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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软件无线电(SDR，Software Defined Radio)由于具备传统无线电技术无可比拟的优越性，已成为业界公认的现代无线电通信技术的发展方向。理想的软件无线电系统强调体系结构的开放性和可编程性，减少灵活性著的硬件电路，把数字化处理(ADC和DAC)尽可能靠近天线，通过软件的更新改变硬件的配置、结构和功能。目前，直接对射频(RF)进行采样的技术尚未实现普及的产品化，而用数字变频器在中频进行数字化是普遍采用的方法，其主要思想是，数字混频器用离散化的单频本振信号与输入采样信号在乘法器中相乘，再经插值或抽取滤波，其结果是，输入信号频谱搬移到所需频带，数据速率也相应改变，以供后续模块做进一步处理。数字变频器在发射设备和接收设备中分别称为数字上变频器(DUC，Digital Upper Converter)和数字下变频器(DDC，Digital Down Converter)，它们是软件无线电通信设备的关键部什。大规模可编程逻辑器件的应用为现代通信系统的设计带来极大的灵活性。基于FPGA的数字变频器设计是深受广大设计人员欢迎的设计手段。本文的重点研究是数字下变频器(DDC)，然而将它与数字上变频器(DUC)完全割裂后进行研究显然是不妥的，因此，本文对数字上变频器也作适当介绍。 第一章简要阐述了软件无线电及数字下变频的基本概念，介绍了研究背景及所完成的主要研究工作。 第二章介绍了数控振荡器(NCO)，介绍了两种实现方法，即基于查找表和基于CORDIC算法的实现。对CORDIc算法作了重点介绍，给出了传统算法和改进算法，并对基于传统CORDIC算法的NCO的FPGA实现进行了EDA仿真。 第三章介绍了变速率采样技术，重点介绍了软件无线电中广泛采用的级联积分梳状滤波器 (cascaded integratot comb， CIC)和ISOP(Interpolated Second Order Polynomial)补偿法，对前者进行了基于Matlab的理论仿真和FPGA实现的EDA仿真，后者只进行了基于Matlab的理论仿真。 第四章介绍了分布式算法和软件无线电中广泛采用的半带(half-band，HB)滤波器，对基于分布式算法的半带滤波器的FPGA实现进行了EDA仿真，最后简要介绍了FIR的多相结构。 第五章对数字下变频器系统进行了噪声综合分析，给出了一个噪声模型。 第六章介绍了数字下变频器在短波电台中频数字化应用中的一个实例，给出了测试结果，重点介绍了下变频器的：FPGA实现，其对应的VHDL程序收录在本文最后的附录中，希望对从事该领域设计的技术人员具有一定参考价值。
上传时间： 2013-06-30
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在数字通信中，采用差错控制技术(纠错码)是提高信号传输可靠性的有效手段，并发挥着越来越重要的作用。纠错码主要有分组码和卷积码两种。在码率和编码器复杂程度相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。 卷积码的译码方法主要有代数译码和概率译码。代数译码是基于码的代数结构；而概率译码不仅基于码的代数结构，还利用了信道的统计特性，能充分发挥卷积码的特点，使译码错误概率达到很小。 卷积码译码器的设计是由高性能的复杂译码器开始的，对于概率译码最初的序列译码，随着译码约束长度的增加，其译码错误概率可达到非常小。后来慢慢地向低性能的简单译码器演化，对不太长的约束长度，维特比(Viterbi)算法是非常实用的。维特比算法是一种最大似然的译码方法。当编码约束度不太大(小于等于10)或者误码率要求不太高(约10-5)时，Viterbi译码算法效率很高，速度很快，译码器也较简单。 目前，卷积码在数传系统，尤其是在卫星通信、移动通信等领域已被广泛应用。 本论文对卷积码编码和Viterbi译码的设计原理及其FPGA实现方案进行了研究。同时，将交织和解交织技术应用于编码和解码的过程中。 首先，简要介绍了卷积码的基础知识和维特比译码算法的基本原理，并对硬判决译码和软判决译码方法进行了比较。其次，讨论了交织和解交织技术及其在纠错码中的应用。然后，介绍了FPGA硬件资源和软件开发环境Quartus Ⅱ，包括数字系统的设计方法和设计规则。再有，对基于FPGA的维特比译码器各个模块和相应算法实现、优化进行了研究。最后，在Quartus Ⅱ平台上对硬判决译码和软判决译码以及有无交织等不同情况进行了仿真，并根据仿真结果分析了维特比译码器的性能。 分析结果表明，系统的误码率达到了设计要求，从而验证了译码器设计的可靠性，所设计基于FPGA的并行Viterbi译码器适用于高速数据传输的场合。
上传时间： 2013-04-24
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数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，同时也是软件无线电系统中的核心模块，在现代雷达系统以及无线基站系统中的应用越来越广泛。为了能够满足目前对软件无线电接收机自适应性及灵活性的要求，并充分体现在高性能FPGA平台上设计SOC系统的思路，本文提出了由高速高精度A/D转换芯片、高性能FPGA、PCI总线接口、DB25并行接口组成的高速数据采集系统设计方案及实现方法。其中FPGA作为本系统的控制核心和传输桥梁，发挥了极其重要的作用。通过FPGA不仅完成了系统中全部数字电路部分的设计，并且使系统具有了较高的可适应性、可扩展性和可调试性。 在时序数字逻辑设计上，充分利用FPGA中丰富的时序资源，如锁相环PLL、触发器，缓冲器FIFO、计数器等，能够方便的完成对系统输入输出时钟的精确控制以及根据系统需要对各处时序延时进行修正。 在存储器设计上，采用FPGA片内存储器。可根据系统需要随时进行设置，并且能够方便的完成数据格式的合并、拆分以及数据传输率的调整。 在传输接口设计上，采用并行接口和PCI总线接口的两种数据传输模式。通过FPGA中的宏功能模块和IP资源实现了对这两种接口的逻辑控制，可使系统方便的在两种传输模式下进行切换。 在系统工作过程控制上，通过VB程序编写了应用于PC端的上层控制软件。并通过并行接口实现了PC和FPGA之间的交互，从而能够方便的在PC机上完成对系统工作过程的控制和工作模式的选择。 在系统调试方面，充分利用QuartuslI软件中自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTaplI，实时准确的验证了在系统整个传输过程中数据的正确性和时序性，并极大的降低了用常规仪器观测FPGA中众多待测引脚的难度。 本文第四章针对FPGA中各功能模块的逻辑设计进行了详细分析，并对每个模块都给出了精确的仿真结果。同时，文中还在其它章节详细介绍了系统的硬件电路设计、并行接口设计、PCI接口设计、PC端控制软件设计以及用于调试过程中的SignalTapⅡ嵌入式逻辑分析仪的使用方法，并且也对系统的仿真结果和测试结果给出了分析及讨论。最后还附上了系统的PCB版图、FPGA逻辑设计图、实物图及注释详细的相关源程序清单。
上传时间： 2013-07-09
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运动控制技术是机电一体化的核心部分，提高运动控制技术水平对于提高我国的机电一体化技术具有至关重要的作用。运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术。对于数控系统来说，最重要的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据加工中的定位控制精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统的研究都集中在插入PC的NC控制器的研究上，而其核心部分就是对步进、伺服电机进行控制的运动控制卡的研究。对PC-NC来说，运动控制卡的性能很大程度上决定了整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用，使运动控制卡的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。 本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研究起步较晚的现状，结合当前运动控制领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势，吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果，提出了基于PCI和FPGA的方案，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。 本课题的具体研究主要有以下几方面： 首先，通过对运动控制卡及运动控制系统等行业现状的全面调研，和对运动控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了基于FPGA的运动控制设计方案，并规划了板卡的总体设计。 其次，根据总体设计，规划了板卡的结构，详细划分并实现了FPGA各部分的功能；利用光电隔离原理设计了数字输入/输出电路。 再次，利用FPGA的资源实现了PCI从设备接口，达到跟控制卡通信的目的，针对运动控制中的一些具体问题，如运动平稳性、实时控制以及多轴联动等，在FPGA上设计了四轴运动控制电路，定义了各个寄存器的具体功能，设计了功能齐全的加／减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路等，自动降速点运动、A／B相编码器倍频计数电路等特殊功能。最后，进行了本运动控制卡的测试，从测试和应用结果来看，该卡达到预期的要求。
上传时间： 2013-07-27
上传用户：zgu489
随着存储技术的迅速发展，存储业务需求的不断增长，独立的磁盘冗余阵列可利用多个磁盘并行存取提高存储系统的性能。磁盘阵列技术采用硬件和软件两种方式实现，软件RAID（Redundant Array of Independent Disks）主要利用操作系统提供的软件实现磁盘冗余阵列功能，对系统资源利用率高，节省成本。硬件RAID将大部分RAID功能集成到一块硬件控制器中，系统资源占用率低，可移植性好。 分析了软件RAID的性能瓶颈，使用硬件直接完成部分计算提高软件RAID性能。针对RAID5采用FPGA（Field Programmable Gate Array）技术实现RAID控制器硬件设计，完成磁盘阵列启动、数据缓存（Cache）以及数据XOR校验等功能。基于硬件RAID的理论，提出一种基于Virtex-4的硬件RAID控制器的系统设计方案：独立微处理器和较大容量的内存；实现RAID级别迁移，在线容量扩展，在线数据热备份等高效、用户可定制的高级RAID功能；利用Virtex-4内置硬PowerPC完成RAID服务器部分配置和管理工作，运行Linux操作系统、RAID管理软件等。控制器既可以作为RAID控制卡在服务器上使用，也可作为一个独立的系统，成为磁盘阵列的调试平台。 随着集成电路的发展，芯片的体积越来越小，电路的布局布线密度越来越大，信号的工作频率也越来越高，高速电路的传输线效应和信号完整性问题越来越明显。RAID控制器属于高速电路的范畴，在印刷电路板（Printed Circuit Block, PCB）实现时分别从叠层设计、布局、电源完整性、阻抗匹配和串扰等方面考虑了信号完整性问题，并基于IBIS（I/O Buffer Information Specification）模型进行了信号完整性分析及仿真。
上传时间： 2013-04-24
上传用户：jeffery
离散余弦变换(DCT)及其反变换(IDCT)在图像编解码方面应用十分广泛，至今已被JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和H.26x等国际标准所采用。由于其计算量较大，软件实现往往难以满足实时处理的要求，因而在很多实际应用中需要采用硬件设计的DCT/IDCT处理电路来满足我们对处理速度的要求。本文所研究的内容就是针对图像处理应用的8×8二维DCT/IDCT处理核的硬件实现。 本文首先介绍了DCT和IDCT在图像处理中的作用和原理，详细说明了DCT变换实现图像压缩的过程，并与其它变换比较说明了用DCT变换实现图像压缩的优势。接着，分析研究了DCT的各种快速算法，总结了前人对DCT快速算法及其实现所做的研究。本文给出了两种性能、资源上有一定差异的二维DCT/IDCT的FPGA设计方案。两种方案均利用DCT的行列分离特性，采用流水线设计技术，将二维DCT/IDCT实现转化为两个一维DCT/IDCT实现。在一维DCT/IDCT设计中，根据图像处理的特点对Loeffler算法的数据流进行了优化，通过合理安排时钟周期数和简化各周期内的操作，大大缩短了关键路径的执行时间，从而提高了流水线的执行速度。最后，对所设计的DCT/IDCT处理核进行了综合和时序仿真。 结果表明，当使用Altera公司的MERCURY系列FPGA器件时，本文设计的方案一能够在116M时钟频率下正确完成8×8的二维DCT或IDCT的逻辑运算，消耗2827个逻辑单元；方案二能够在74M时钟频率下正常工作，消耗1629个逻辑单元。
上传时间： 2013-07-14
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本文研究了在复杂背景下红外图像的背景和噪声抑制算法，并且完成了硬件实现，主要包括以下内容： 1.通过对实际红外图像的背景和噪声特性的研究分析，设计改进了一种基于加权广义次序统计滤波器的背景抑制的算法。红外图像的噪声通常为脉冲噪声，具有高频特性；而红外图像的背景变换比较缓慢，其频谱成分多集中在低频区域，所以本文在对图像特性分析的基础上，设计改进了基于加权广义次序统计滤波器的背景抑制的算法。在对采集的起伏背景红外图像进行背景抑制后，用全局门限可以有效的分割出目标信息，输出包含目标信息的二值化图像，为后续处理提供数据。但是出于更复杂背景条件下算法有效性的目的，深入讨论了局部自适应门限分割算法的设计。 2.在实时信号处理系统中，底层的图像预处理算法目前难以用软件实现；但是其运算结构相对比较简单，适于用FPGA进行硬件实现。本文对算法的FPGA设计作了较为深入地研究，同时介绍了算法的VHDL实现，利用模块化的优点对算法分模块设计，对各个模块的实现作了详细介绍。 3.完成了红外成像制导系统的预处理部分硬件电路设计，对FPGA中预处理算法的处理结果进行了验证。通过算法在硬件上的实现，证明了算法的有效性。
上传时间： 2013-07-02
上传用户：钓鳌牧马
本文将电路接口技术与硬件可编程技术相结合，提出了用可编程芯片来控制IDE硬盘进行高速数据记录，能够满足机载数据记录设备重量轻、容量大、速度快的要求。 论文对硬盘ATA接口标准进行了研究，对VHDL语言、现场可编程门阵列器件(FPGA)实现硬件电路的原理和方法进行了深入分析，在此基础上完成了基于FPGA的数据记录控制器的设计。文中选择了具有低功耗、低成本、高性能的FPGA芯片(型号为CycloneEP1C3T144C8)，将各功能模块级联成系统在该芯片上完成了控制器系统级的设计与仿真验证，验证结果表明了用FPGA实现高速数据记录控制器的可行性。所设计的VHDL代码经QuartusⅡ综合、布局布线、管脚分配后，在FPGA内部可以达到104.46Mhz的电路工作速度，FPGA与硬盘之间采用ATA接口的UltraDMA模式2传输方式，可以达到33.3MByte/s的突发数据传输率。文中对所用到的FPGA设计技术给予了详细说明，对各功能模块的设计给予了详细阐述，对关键设计给出了VHDL源代码，还讨论了FPGA设计中时序约束的作用，给出了本文所做时序约束的方法。 本文中所论述的工作对以后机载数据记录系统的设计具有重要的铺垫作用。文中在总结所做工作的同时，还对下一步工作提出了有益的建议。
上传时间： 2013-08-05
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在合成孔径雷达的研究和研制工作中，合成孔径雷达模拟技术具有十分重要的作用。本文以440MHz带宽线性调频信号，采样频率500MHz高分辨合成孔径雷达视频模拟器为研究对象。首先对模拟器的几项主要技术进行分析，在对点目标回波信号模型分析研究的基础上，对点目标原始回波数据进行模拟并做了成像验证，从而为硬件实现提供了正确的信号模型；针对传统的“波形存储直读法”方案，即在计算机平台上用模拟软件产生原始回波数据并存储，再通过计算机接口实现数据传输，最后完成数模转换产生视频信号这一过程，分析指出该方案在实现高分辨率时的速度和容量瓶颈。 针对具体的设计要求，围绕速度和容量问题，本文着眼于高分辨率SAR模拟器的FPGA实现研究，指出FPGA实时生成点目标原始回波数据是其实现的核心；针对这一核心问题，充分利用现代VLSI设计中的流水线技术与并行阵列技术以及FPGA的优良性能和丰富资源，在时间上采用同步流水结构、空间上采用并行阵列形式，将速度和容量问题统一为数据的高速生成问题；给出了系统总体设计思想，该方案不需要大容量存储器单元，大大减少模拟器复杂度；对原始回波数据实时生成模块的各主要单元给出了结构并进行了仿真，结果表明FPGA可以满足课题设计要求；同时，对该模拟器片上系统的实现、增强人机交互性，给出了人机界面的设计思路。 分析指出了点目标原始回波数据实时生成模块通过并行扩展即可实现多点目标的原始回波数据实时生成；最后对复杂场景目标模拟器的实现进行了构思，指出了传统方案在改进的基础上实现高分辨率视频模拟器的可行性。本文首次提出以FPGA实现高分辨率合成孔径雷达原始回波数据实时生成的思想，为国内业界在此方向做了一些理论和实践上的有益探索，对于国内高分辨率合成孔径雷达的研制具有一定的实际意义。
上传时间： 2013-04-24
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