现场可编程门阵列(FPGA)是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,它结合了微电子技术、电路技术和EDA(Electronics Design Automation)技术。随着它的广泛应用和快速发展,使设计电路的规模和集成度不断提高,同时也带来了电子系统设计方法和设计思想的不断推陈出新。 随着数字电子技术的发展,数字信号处理的理论和技术广泛的应用于通讯、语音处理、计算机和多媒体等领域。离散傅立叶变换(DFT)作为数字信号处理中的基本运算,发挥着重要作用。而快速傅里叶变换(FFT)算法的提出,使离散傅里叶变换的运算量减小了几个数量级,使得数字信号处理的实现变得更加容易。FFT已经成为现代数字信号处理的核心技术之一,因此对FFT算法及其实现方法的研究具有很强的理论和现实意义。 本文主要研究如何利用FPGA实现FFT算法,研制具有自主知识产权的FFT信号处理器。该设计采用高效基-16算法实现了一种4096点FFT复数浮点运算处理器,其蝶形处理单元的基-16运算核采用两级改进的基-4算法级联实现,仅用8个实数乘法器就可实现基-16蝶形单元所需的8次复数乘法运算,在保持处理速度的优势下,比传统的基-16算法节省了75％的乘法器逻辑资源。 在重点研究处理器蝶形单元设计的基础上,本文完成了整个FFT处理器电路的FPGA设计。首先基于对处理器功能和特点的分析,研究了FFT算法的选取和优化,并完成了处理器体系结构的设计；在此基础上,以提高处理器处理速度和减小硬件资源消耗为重点研究了具体的实现方案,完成了1.2万行RTL代码编程,并在XILINX公司提供的ISE 9.1i集成开发环境中实现了处理器各个模块的RTL设计：随后,以XILINX Spartan-3系列FPGA芯片xc3S1000为硬件平台,完成了整个FFT处理器的电路设计实现。 经过仿真验证,本文所设计的FFT处理器芯片运行速度达到了100MHz,占用的FPGA门数为552806,电路的信噪比可以达到50dB以上,达到了高速高性能的设计要求。
上传时间： 2013-04-24
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随着现代工业的高速发展，电力系统的非线性负荷日益增多，严重地污染了电网的环境，威胁着电网中的各种电气设备的安全经济运行，不论从保证电力系统和供电系统的安全经济运行或是从保证设备和人身的安全来看，对谐波污染造成的危害影响加以经常监测和限制都是极为迫切的。谐波测量是谐波治理的重要前提条件，也是分析解决谐波治理问题的基本问题。国内外已有各种谐波检测的研究，形成了多种谐波检测方法，基于快速傅立叶变化的FFT是当前谐波检测中应用最为广泛的一种谐波检测方法。特别是经过技术补偿后的FFT算法，在谐波检测中具有更好的性能。但该方法在实现上主要是采用通用DSP器件(比如TI公司产品)，其实时性不强，影响了检测性能。随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，基于FPGA的数字信号处理具有高速、开发简便、易于形成ASIC等优势而得到了广泛的应用。论文在分析谐波测量方法的基础上，提出了基于FPGA实现电网谐波测量系统。以嵌入式处理器NiosⅡ为核心，实现了电网谐波分析的周期图功率谱分析方法。在整个系统硬件设计的基础上，主要完成了基-28点、16点、32的FFT模块、完成了求模运算模块以及输出显示模块。通过比较仿真得到的方波、正弦信号的谱结构与实际系统输出的谱结构，验证了该实现方法的正确性。
上传时间： 2013-06-30
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软件无线电DDC(数字下变频)系统作为前端ADC与后端通用DSP器件之间的桥梁，通过降低数据流的速率，把低速数据送给后端通用DSP器件进行处理，其性能的优劣将对整个软件无线电系统的稳定性产生直接影响。采用专用DDC芯片完成数字下变频，虽然具有抽取比大、性能稳定等优点，但价格昂贵，灵活性不强，不能充分体现软件无线电的优势。FPGA工艺发展迅速，处理能力大大增强，相对于ASIC、DSP来说具有吞吐量高、开发周期短、可实现在线重构等诸多优势。正因为这些优点，使得FPGA在软件无线电的研究和开发中起着越来越重要的作用。 本次设计的目标是在一块FPGA芯片上实现单通道数字下变频系统。现阶段主要对软件无线电数字下变频器的FPGA实现方法进行了研究分析，重点完成了其主要模块的设计和仿真以及初步的系统级验证。 论文首先对软件无线电数字下变频的国内外现状进行了分析，然后对FPGA实现数字下变频设计的优势作了阐述。在对软件无线电理论基础、数字信号处理的相关知识深入研究的基础上重点研究软件无线电数字下变频技术。对数字下变频的NCO、混频、CIC、HB、FIR模块的实现方法进行深入研究，在：MATLAB中设定整体系统方案、完成模块划分和接口定义，并对部分模块建立数学模型并仿真、对模块的性能进行优化。从数字下变频的系统层次上考虑了各模块彼此问的性能制约，从而选择合理配置、优化系统结构以获得模块间的性能均衡和系统性能的最优化。最后通过使用编写'Verilog程序和调用部分lP Core相结合的方法完成数字下变频各个模块的设计并完成仿真和调试。结果表明设计的思想和结构是正确的，在下一步工作中主要完成系统的板级调试。
上传时间： 2013-04-24
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随着现代计算机技术、微电子技术的进一步结合和发展，可编程逻辑技术已成为当前电子设计领域中最具活力和发展前途的技术。通过采用FPGA/EDA技术，对通信卡的PCI接口、E1接口、外部逻辑电路进行集成，并利用目前通用计算机强大的数字信息处理能力，可大大简化CTI硬件的设计，降低制造成本，提高系统可靠性。 据此，本论文提出了基于FPGA/EDA技术的PCI-E1接口设计方法，文中对PCI总线接口、E1接口及两接口的互连等相关技术进行了深入分析，对各功能模块和系统进行了VHDL建模与仿真。 同时，论文还介绍了基于ALTERACyclone系列FPGA芯片的PCI-E1接口硬件平台的设计原理和基于DriverWorks的WDM驱动程序的设计方法。 本论文涉及的软件、硬件系统已经开发、调试完成。测试结果表明：1、论文所研究的PCI接口(主/从设备)在进行配置读/写、I/O读写、存储器读写及总线的猝发数据传送等操作中，各项性能符合PCI2.3规范的要求。 2、论文所研究的E1接口支持成帧和不成帧两种传输方式：在成帧模式下，信息的有效传送速率为31×64Kbit/s；在不成帧的模式下，信息的有效传送速率为2.048Mbit/s。E1输出口各项参数符合CCITT相关规范要求。 3、论文所研究的PCI-E1接口在与现网设备、模块的对接测试中，性能稳定。基于本论文的产品已经正式发布。国内部分厂家已对该产品进行了多方面的综合测试，并计划将其应用到实际的生产和研究中。 本论文对于CTI硬件的设计是一项尝试和革新。测试和应用证明该方法行之有效，符合设计目标，具有较广阔的应用前景。
上传时间： 2013-04-24
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本文应用EDA技术，基于FPGA器件设计与实现UART，并采用CRC校验。主要工作如下： 1、在异步串行通信电路部分完全用FPGA来实现。选用Xilinx公司的SpartanⅢ系列的XC3S1000来实现异步串行通信的接收、发送和接口控制功能，利用FPGA集成度比较高，具有在线可编程能力，在其完成各种功能的同时，完全可以将串行通信接口构建其中，可根据实际需求分配资源。 2、利用VerilogHDL语言非常容易掌握，功能比VHDL更强大的特点，可以在设计时不断修改程序，来适用不同规模的应用，而且采用Verilog输入法与工艺性无关，利用系统设计时对芯片的要求，施加不同的约束条件，即可设计出实际电路。 3、利用ModelSim仿真工具对程序进行功能仿真和时序仿真，以验证设计是否能获得所期望的功能，确定设计程序配置到逻辑芯片之后是否可以运行，以及程序在目标器件中的时序关系。 4、为保证数据传输的正确性，采用循环冗余校验CRC(CyclicRedundancyCheck)，该编码简单，误判概率低，为了减少硬件成本，降低硬件设计的复杂度，本设计通过CRC算法软件实现。 实验结果表明，基于EDA技术的现场可编程门阵列FPGA集成度高，结构灵活，设计方法多样，开发周期短，调试方便，修改容易，采用FPGA较好地实现了串行数据的通信功能，并对数据作了一定的处理，本设计中为CRC校验。另外，可以利用FPGA的在线可编程特性，对本设计电路进行功能扩展，以满足更高的要求。
上传时间： 2013-04-24
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随着技术的飞速发展，电力电子装置如变频设备、变流设备等容量日益扩大，数量日益增多。由于非线性器件的广泛使用，使得电网中的谐波污染日益严重，给电力系统和各类用电设备带来危害，轻则增加能耗，缩短设备使用寿命，重则造成用电事故，影响安全生产，电力谐波已经成为电力系统的公害。除了传统的滤波方法，例如，无源滤波、改变系统的拓补结构来抑制谐波外，人们已广泛应用有源滤波器(APF)来消除注入电网的谐波，而实现有源滤波策略的前提就是能够实时、精确地检测出谐波电流。谐波检测是谐波研究中的一个重要的分支，是解决其他相关谐波问题的基础，因此进行谐波检测的研究具有重要的理论意义和实用价值。设计一种精度高、实时性好且适用范围宽的谐波电流检测方法是国内外众多学者致力研究的目标。 本文主要从谐波检测理论和实现方法上探讨了高精度、高实时性谐波检测数字系统的相关问题。论文中阐述了电力系统谐波的相关概念和产生原理，并分析了电力谐波的特点，对国内外各种谐波检测方法进行了分析和研究。在检测理论上，本文采用FFT理论来计算谐波含量，研究了Radix-2 FFT在谐波检测中的应用，综述了可编程元器件的发展过程、工艺发展及目前的应用情况，并介绍了一种主流硬件描述语言VHDL。最后以FPGA芯片XC2S200为硬件平台，以ISE6.0为软件平台，利用VHDL语言描述的方式实现了512点16Bit的快速傅立叶变换系统，并进行了仿真、综合等工作。仿真结果表明其计算结果达到了一定的精度，运行速度可以满足一般实时信号处理的要求。
上传时间： 2013-06-02
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随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，尤其是现场可编程器件的出现，为满足实时处理系统的要求，诞生了一种新颖灵活的技术——可重构技术。它采用实时电路重构技术，在运行时根据需要，动态改变系统的电路结构，从而使系统既有硬件优化所能达到的高速度和高效率，又能像软件那样灵活可变，易于升级，从而形成可重构系统。可重构系统的关键在于电路结构可以动态改变，这就需要有合适的可编程逻辑器件作为系统的核心部件来实现这一功能。 论文利用可重构技术和“FD-ARM7TDMLCSOC”实验板的可编程资源实现了一个8位微程序控制的“实验CPU”，将“实验CPU”与实验板上的ARMCPU构成双内核CPU系统，并对双内核CPU系统的工作方式和体系结构进行了初步研究。 首先，文章研究了8位微程序控制CPU的开发实现。通过设计实验CPU的系统逻辑图，来确定该CPU的指令系统，并给出指令的执行流程以及指令编码。“实验CPU”采用的是微程序控制器的方式来进行控制，因此进行了微程序控制器的设计，即微指令编码的设计和微程序编码的设计。为利用可编程资源实现该“实验CPU”，需对“实验CPU”进行VHDL描述。 其次，文章进行了“实验CPU”综合下载与开发。文章中使用“Synplicity733”作为综合工具和“Fastchip3.0”作为开发工具。将“实验CPU”的VHDL描述进行综合以及下载，与实验箱上的ARMCPU构成双内核CPU，实现了基于可重构技术的双内核CPU的系统。根据实验板的具体环境，文章对双内核CPU系统存在的关键问题，如“实验CPU”的内存读写问题、微程序控制器的实现，以及“实验CPU'’框架等进行了改进，并通过在开发工具中添加控制模块和驱动程序来实现系统工作方式的控制。 最后，文章对双核CPU系统进行了功能分析。经分析，该系统中两个CPU内核均可正常运行指令、执行任务。利用实验板上的ARMCPU监视用“实验CPU”的工作情况，如模拟“实验CPU”的内存，实现机器码运行，通过串行口发送的指令来完成单步运行、连续运行、停止、“实验CPU"指令文件传送、“实验CPU"内存修改、内存察看等工作，所有结果可显示在超级终端上。该系统通过利用ARMCPU来监控可重构CPU，研究双核CPU之间的通信，尝试新的体系结构。
上传时间： 2013-04-24
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随着各种非线性电力电子设备的大量应用，电网中的谐波污染日益严重。为了保证电力系统的安全经济运行，保证电气设备和用电人员的安全，治理电磁环境污染、维护绿色环境，研究实时、准确的电力谐波分析系统，对电网中的谐波进行实时检测、分析和监控，都具有重要的理论和工程实际意义。 目前实际应用的电力谐波分析系统大多是以单片机为核心组成。单片机运行速度慢，实时性较差，不能满足实际应用中对系统实时性越来越高的要求。另外，单片机的地址线和数据线位数较少，这使得由单片机构成的电力谐波分析系统外围电路庞大，系统的可靠性和可维护性上都大打折扣。 本文首先研究了电力谐波的产生，危害及国内外研究现状，对电力谐波检测中常用的各种算法进行分析和比较；然后介绍了FPGA芯片的特性和SOPC系统的特点，并分析比较了传统测量谐波装置和基于FPGA的新型谐波测量仪器的特性。综述了可编程元器件的发展过程、主要工艺发展及目前的应用情况。 然后，对整个谐波处理器系统的框架及结构进行描述，包括系统的功能结构分配，外围硬件电路的结构及软件设计流程。其后，针对系统外围硬件电路、FFTIP核设计和SOPC系统的组建，进行详细的分析与设计。系统采用NiosⅡ处理器核和FFT运算协处理器相结合的结构。FFT运算用专门的FFT运算协处理器核完成，使得系统克服的单片机系统实时性差和速度慢的缺点。FFTIP核采用现在ASIC领域的一种主流硬件描述语言VHDL进行编写，采用顺序的处理结构和IEEE浮点标准运算，具有系统简单、占用硬件资源少和高运算精度的优点。谐波分析仪系统组建采用SOPC系统。SOPC系统具有可对硬件剪裁和添加的特点，使得系统的更简单，应用面更广，专用性更强的优点。最后，给出了对系统中各模块进行仿真及系统生成的结果。
上传时间： 2013-04-24
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随着 EDA 技术及微电子技术的飞速发展，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称 FPGA)的性能有了大幅度的提高，FPGA的设计水平也达到了一个新的高度。基于FPGA的嵌入式系统设计为现代电子产品设计带来了更大的灵活性，以Nios Ⅱ软核处理器为核心的SOPC(System on Programmable Chip)系统便是把嵌入式系统应用在FPGA上的典型例子，本文设计的指纹识别模块就是基于FPGA的Nios Ⅱ处理器为核心的SOPC设计。通过IP核技术和灵活的软硬件编程，实现Nios Ⅱ对FPGA外围器件的控制，并对指纹处理算法进行了改进，研究了指纹识别算法到Nios Ⅱ系统的移植。 本文首先阐述了指纹识别模块的SOPC设计方案，然后是对模块的详细设计。在硬件方面，完成了指纹识别模块的 FPGA 硬件设计，包括 FPGA 内部的Nios Ⅱ系统硬件设计和 FPGA 外围电路设计。前者利用 SOPC Builder将Nios Ⅱ处理器、指纹读取接口 UART、键盘与LCD显示接口、FLASH接口、SDRAM控制器构建成NiosⅡ硬件系统，后者是电源和时钟电路、SDRAM存储器电路、FLASH存储器电路、LCD显示电路、指纹传感器电路、FPGA 配置电路这些纯实物硬件设计，给出了设计方法和电路连接图。 在软件方面，包括下面两个内容： 完成 FPGA 外围器件程序设计，实现对外围器件的操作。 深入的研究了指纹识别算法。对指纹图像识别算法中的指纹图像滤波和匹配算法进行了分析，提出了指纹图像增强改进算法和匹配改进算法，通过试验，改进后的指纹图像滤波算法取得了较好的指纹图像增强效果。改进后的匹配算法速度较快，误识率较低。最后研究了指纹识别算法如何在FPGA中的Nios Ⅱ系统的实现。
上传时间： 2013-06-12
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文中简单阐述了红外辐射机理，论述了红外焦平面阵列技术的发展状况。红外成像系统，尤其是红外焦平面阵列，由于探测器材料和制造工艺的原因，各像素点之间的灵敏度存在差别，甚至存在一些缺陷点，各个探测单元特征参数不完全一致，因而存在着较大的非均匀性，降低了图像的分辨率，影响了红外成像系统的有效作用距离。实时非均匀性校正是提高和改善红外图像质量的一项重要技术。 论文建立了描述其非均匀性的数学模型，分析了红外焦平面阵列非均匀性产生的原因及特点，讨论了几种常用的非均匀性校正的方法，指出了其各自的优缺点和适应场合。 根据红外探测器光谱响应的特点和基于参考源的两点温度非均匀性校正理论，采用FPGA+DSP实现红外成像系统实时非均匀性两点校正，设计完成了相应的红外焦平面阵列非均匀性校正硬件电路。对该系统中各个模块的功能及电路实现进行了详细的描述，并给出了相应的结构框图。同时给出了该图像处理器的部分软件流程图。该方法动态范围大而且处理速度快，适用于红外成像系统实时的图像处理场合。实践表明，该方案取得了较为满意的结果。
上传时间： 2013-04-24
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