人脸识别技术继指纹识别、虹膜识别以及声音识别等生物识别技术之后，以其独特的方便、经济及准确性而越来越受到世人的瞩目。作为人脸识别系统的重要环节—人脸检测，随着研究的深入和应用的扩大，在视频会议、图像检索、出入口控制以及智能人机交互等领域有着重要的应用前景，发展速度异常迅猛。 FPGA的制造技术不断发展，它的功能、应用和可靠性逐渐增加，在各个行业也显现出自身的优势。FPGA允许用户根据自己的需要来建立自己的模块，为用户的升级和改进留下广阔的空间。并且速度更高，密度也更大，其设计方法的灵活性降低了整个系统的开发成本，FPGA 设计成为电子自动化设计行业不可缺少的方法。 本文从人脸检测算法入手，总结基于FPGA上的嵌入式系统设计方法，使用IBM的Coreconnect挂接自定义模块技术。经过训练分类器、定点化、以及硬件加速等方法后，能够使人脸检测系统在基于Xilinx的Virtex II Pro开发板上平台上，达到实时的检测效果。本文工作和成果可以具体描述如下： 1. 算法分析：对于人脸检测算法，首先确保的是检测率的准确性程度。本文所采用的是基于Paul Viola和Michael J.Jones提出的一种基于Adaboost算法的人脸检测方法。算法中较多的是积分图的特征值计算，这便于进一步的硬件设计。同时对检测算法进行耗时分析确定运行速度的瓶颈。 2. 软硬件功能划分：这一步考虑市场可以提供的资源状况，又要考虑系统成本、开发时间等诸多因素。Xilinx公司提供的Virtex II Pro开发板，在上面有可以供利用的Power PC处理器、可扩展的存储器、I/O接口、总线及数据通道等，通过分析可以对算法进行细致的划分，实现需要加速的模块。 3. 定点化：在Adaboost算法中，需要进行大量的浮点计算。这里采用的方法是直接对数据位进行操作它提取指数和尾数，然后对尾数执行移位操作。 4. 改进检测用的级联分类器的训练，提出可以迅速提高分类能力、特征数量大大减小的一种训练方法。 5. 最后对系统的整体进行了验证。实验表明，在视频输入输出接入的同时，人脸检测能够达到17fps的检测速度，并且获得了很好的检测率以及较低的误检率。
上传时间： 2013-07-01
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串行数字接口SDI是目前使用最广泛的数字视频接口。它是遵循SMPTE-259M和EBtJ-Tech-3267标准制定的，己经被世界上众多数字视频设备生产厂家普遍采纳并作为标准视频接口，主要用在非线性编辑系统、视频服务器、虚拟演播室以及数字切换矩阵和数字光端机等场合。 以往的SDI接口在实现方法上有成本高、灵活性低等缺点，针对这些不足，本文在研究串行数字接口工作原理的基础上，提出了一种基于FPGA的标清串行数字接口(SD-SDI)的设计方案，并使用SOPC Builder构成一个Nios II处理器系统，将SDI接口以IP核形式嵌入到FPGA内部，从而提高系统的集成度，使之具有视频数据处理速度快、实时性强、性价比高的特点。具体研究内容包括： 1.在分析SDI接口的硬件结构和工作原理的基础上，提出了串行数字接口的嵌入式系统设计方法，完成了SDI接口卡的FPGA芯片内部配置以及驱动电路、均衡电路、电源电路等硬件电路设计。 2.采用软逻辑方法实现SDI接口的传输功能，进行了具体的模块化设计与仿真。 3.引入Nios II嵌入式软核处理器对数据进行处理，设计了视频图像数据的采集程序。 该传输系统以Altera公司的Cyclone II EP2C35F672C8为核心芯片，通过发送和接收电路的共同作用，能够完成标清数字视频信号的传输，初步确立了以SDI接口为数据源的视频信号传输系统的整体模式和框架。
上传时间： 2013-07-31
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本文以研究嵌入式微处理器为主，自主地设计了能够运行MCS-51系列单片机指令的MCU系统。系统采用了VHDL 语言与原理框图的综合设计方法，并且在Altera公司的FPGA上通过验证。论文深入地研究了微处理器的指令系统和数据地址通路，采用VHDL 语言完成了取指单元，指令译码器单元，存储器单元和逻辑运算单元的电路模块的设计与实现；研究了控制单元的实现方法和基于全局状态机的设计理论，采用硬件描述语言完成了对各个控制线的相关设计与实现。论文通过原理示意图和示例代码的演示，着重介绍了指令译码器的实现方式，基于此种方式形成的译码电路还能够实现更为复杂的CISC指令。 本系统采用分模块的设计方式，把具有相同功能的逻辑电路集中到一个框图里，使得系统的可移植性大大地提高。系统还采用层次框图的设计方式，把明显地具有主从关系的电路放在不同的层次里，这也使得系统模块功能的可扩展性大大地增强。内部逻辑共分为数据存储器模块；程序存储器模块；时序控制模块；特殊功能寄存器模块和Core核心模块这五个部分，文中对各个模块的设计作了详细的介绍。本文在最后对已实现的部分典型指令进行了逻辑仿真测试，测试结果表明，本文所设计的MCU系统能够如预期地执行相应的指令。在指令执行的过程中，相应寄存器和总线上的值也均符合设计要求，实现了设计目标。
上传时间： 2013-05-20
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基于FPGA的智能小车系统就是本地计算机通过接入Internet小车实现对远端工作现场、危险工作地段等特殊环境进行监视和控制的系统。智能小车是智能行走机器人的一种，这种智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，可以在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务。适用于国防及民用多个领域。整个系统以遥控小车装置为基础，通过配置在上面的摄像头实现图像的采集及对行车道的检测，通过配置的红外测温仪探测环境和目标的温度，具有一定的智能性。其明显的优点是可以通过网络远程控制小车运行及采集现场的温度、图像等相关信息，完成人类在特定条件下无法完成的工作。对人类的科学研究、探索未知领域、远程监控等有着重要的意义。 论文在深入研究SOPC和嵌入式操作系统的基础上，提出了基于FPGA的智能小车远程监控方案。采用FPGA来实现，可以充分利用现有的IP核，功能扩展容易，设计开发成本低，上市时间快，修改方便，甚至可以远程重构系统。与单片机相比，集成度高，可靠性好，调试和维护方便。 论文主要内容包括以下几个部分：在对智能小车功能分析的基础上，设计了硬件系统，并在FPGA上构建了基于Nios Ⅱ的嵌入式系统，配置了SPI、串行口和以太网接口模块和驱动程序，以及各种存储器。移植了μClinux操作系统，配置嵌入式Web服务器，编写CGI程序，设计了动态网页；并对行车道检测系统进行了研究，在DSP Builder中构建了该模块，并在Matlab中进行了仿真。在研究数码相机模块和红外测温模块的基础上，编写了图像采集和温度测量程序以及小车运动控制程序，并对系统进行了调试，初步达到通过Internet实现远程监控的目的。
上传时间： 2013-05-24
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单片微型计算机(单片机)是将微处理器CPU、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、输入/输出并行接口等集成在一起。由于单片机具有专门为嵌入式系统设计的体系结构与指令系统，所以它最能满足嵌入式系统的应用要求。Intel公司生产的MCS-51系列单片机是我国目前应用最广的单片机之一。 随着可编程逻辑器件设计技术的发展，每个逻辑器件中门电路的数量越来越多，一个逻辑器件就可以完成本来要由很多分立逻辑器件和存储芯片完成的功能。这样做减少了系统的功耗和成本，提高了性能和可靠性。FPGA就是目前最受欢迎的可编程逻辑器件之一。IP核是将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块，设计成可修改参数的模块，让其他用户可以直接调用这些模块，这样就大大减轻了工程师的负担，避免重复劳动。随着FPGA的规模越来越大，设计越来越复杂，使用IP核是一个发展趋势。 本课题结合FPGA与8051单片机的优点，主要针对以下三个方面研究： (1)FPGA开发平台的硬件实现选用Xilinx公司的XC3S500E-PQ208-4-C作为核心器件，采用Intel公司的EEPROM芯片2816A和SRAM芯片6116作为片内程序存储器，搭建FPGA的硬件开发平台。 (2)用VHDL语言实现8051IP核分析研究8051系列单片机内部各模块结构以及各部分的连接关系，实现了基于FPGA的8051IP核。主要包括如下几个模块：CPU模块、片内数据存储器模块、定时/计数器模块、并行端口模块、串行端口模块、中断处理模块、同步复位模块等。 (3)基于FPGA的8051IP核应用用所设计的8051IP核，实现了对一个4×4键盘的监测扫描、键盘确认、按键识别等应用。
上传时间： 2013-06-21
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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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论文提出了一种基于FPSLIC的下位机控制器系统设计，并且在嵌入式硬件和软件的联合调度之下予以实现，并将该系统应用于微小型无人直升机MUAV控制上。 微小型无人直升机体积小、重量轻、隐蔽性好、机动性强、易实现悬停和超低空飞行，因此在军用和民用领域都有广泛的应用前景。微小型无人直升机在空中执行任务时需要实时获得在空间的姿态和高度位置信息，然后通过调制舵机状态来调整飞行器的空中姿态，纠正飞行路线，而MUAV的飞控系统需要具有负荷轻，功能强大，实时性强以及低功耗的特点，对嵌入式处理器要求较高，所以针对MUAV的控制采用上下位机联合控制的结构。并且由于目前现有的下位机控制器满足不了MUAV控制发展的需求，所以本文中利用FPS[JC优越的性能，实现了一种新的下位机控制器的设计，具有体积小、重量轻、价格低、功耗低、实时性强、可靠性高、扩展性好等优点的同时，完成了基于PWM的舵机的控制和基于Kalman滤波的多传感器的数据融合，以及上下位机之间的通讯等功能，具有较强的使用和应用价值。 论文首先介绍了MUAV飞行控制的结构，以及下位机实现功能的模块划分。然后是对MUAV控制系统相关理论的介绍，包括舵机控制的原理和方法以及多传感器数据融合的理论。 其次论文介绍了基于FPSLIC的下位机控制器系统的软硬件设计。在硬件设计上，给出了硬件总体设计方案，并对各个功能模块进行了详细论述，软件部分在给出了主要的框架和功能划分后，主要介绍了利用FPSLIC的FPGA部分实现PWM控制和测量的模块以及AVR部分对多传感器信息进行Kalman滤波融合的实现。 最后在实验室的汽油无人直升机的测试平台上进行了舵机控制和高度测试实验，取得了满意的实验结果。
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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H.264作为新一代视频编码标准，相比上一代视频编码标准MPEG2，在相同画质下，平均节约64﹪的码流。该标准仅设定了码流的语法结构和解码器结构，实现灵活性极大，其规定了三个档次，每个档次支持一组特定的编码功能，并支持一类特定的应用，因此。H.264的编码器的设计可以根据需求的不同而不同。 H.264虽然具有优异的压缩性能，但是其复杂度却比一般编码器高的多。本文对H.264进行了编码复杂度分析，并统计了整个软件编码中计算量的分布。H.264中采用了率失真优化算法，提高了帧内预测编码的效率。在该算法下进行帧内预测时，为了得到一个宏块的预测模式，需要进行592次率失真代价计算。因此为了降低帧内预测模式选择的计算复杂度，本文改进了帧内预测模式选择算法。实践证明，在PSNR值的损失可以忽略不计的情况下，该算法相比原算法，帧内编码时间平均节约60﹪以上，对编码的实时性有较大帮助。 为了实现实时编码，考虑到FPGA的高效运算速度和使用灵活性，本文还研究了H.264编码器基本档次的FPGA实现。首先研究了H.264编码器硬件实现架构，并对影响编码速度，且具有硬件实现优越性的几个重要部分进行了算法研究和FPGA.实现。本文主要研究了H.264编码器中整数DCT变换、量化、Zig-Zag扫描、CAVLC编码以及反量化、逆整数DCT变换等部分。分别对这些模块进行了综合和时序仿真，并将验证后通过的系统模块下载到Xilinx virtex-Ⅱ Pro的FPGA中，进行了在线测试，验证了该系统对输入的残差数据实时压缩编码的功能。 本文对H.264编码器帧内预测模式选择算法的改进，算法实现简单，对软件编码的实时性有很大帮助。本文对在单片FPGA上实现H.264编码器做出了探索性尝试，这对H.264编码器芯片的设计有着积极的借鉴性。
上传时间： 2013-06-13
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随着科学技术的发展与公共安全保障需求的提高，视频监控系统在工业生产、日常生活、警备与军事方面的应用越来越广泛。采用基于 FPGA 的SOPC技术、H．264压缩编码技术和网络传输控制技术实现网络视频监控系统，在稳定性、功能、成本与扩展性等方面都有着突出的优势，具有重要的学术意义与实用意义， 本课题所设计的网络视频监控系统由以Nios Ⅱ为核心的嵌入式图像服务器、相关网络设备与若干PC机客户端组成。嵌入式图像服务器实时采集图像，采用H．264 编码算法进行压缩，并持续监听网络。PC机客户端可通过网络对服务器进行远程访问，接收编码数据，使用H．264解码算法重建图像并实时显示，使监控人员有效地掌握现场情况， 在嵌入式图像服务器设计阶段，本文首先进行了芯片选型与开发平台选择。然后构建图像采集子系统，采用双缓存乒乓交换的方法设计图像采集用户自定义模块。接着设计双Nios Ⅱ架构的SOPC系统，阐述了双软核设计中定制连接、内存芯片共享、数据搬移、通信与互斥的解决方法。同时完成了网络服务器的设计，采用μC/OS-Ⅱ进行多任务的管理与调度， H．264视频压缩编解码算法设计与实现是本文的重点。文中首先分析H．264．标准，规划编解码器结构。接着设计了16×16帧内预测算法，并设计宏块扫描方式，采用两次判决策略进行预测模式选择。然后设计4×4子块扫描方式，编写整数变换与量化算法程序。熵编码采用Exp-Golomb编码与CAVLC相结合的方案，针对除拖尾系数之外的非零系数值编码子算法，实现了一种基于表示范围判别的编码方法。最后设计了网络传输的码流组成格式，并针对编码算法设计相应解码算法。使用VC++完成算法验证，并进行测试，观察不同参数下压缩率与失真度的变化。 算法验证完成后，本文进行了PC机客户端设计，使其具有远程访问、H．264解码与实时显示的功能。同时将H．264 编码算法程序移植到NiosⅡ中，并将嵌入式图像服务器与若干客户端接入网络进行联合调试，构建完整的网络视频监控系统， 实验结果表明，本系统视频压缩率高，监控图像质量良好，充分证明了系统软硬件与图像编解码算法设计成功。本系统具有成本低、扩展性好及适用范围广等优点，发展前景十分广阔。
上传时间： 2013-04-24
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