现代高速列车上得到广泛应用。TCN协议将列车通信网络分为绞线式列车总线WTB和多功能车辆总线MVB，其中WTB实现对开式列车中的互联车辆间的数据传输和通信，MVB实现车载设备的协同工作和互相交换信息。 本文介绍了国内外列车通信网络的发展情况和各自优势，分析了MVB一类设备底层协议。研究利用FPGA实现MVB控制芯片MVBC，用ARM作为微处理器实现MVB一类设备的嵌入式解决方案。其中，在FPGA芯片中主要采用自顶向下的设计方法，RLT硬件描述语言实现MVB控制芯片MVBC一类设备的主要功能，包括帧编码器、帧解码器和逻辑接口单元。ARM主要完成了软件程序的编写和实时操作系统的移植。在eCos实时操作系统上，完成了驱动和上层应用程序，包括端口初始化、端口配置、帧收发指令和报文分析。 为了验证设计的正确性，在设计的硬件平台基础上，搭建了MVB通信网络的最小系统，对网络进行系统功能测试。测试结果表明：设计方案正确，达到了设计的预期要求。
上传时间： 2013-08-03
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互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术(即如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪)的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。因此，对GPS核心技术的研究是非常紧迫的。 本文首先介绍了GPS的定位原理，之后阐述了GPS接收机的基本原理一直接扩频通信和GPS信号的结构与特性。从这些方面出发研究接收机基带处理器的捕获与跟踪设计方案。 设计过程中，先详细分析了滑动相关的捕获算法和基于FFT的快速捕获算法，并利用matlab进行了验证。由于前者灵活性好且可捕获到高精度的码相位和载波频率，适合于本文的硬件接收机，所以本文确定了滑动相关的捕获方案。 接着分析了跟踪环路的特点，跟踪模块采用码跟踪环和载波跟踪环耦合的方法实现。由于GPS系统通常工作在非常低的信噪比环境中，而非相干环在低信噪比下环路跟踪性能较好，所以码跟踪环采用非相干(DDLL)环实现。这种跟踪环路采用的鉴相器是能量鉴相器，对数据的调制和载波相位都不敏感，鉴相器不会产生不确定量。由于输入信号存在180°相位翻转，而COSTAS锁相环允许数据调制，对I支路和Q支路信号的180°相位翻转不敏感，所以载波跟踪环采用COSTAS锁相环实现。上述算法在matlab环境下得到了验证。 基带处理器电路的主要模块在Quartus II8.0开发平台上利用VHDL硬件描述语言实现。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g进行了逻辑仿真。本设计满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 最后，由于在弱电磁环境下，捕获失锁后32PPS信号会丢失。所以设计了一个能授时和守时的算法去得到与GPS时同步的精确授时秒信号。并且实现了这个算法。
上传时间： 2013-04-24
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PID算法自从问世以来，一直受到广泛的关注。随着现代控制理论及智能控制技术的发展，PID算法也得到了长足的发展。结合传统的PID控制算法，针对特定的控制领域，出现了一些新的控制算法，模糊PID控制算法就是在此基础上渐渐形成并凸显其控制特色。 同时随着微电子技术的发展，现场可编程逻辑器件FPGA的发展及其EDA技术的日渐成熟，为集成控制芯片开拓了广阔的发展空间。FPGA的发展为基于硬件的算法模块的实现提供了可能性，同时节省了外围的电路，使算法模块的集成度大大提高。 本文针对当前国内外在算法研究方面的热点问题，对模糊PID算法进行了深入的分析和研究。通过对汽轮机调节系统的结构分析，对其进行了数学建模。采用某汽轮机的实际设计运行参数，利用Matlab仿真软件，对该汽轮机的数学模型进行了甩负荷动态特性仿真。仿真结果表明，模糊PID可以更好地解决汽轮发电机组在甩负荷过程中由于机组转子飞升量太大而导致危急保安装置动作，使得汽轮发电机组意外停机的问题，能够保证汽轮发电机组在意外甩负荷时机组正常的机械运转。根据模糊控制理论的特点及EDA技术和FPGA可编程逻辑器件的发展现状，提出了在FPGA上实现模糊PID算法的具体实现方案。在综合分析算法特性的基础上，选择Altera公司生产的CycloneⅡ系列中的EP2C35F672C6作为目标芯片，利用分层模块化设计思想，在Altera公司提供的QuartusⅡ开发环境中，利用原理图设计输入和VHDL设计输入相结合的方式实现了模糊PID控制算法，同时分别对实现的各个功能模块和整个算法模块进行了功能时序仿真。根据仿真结果分析，该设计实现了的模糊PID控制功能。 该控制算法模块的FPGA实现很好的避免了因CPU或者其它问题导致算法程序跑飞、程序死循环、复位不可靠等问题，提高了控制的可靠性。同时加强了模块的通用性，减少了系统硬件开发周期，节省了外围设备的电路，降低了设计开发成本。
上传时间： 2013-07-21
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