随着Internet的不断发展，人们希望日常生活中所用到的嵌入式设备都能够很方便地实现Intemet接入，这对嵌入式系统设计提出了新的挑战，要求低成本、多功能、高性能。这些是目前嵌入式系统设计的热点。 可编程逻辑器件FPGA在过去的几十年中取得了飞速发展，从最初的几千门到现在的几百万门，可靠性与集成度不断提高，而功耗和成本却在不断降低，具有很高的性价比。再加上开发周期短、对开发人员的要求相对较低的优点，因此被大量应用于嵌入式系统设计中。 本文是基于FPGA高性价比、可灵活配置的特点，也是当前流行的“微控制器+FPGA”的嵌入式系统设计方式，所以我们提出了基于FPGA的实现方案。本文通过在FPGA中硬件实现嵌入式TCP/IP协议(包括UDP、IP、ARP、TCP等网络协议)以及以太网MAC协议，并提供标准MII接口，通过外接PHY实现网络连接。最终成功地通过了验证。 基于FPGA的实现可以有效地降低成本，同时可以在其中集成其他功能模块，提高整个系统的集成度，减小PCB版图面积和布线复杂度，有利于提高系统可靠性。因此，本研究课题对嵌入式系统设计有很大的实用价值。
上传时间： 2013-04-24
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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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随着计算机技术和通信技术的迅速发展，数字视频在信息社会中发挥着越来越重要的作用，视频传输系统已经被广泛应用于交通管理、工业监控、广播电视、银行、商场等多个领域。同时，FPGA单片规模的不断扩大，在FPGA芯片内部实现复杂的数字信号处理系统也成为现实，因此采用FPGA实现视频压缩和传输已成为一种最佳选择。 本文将视频压缩技术和光纤传输技术相结合，设计了一种基于无损压缩算法的多路数字视频光纤传输系统，系统利用时分复用和无损压缩技术，采用串行数字视频传输的方式，可在一根光纤中同时传输8路以上视频信号。系统在总体设计时，确定了基于FPGA的设计方案，采用ADI公司的AD9280和AD9708芯片实现A/D转换和D/A转换，在FPGA里实现系统的时分复用/解复用、视频数据压缩/解压缩和线路码编解码，利用光收发一体模块实现电光转换和光电转换。视频压缩采用LZW无损压缩算法，用Verilog语言设计了压缩模块和解压缩模块，利用Xilinx公司的IP核生成工具Core Generator生成FIFO来缓存压缩/解压缩单元的输入输出数据，光纤线路码采用CIMT码，设计了编解码模块，解码过程中，利用数字锁相环来实现发射与接收的帧同步，在ISE8.2和Modelsim仿真环境下对FPGA模块进行了功能仿真和时序仿真，并在Spartan-3E开发板和视频扩展板上完成了系统的硬件调试与验证工作，实验证明，系统工作稳定，图像清晰，实时传输效果好，可用于交通、安防、工业监控等多个领域。 本文将视频压缩和线路码编解码在FPGA里实现，利用FPGA的并行处理优势，大大提高了系统的处理速度，使系统具有集成度高、灵活性强、调试方便、抗干扰能力强、易于升级等特点。
上传时间： 2013-06-27
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智能化住宅小区，是指在一定范围内通过有效的传输网络，将多元住处服务、物业管理、安防以及住宅智能化等系统结合在一起，为该小区的服务与管理提供高技术的智能化手段。从而实现快捷高效的超值服务管理和安全舒适的家居环境，使业主生活得更安全、更方便。 随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术的迅速发展，促进了智能小区在我国的推广和应用。目前这些小区的智能化建设大多数是采用Lonworks、FF等现场总线技术。但是现场总线协议标准化程度还不成熟，且成本较高。随着宽带Internet进入家庭，利用Internet来构建智能小区已成为大势所趋。 本文介绍了一种基于以太网和FPGA的嵌入式智能小区管理系统的组建方法。首先，以Altera的FPGA为核心，通过在外围添加适当的存储设备和通信接口设备，构成一个嵌入式系统的硬件平台。其次，在此平台的基础上，通过在FPGA中定制Nios Ⅱ软核处理器以及在外围的Flash存储器中下载uClinux操作系统，从而构建出一套资源丰富的嵌入式操作系统。该系统带有一个网络功能齐全的Web服务器。最后，将此操作系统作为智能小区的楼宇集中器，再根据需要配置适当的采集器和显示器，就可以组建成一套功能强大的智能小区管理系统。它可以完成图像抄表、定时图像采集、实时温度监控、楼宇广播、智能语音报警等功能。 这种利用当前流行的嵌入式系统来组建的智能小区管理系统，不但实现简单、功能强大；而且节约布线、成本低廉。因此具有很高的性价比，相信在未来有较大的市场潜力。 本文主要包括如下几个部分：系统硬件结构设计，包括系统的原理图构建和PCB板的绘制：系统核心处理器设计，包括Nios Ⅱ软核CPU的设计方法、外围存储和通信器件的添加及设计方法；嵌入式操作系统uClinux的相关知识及移植方法：系统的软件结构设计，包括图像采集、温度采集、LCD显示等CGI程序设计，以及单片机语音报警程序设计等；最后给出了调试情况以及一些试验结果。
上传时间： 2013-04-24
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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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一般由信源发出的数字基带信号含有丰富的低频分量，甚至直流分量，这些信号往往不宜直接用于传输，易产生码间干扰进而直接影响传输的可靠性，因而要对其进行编码以便传输。传统的井下信号在传输过程中普遍采用曼彻斯特码的编解码方式，而该方式的地面解码电路复杂。FPGA(现场可编程门阵列)作为一种新兴的可编程逻辑器件，具有较高的集成度，能将编解码电路集成在一片芯片上，而HDB3码(三阶高密度双极性码)具有解码规则简单，无直流，低频成份少，可打破长连0和提取同步方便等优点。基于上述情况，本文提出了基于FPGA的}tDB3编译码设计方案。 该研究的总体设计方案包括用MATLAB进行HDB3编译码算法的验证，基于FPGA的HDB3码编译码设计与仿真，结果分析与比较三大部分。为了保证该设计的可靠性，首先是进行编译码的算法验证；其次通过在FPGA的集成设计环境QuartusⅡ软件中完成HDB3码的编译、综合、仿真等步骤，通过下载电缆下载到特定的FPGA芯片上，用逻辑分析仪进行时序仿真；最后将算法验证结果与仿真结果作一对比，分析该研究的可行性与可靠性。 研究表明，基于FPGA的HDB3编译码设计具有体积小，译码简单，编程灵活，集成度高，可靠等优点。
上传时间： 2013-05-26
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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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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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随着科学技术的发展，指纹识别技术被广泛应用到各种不同的领域。对于一般的指纹识别系统，其设计要求具有很高的实时性和易用性，因此识别算法应该具有较低的复杂度，较快的运算速度，从而满足实时性的要求。所以有必要根据不同的识别算法采用不同的实现平台，使得指纹识别系统具有较高的可靠性、实时性、有效性等性能要求。 SOPC片上可编程系统和嵌入式系统是当前电子设计领域中最热门的概念。NiosⅡ是Altera．公司开发的一种采用流水线技术、单指令流的RISC嵌入式处理器软核，可以将它嵌入到FPGA内部，与用户自定义逻辑组建成一个基于FPGA的片上专用系统。 本文在综合考虑各种应用情况的基础上，以网络技术、数据库技术、指纹识别技术和嵌入式系统技术为理论基础，提出了一种有效可行的系统架构方案。对指纹识别技术中各个环节的算法和原理进行了深入研究，合理的改进了部分指纹识别算法；同时为了提高系统的实时性，采用NiosⅡ嵌入式处理器和FPGA硬件模块实现指纹图像处理主要算法。论文主要包括以下几个方面： 1、对指纹图像预处理、特征提取和特征匹配算法原理进行阐述，同时改进了指纹图像的细化算法，提高了算法的性能，并设计了一套实用的指纹特征数据结构； 2、针对指纹图像预处理模块，包括图像的归一化、频率提取、方向提取以及方向滤波，采用基于FPGA的硬件电路的方式实现。实验结果表明，在保证系统误识率较低、可靠性高的基础上，大大提高了系统的执行速度； 3、改变了传统的单枚指纹识别方法，提出采用多枚指纹唯一标识身份，大大降低了识别系统的误识率； 4、改进了传统的基于三角形匹配中获取基准点的方法，同时结合可变界限盒思想进行指纹特征匹配。 5、结合COM+技术、数据库技术和网络技术，开发了后台指纹特征匹配服务系统，实现了嵌入式指纹识别系统同数据库的实时信息交换。 实验结果表明，本文所提出的系统构架方案有效可行，基于FPGA的自动指纹识别系统在速度、功耗、扩展性等方面具有独特的优势，拥有广阔的发展前景。
上传时间： 2013-08-04
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随着数字电子技术的发展，数字信号处理技术广泛应用于通讯、语音处理、计算机和多媒体等领域。快速傅里叶变换FFT作为数字信号处理的核心技术之一，使离散傅里叶变换的运算时间缩短了几个数量级。 现场可编程门阵列FPGA是近年来迅速发展起来的新型可编程器件。随着它的不断应用，使电子设计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。 本文主要研究如何利用FPGA实现FFT处理器，包括算法选取、算法验证、系统结构设计、各个模块设计、FPGA实现和测试整个流程。设计采用基－2按时间抽取算法，以XILINX公司提供的ISE6.1为软件平台，利用Verilog HDL描述的方式实现了512点16bits复数块浮点结构的FFT系统，并以FPGA芯片VirtexⅡXC2V1000为硬件平台，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，运算速度可以满足一般实时信号处理的要求。
上传时间： 2013-04-24
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