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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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
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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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本课题完成了基于FPGA的数据采集器以及IIC总线的模数转换器部分、通讯部分的电路设计。其中FPGA采用Xilinx公司Spartan-Ⅱ系列的XC2S100芯片，在芯片中嵌入32位软处理器MicroBlaze;ⅡC总线的模数转换采用Microchip公司的MCP3221芯片，通讯部分则在FPGA片内用VHDL语言实现。通过上述设计实现了“准单片化”的模拟量和数字量的数据采集和处理。 所设计的数据采集器可以和结构类似的上位机通讯，本课题完成了在上位机中用VHDL语言实现的通信电路模块。通过上述两部分工作，将微处理器、数据存储器、程序存储器等数字逻辑电路均集成在同一个FPGA内部，形成一个可编程的片上系统。FPGA片外仅为模拟器件和开关量驱动芯片。FPGA内部的硬件电路采用VHDL语言编写；MCU软核工作所需要的程序采用C语言编写。多台数据采集器与服务器构成数据采集系统。服务器端软件用VB开发，既可以将实时采集的数据以数字方式显示，也可以用更加直观的曲线方式显示。 由于数据采集器是所有自控类系统所必需的电路模块，所以一个通用的片上系统设计可以解决各类系统的应用问题，达到“设计复用”(DesignReuse)的目的。采用基于FPGA的SOPC设计的更加突出的优点是不必更换芯片就可以实现设计的改进和升级，同时也可以降低成本和提高可靠性。
上传时间： 2013-07-12
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甚短距离传输(VSR)是一种用于短距离(约300 m～600m)内进行数据传输的光传输技术.它主要应用于网络中的交换机、核心路由器(CR)、光交叉连接设备(OXC)、分插复用器(ADM)和波分复用(WDM)终端等不同层次设备之间的互连,具有构建方便、性能稳定和成本低等优点,是光通信技术发展的一个全新领域,逐渐成为国际通用的标准技术,成为全光网的一个重要组成部分. 本文深入研究了VSR并行光传输系统,完成了VSR技术的核心部分--转换器子系统的设计与实现,使用现场可编程阵列FPGA(Field Programmable GateArray)来完成转换器电路的设计和功能实现.深入研究现有VSR4-1.0和VSR4-3.0两种并行传输标准,在其技术原理的基础上,提出新的VSR并行方案,提高了多模光纤带的信道利用率,充分利用系统总吞吐量大的优势,为将来向更高速率升级提供了依据.根据万兆以太网的技术特点和传输要求,提出并设计了用VSR技术实现局域和广域万兆以太网在较短距离上的高速互连的系统方案,成功地将VSR技术移植到万兆以太网上,实现低成本、构建方便和性能稳定的高速短距离传输. 本文所有的设计均在Altera Stratix GX系列FPGA的EP1SGX25F1020C7上实现,采用Altera的Quartus Ⅱ开发工具和 Verilog HDL硬件描述语言完成了VSR4-1.0转换器集成电路和万兆以太网的SERDES的设计和仿真,并给出了各模块的电路结构和仿真结果.仿真的结果表明,所有的设计均能正确的实现各自的功能,完全能够满足10Gb/s高速并行传输系统的要求.
上传时间： 2013-07-14
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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式频率合成，锁相频率合成和直接数字频率合成(DDS)。本次设计是利用FPGA完成一个DDS系统并利用该系统实现模拟信号的数字化调频。 DDS是把一系列数字量形式的信号通过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转换器产生已经用数字形式存入的正弦波(或其他任意波形)。一个典型的DDS系统应包括：相位累加器，可在时钟的控制下完成相位的累加；相位码—幅度码转换电路，一般由ROM实现；DA转换电路，将数字形式的幅度码转换成模拟信号。DDS系统可以很方便地获得频率分辨率很精细且相位连续的信号，也可以通过改变相位字改变信号的相位，因此也广泛用于数字调频和调相。本次数字化调频的基本思想是利用AD转换电路将模拟信号转换成数字信号，同时用该数字信号与一个固定的频率字累加，形成一个受模拟信号幅度控制的频率字，从而获得一个频率受模拟信号的幅度控制的正弦波，即实现了调频。该DDS数字化调频方案的硬件系统是以FPGA为核心实现的。使用Altera公司的ACEX1K系列FPGA，整个系统由VHDL语言编程，开发软件为MAX+PLUSⅡ。经过实际测试，该系统在频率较低时与理论值完全符合，但在高频时，受器件速度的限制，波形有较大的失真。
上传时间： 2013-06-14
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超声波流量计以非接触、精度高、使用方便等优点，在气象、石油、化工、医药、水资源管理等领域获得了广泛的应用。近年来，随着数字处理技术和微处理器技术的发展，超声波流量计作为一种测量仪表也得到了长足进步。本课题将ARM微控制器用于流量测量仪表的研制，拓展了仪表的开发空间，符合嵌入式技术的发展方向。 本文详细介绍了超声波时差法流量测量原理及基于LPC2214的超声波流量计系统设计方案和软硬件实现方法，并对测时算法进行了详细讨论。通过分析和借鉴国外超声波流量测量的先进技术和方法，得出了改进的时差法测量方案。系统硬件设计了超声波发射、接收及放大电路，采用高速模数转换器数字化接收信号，并对ARM系统电路中的电源电路，存储器电路，通信接口电路等进行了详细介绍。系统软件详细分析了嵌入式操作系统uClinux的移植方法，给出构建ARM-uClinux平台的步骤，并基于此平台，完成了系统软件设计。测时算法运用数字滤波技术提高信号信噪比，采用方差比检验方法和插值算法，提高测时定位精度。 系统设计良好的人机交互界面和通信调试接口，提高了ARM系统的软件开发调试效率；在保证流量计系统功能的同时，尽量简化硬件电路设计，降低研制成本，使设计更具合理性。
上传时间： 2013-04-24
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偏振模色散(PMD)是限制光通信系统向高速率和大容量扩展的主要障碍，尤其是160Gb/s光传输系统中，由PMD引起的脉冲畸变现象更加严重。为了克服PMD带来的危害，国内外已经开始了对PMD补偿的研究。但是目前的补偿系统复杂、成本高且补偿效果不理想，因此采用前向纠错(FEC)和偏振扰偏器配合抑制PMD的方法，可以实现低成本的PMD补偿。 在实验中将扰偏器连入光时分复用系统，通过观察其工作前后的脉冲波形，发现扰偏器的应用改善了系统的性能。随着系统速率的提高，对扰偏器速率的要求也随之提高，目前市场上扰偏器的速率无法满足160Gb/s光传输系统要求。通过对偏振扰偏器原理的分析，决定采用高速控制电路驱动偏振控制器的方法来实现高速扰偏器的设计。扰偏器采用铌酸锂偏振控制器，其响应时间小于100ns，是目前偏振控制器能够达到的最高速率，但是将其用于160Gb/s高速光通信系统扰偏时，这个速率仍然偏低，因此，提出采用多段铌酸锂晶体并行扰偏的方法，弥补铌酸锂偏振控制器速率低的问题。通过对几种处理器的分析和比较，选择DSP+FPGA作为控制端，DSP芯片用于产生随机数据，FPGA芯片具有丰富的I/O引脚，工作频率高，可以实现大量数据的快速并行输出。这样的方案可以充分发挥DSP和FPGA各自的优势。另外对数模转换芯片也要求响应速度快，本论文以FPGA为核心，完成了FPGA与其它芯片的接口电路设计。在QuartusⅡ集成环境中进行FPGA的开发，使用VHDL语言和原理图输入法进行电路设计。 本文设计的偏振扰偏器在高速控制电路的驱动下，可以实现大量的数据处理，采用多段铌酸锂晶体并行工作的方法，可以提高偏振扰偏器的速率。利用本方案制作的扰偏器具有高扰偏速率，适合应用于160Gb/s光通信系统中进行PMD补偿。
上传时间： 2013-04-24
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该课题通过对开放式数控技术的全面调研和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,结合激光雕刻领域的具体需要,紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势,吸收了世界开放式数控技术和相关运动控制技术的最新成果,采纳了基于DSP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.该论文主要内容如下:首先,通过对制造业、开放式数控系统、运动控制卡等行业现状的全面调研,基于对运动系统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,确定了基于DSP和FPGA的运动控制设计方案,并规划了板卡的总体结构.其次,针对运动控制中的一些具体问题,如高速、高精度、运动平稳性、实时控制以及多轴联动等,在FPGA上设计了功能相互独立的四轴运动控制电路,仔细规划并定义了各个寄存器的具体功能,设计了功能完善的加/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,完全实现了S-曲线升降速运动、自动降速点运动、A/B相编码器倍频计数电路等特殊功能.再次,介绍了DSP在运动控制中的作用,合理规划了DSP指令的形成过程,并对DSP软件的具体实现进行了框架性的设计.然后,根据光电隔离原理设计了数字输入/输出电路;结合DAC原理设计了四路模拟输出电路;实现了PCI接口电路的设计;并针对常见的干扰现象,提出了有效的抗干扰措施.最后,利用运动控制卡强大的运动控制功能,并针对激光雕刻行业进行大幅图形扫描时需要实时处理大量的图形数据的特别需要,在板卡第四轴完全实现了激光控制功能,并基于FPGA内部的16KBit块RAM,开辟了大量数据区以便进行大幅图形的实时处理.
上传时间： 2013-06-09
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用户对宽带无线接入业务、尤其是对于宽带无线化以及移动化的需求日益增加,使无线宽带接入技术WiMAX(World interoperability for Microwave Access,即全球微波接入互操作性技术)应运而生、迅猛发展,成为这两年业界关注的焦点。除了通常的互联网接入应用外,它还将在提供IPTV和VOIP等宽带业务方面取得成功,它还有可能成为一种先进的4G蜂窝电话技术。WiMAX未来将进入蜂窝电话、笔记本电脑和机顶盒等应用中。 本文在介绍WiMAX传输标准802.16d基础上,详细阐述了WiMAX接收机中信道解调芯片中的自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)部分。首先介绍了自动增益控制系统的基本组成和其主要特性指标,通过对一个步进式AGC的分析,得到AGC模型的输出公式。然后针对WiMAX接收机内AGC系统中的模数转换器以及AGC电路进行介绍和理论分析。本文采用SPW(Signal Processing WorkSystem)模型对AGC电路基本结构的算法分析,并结合仿真结果对AGC电路做了详尽解说并对参数进行了解释说明。 最后给出了基于SPW和FPGA(Field Programmable Gate Array)验证的结果。通过SPW对AGC进行了单独的性能测试,并结合整个系统的性能测试来说明AGC可以和系统的其他模块协同工作。在FPGA测试中,可以证明用Verilog实现后AGC也同样能较好的工作。 本文实现的基于导频的步进式的数字AGC是针对WiMAX系统的自动增益控制电路提出的解决方案。此算法结合WiMAX系统的传输方式,提出的算法具有迅速锁定信号的特点,能够满足WiMAX系统的要求。同时,由于各种关键参数设计为寄存器可配的方式,具有很好的灵活性,也就具有了更高的移植性,可以作为一种通用的数字AGC算法。
上传时间： 2013-04-24
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