本文介绍了基于软PLC(Programmable Logic Controller，可编程控制器)的嵌入式技术起源和背景，综述了基于软PLC的嵌入式系统的关键技术和优点，最后介绍了其设计和实现的方法。 基于软PLC的嵌入式系统的研究与实现分为开发系统和运行系统(又称为虚拟机系统)。本文概述了开发系统，其运行于PC机的操作系统如Windows或者Linux等，为用户提供一个大众化的编程环境，它包含编辑器、编译器、连接器、调试器和通信接口几个部分。编辑界面友好，可以让用户方便的使用LD、ST和FBD三种语言编写程序，编译器和连接器将源程序文件编译和连接成虚拟机系统可执行的目标代码文件；分析了开发系统，其中详细描述了编译模块的编制过程，实现了将指令表语言转换为运行系统能够识别的C/C++指令的功能；详细地研究了梯形图转换为指令表语言，以及由指令表语言向梯形图语言的算法和数据结构。调试器借助于虚拟机运行系统提供的服务可完成对应用程序的调试纠错；讨论了uCLinux操作系统和编译调试技术，以及采用ModBus/TCP工业通信协议的通信接口用于开发系统和运行系统之间的通信。 另一方面，本文分析了虚拟机运行系统，它运行于安装了uCLinux的ARM7平台上，包括运行内核模块、系统管理模块和通信接口模块。由于uCLinux没有MMU和本身对实时性没有什么要求，而针对基于软PLC的嵌入式系统的研究与实现要求，本文在对其进行了uCLinux小型化研究的同时探讨了双内核实时性方案，解决了uCLinux实时性不足的问题。运行内核模块调度和执行应用程序并管理时钟。系统管理模块管理系统状态和内存。通信模块用于开发系统及I/O设备通信。在此基础上，对基于软PLC的嵌入式系统的进行了设计与实现，并通过试验将编译的目标代码传递到基于软PLC的嵌入式运行系统中，实现了控制功能，验证了生成目标代码的正确性和开发系统的可行性，实现了编辑界面友好，系统开放，性价比较高的软PLC嵌入式系统，达到了预期的目标，具有一定理论和应用价值。
上传时间： 2013-04-24
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十多年来，随着信息技术、电子技术和通讯技术的发展，嵌入式系统已经获得了空前的应用和发展。随着嵌入式应用系统功能复杂度的提高、对软件产品的非功能约束的特别关注以及由于市场的激烈竞争导致嵌入式软件推出周期的缩短，都使得嵌入式软件开发人员面临着严峻的危机和挑战。传统的结构化开发方法已经显得力不从心，于是嵌入式软件开发人员在软件开发中引入了目前较为流行的“面向对象方法(OO)”，．但是目前对该方法的应用还只是停留在传统的以编程为中心的嵌入式软件开发方法上，不能很好地保证软件复用和代码的重用，因此难以满足市场对嵌入式软件开发效率和开发质量的要求。 本课题的研究内容是应用面向对象方法的框架技术，对嵌入式系统领域的专有结构组件进行封装，创新性地提出了面向嵌入式系统领域的通用实时框架ARTIC(Abstract real-time contrO1)。ARTIC框架除了具有框架的共有优点一最大限度实现软件重用外，最突出的是具备以下两个特点： 1、功能和非功能的分离 在应用面向对象的技术时，传统的嵌入式软件开发方法关注的重点是软件结构和功能分解，、忽略了嵌入式环境下特殊的非功能性要求。为了在实现系统功能需求的同时，保证软件系统的非功能性需求的实现，ARTIC框架引入了面向方面的思想，、把系统的非功能性需求从功能模块中分离出来，为它们单独设计组件。开发人员在应用该框架进行嵌入式软件设计时，只需要关注功能需求的实现，对于实时性、调度等非功能需求的实现可以通过调用ARTIC提供的时间管理模型和任务调度模型直接实现。 2、基于状态机的主动对象设计模式 根据嵌入式系统通常由多个控制线程组成的特点，应用基于状态机的主动对象设计模式，把嵌入式软件系统构建成多个主动对象的缉合。相对于传统的面向对象方法，本文提出的主动对象的最大特点在于：它提供对事件队列、控制线程和表示主动对象动态行为状态机等的封装，并且该模式可以直接支持嵌入式系统的并行性。 ARTIC框架的应用能够帮助嵌入式软件的开发人员快速地开发出高质量的嵌入式软件，除此之外，因为它包含了一个微小的实时操作系统(RTOS) 报包装，在某些场合可以作为一个简易的RTOS使用。为了验证ARTIC的性能，本文将该框架应用于硬币搬送实时控制系统的开发设计，从该系统的应用中充分体现了ARTIC框架的优点。
上传时间： 2013-06-21
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近几年来，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术引起了人们的广泛注意，根据这项新技术，很多相关协议被提出来。其中WiMax(Wireless MetropolitanArea Networks)代表空中接口满足IEEE 802.16标准的宽带无线通信系统，IEEE标准在2004年定义了空中接口的物理层(PHY)，即802.16d协议。该协议规定数据传输采用突发模式，调制方式采用OFDM技术，传输速率较高且实现方便、成本低廉，已经成为首先推广应用的商业化标准。 本文主要对IEEE802.16d OFDM系统物理层进行研究，并在XILINX公司的Virtexpro II芯片上实现了基带算法。 首先讨论了OFDM基本原理及其关键技术。根据IEEE802.16d OFDM系统的物理层发送端流程搭建了基带仿真链路，利用MATLAB/SIMULINK仿真了OFDM系统在有无循环前缀(CP)、多径数目不同等情况下的性能变化。由于同步算法和信道估计算法计算量都很大，为了找到适合采用FPGA实现的算法，分析了同步误差和不同信道估计算法对接收信号的影响，并结合计算量的大小提出了一种新的联合同步算法，以及得出了LS信道估计算法最适合802.16d系统的结论。 其次，完成了基带发射机和接收机的FPGA硬件电路实现。为了使系统的时钟频率更高，采用了流水线的结构。设计中采用编写Verilog程序和使用IP核相结合的办法，实现了新的联合同步算法，并且通过简化结构，避免了信道估计算法中的繁琐除法。利用ISE9. 2i和Modelsim6.Oc软件平台对程序进行设计、综合和仿真，并将仿真结果和MATLAB软件计算结果相对比。结果表明，采用16位数据总线可达到理想的精度。 最后，采用串口通信的方式对基带系统进行了验证。通过串口通信从功能上表明该系统确实可行。 关键词：IEEE802. 16d； OFDM； 同步；信道估计；基带系统
上传时间： 2013-07-31
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随着无线通信技术的不断发展和社会需求的日益增长，对通信系统的传输质量和容量的要求也越来越大。现代通信系统为了追求更高的数据速率和频谱效率，更趋向于采用非恒定包络的调制方式，而非恒定包络调制方式对功率放大器的非线性非常敏感，加上现代通信系统对功率放大器的效率提出了更高的要求，以及功率放大器本身有限的线性度，这就使功率放大器线性化技术成为无线通信系统的关键技术之一。 本文对功率放大器的线性化技术进行了系统的研究。首先，介绍功率放大器的非线性特性、记忆效应产生原理和常见的各种线性化技术，重点研究了目前流行的自适应数字预失真技术原理。其次，介绍了功率放大器的无记忆模型和有记忆模型，以及两种实用的预失真实现方法--查表法和多项式法，在此基础上重点研究了基于QRD_RLS自适应算法的记忆多项式法预失真技术，对该算法进行了Matlab仿真分析，为后面的FPGA实现奠定基础。最后，确定了数字预失真实现的架构，介绍了与QRD_RLS算法实现相关的CORDIC技术、复数Givens旋转及Systolic阵等原理，详细阐述了基于CORDIC技术的复数QRD_RLS算法的Systolic实现，从而在FPGA上实现了数字预失真。 在软件无线电思想的指导下，本文利用System Generator软件完成了基于QRD_RLS算法的记忆多项式法的数字预失真的FPGA设计，并且在硬件平台上检验了预失真效果。
上传时间： 2013-04-24
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随着我国工业和国民经济的快速发展，电网负荷急剧增加，特别是冲击性、非线性负荷所占比重不断加大，使得供电电压发生波动和闪变，严重影响着电网的电能质量。根据国际电工委员会(IEC)电磁兼容(EMC)标准IEC61000-3-7以及国标GB12326-2000，电压波动和闪变己成为衡量电能质量的重要指标。 电压波动和闪变作为衡量电能质量的重要指标，能更直接、迅速地反映出电网的供电质量。然而，目前国内还没有很好的电压波动与闪变测量的数字信号处理方法。为此，论文在深入研究电压波动和闪变测量技术的基础上，提出一种基于Simulink/DSP Builder的数字信号处理的FPGA设计方法，利用DSP Builder工具将Simulink的模型文件(．mdl)转化成通用的硬件描述语言VHDL文件，避免了VHDL语言手动编写系统的烦琐过程，从而能够将更多精力集中于系统算法的优化上。该方法充分利用Matlab/Simulink系统建模的优势，同时也能够发挥FPGA并行执行速度快、测量精度高的优点。 论文首先介绍了电压波动和闪变的基木概念、特征量，阐述了电压波动与闪变的测量原理，分析比较了现有测量方法和装置的特点和优劣。然后依据电压波动与闪变测量的IEC标准以及国家标准，在对电压波动与闪变测量模拟仿真的基础上研究其数字化实现方法，即采用数字滤波的方式在Simulink/DSP Builder工具下设计电压波动与闪变测量系统的数字模型。同时在ModelSim SE6.1d软件下进行了系统功能仿真，并且在Altera公司的FPGA设计软件QuartusⅡ6.0下进行了系统时序仿真。 仿真结果表明，基于Simulink/DSP Builder窗口化的数字信号处理的FPGA设计方案，设计简单、快捷高效，能够满足电压波动和闪变测量最初的系统设计要求，为进一步从事电压波动和闪变测量研究提供了一种全新的设计理念，具有一定的理论与现实意义。
上传时间： 2013-07-10
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图像是人类智能活动重要的信息来源之一，是人类相互交流和认识世界的主要媒体。随着信息高速公路、数字地球概念的提出，人们对图像处理技术的需求与日剧增，同时VLSI技术的发展给图像处理技术的应用提供了广阔的平台。图像处理技术是图像识别和分析的基础，所以图像处理技术对整个图像工程来说就非常重要，对图像处理技术的实现的研究也就具有重要的理论意义与实用价值，包括对传统算法的改进和硬件实现的研究。仿生算法的兴起为图像处理问题的解决提供了一条十分有效的新途径；FPGA技术的发展为图像处理的硬件实现提供了有效的平台。 @@ 本文在详细介绍邻域图像处理算法及其数据结构、遗传算法和蚁群算法基本原理的基础上，将其应用于图像增强和图像分割的图像处理问题之中，并将其用FPGA技术实现。论文中采用遗传算法自适应的确定非线性变换函数的参数对图像进行增强，在采用FPGA来实现的过程中先对系统进行模块划分，主要分为初始化模块、选择模块、适应度模块、控制模块等，然后利用VHDL语言描述各个功能模块，为了提高设计效率，利用IP核进行存储器设计，利用DSP Builder进行数学运算处理。时序控制是整个系统设计的核心，为尽量避免毛刺现象，各模块的时序控制都是采用单进程的Moore状态机实现的。在图像分割环节中，图像分割问题转换为求图像的最大熵问题，采用蚁群算法对改进的最大熵确定的适应度函数进行优化，并对基于FPGA和蚁群算法实现图像分割的各个模块设计进行了详细介绍。 @@ 对实验结果进行分析表明遗传算法和蚁群算法在数字图像处理中的使用明显改善了处理的效果，在利用FPGA实现遗传算法和蚁群算法的整个设计过程中由于充分发挥了FPGA的并行计算能力及流水线技术的应用，大大提高算法的运行速度。 @@关键词：图像处理；遗传算法；蚁群算法；FPGA
上传时间： 2013-06-03
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随着中国二代导航系统的建设，卫星导航的应用将普及到各个行业，具有自主知识产权的卫星导航接收机的研究与设计是该领域的一个研究热点。在接收机的设计中，对于成熟技术将利用ASIC芯片进行批量生产，该芯片是专用芯片，一旦制造成型不能改变。但是对于正在研究的接收机技术，特别是在需要利用接收机平台进行提高接收机性能研究时，利用FPGA通用可编程门阵列芯片是非常方便的。在FPGA上的研究成果，一旦成熟可以很方便的移植到ASIC芯片，进行批量生产。本课题就是基于FPGA研究GPS并行捕获技术的硬件电路，着重进行了其中一个捕获通道的设计和实现。 GPS信号捕获时间是影响GPS接收机性能的一个关键因素，尤其是在高动态和实时性要求高的应用中或者对弱GPS信号的捕获方面。因此，本文在滑动相关法基础上引出了基于FFT的并行快速捕获方法，采用自顶向下的方法对系统进行总体功能划分和结构设计，并采用自底向上的方法对系统进行功能实现和验证。 本课题以Xilinx公司的Spartan3E开发板为硬件开发平台，以ISE9.2i为软件开发平台，采用Verilog HDL编程实现该系统。并利用Nemerix公司的GPS射频芯片NJ1006A设计制作了GPS中频信号产生平台。该平台可实时地输出采样频率为16.367MHz的GPS数字中频信号。 本课题主要是基于采样率变换和FFT实现对GPS C/A码的捕获。该算法利用平均采样的方法，将信号的采样率降低到1.024 MHz，在低采样率下利用成熟的1024点FFT IP核对C/A码进行粗捕，给出GPS信号的码相位(精度大约为1/4码片)和载波的多普勒频率，符合GPS后续跟踪的要求。 同时，由于FFT算法是以资源换取时间的方法来提高GPS捕获速度的，所以在设计时，合理地采用FPGA设计思想与技巧优化系统。基于实用性的要求，详细的给出了基于FFT的GPS并行捕获各个模块的实现原理、实现结构以及仿真结果。并达到降低系统硬件资源，能够快速、高效地实现对GPS C/A码捕获的要求。 本研究是导航研究所承担的国家863课题“利用多径信号提高GNSS接收机性能的新技术研究”中关于接收机信号捕获算法的一部分，对接收机的设计具有一定的参考价值。
上传时间： 2013-07-22
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数字视频监控技术无论是在军事领域还是在民用领域，都有着重要的作用和广泛的应用市场及前景。迫切的军用和民用需求，推动着视频监控技术持续而迅猛的发展。为了提高监控视频的图像质量，使设备小型化，以便能满足各种条件下的适用场合，目前基于FPGA的数字视频侦察监控系统已成为一种主流的解决方案。 本文设计了一种可以在战场上使用的数字视频侦察监控系统。该系统配备了12路摄像头，当侦察车或者装甲车在向前进的时候，可以做到对周围的环境全方位的侦察监控，从而对判断战场的情况起到了巨大的作用。 本文首先介绍了数字视频监控技术的发展与现状，视频数据的产生以及接收特性和FPGA技术的基本概念，在此基础上研究了视频信号的组成方式、VGA、DVI显示接口以及显示器的工作原理，分析了采用FPGA实现整个系统的可能性。接着，在充分考虑了要求达到的标准以后，选用了视频解码芯片SAA7111A、视频编码芯片ADV7125、DVI发送芯片TFP410、CY7C1061AV33型SRAM以及EP2C35FBGA672型FPGA芯片应用于硬件电路设计。然后设计出电路原理图以及PCB版图。最后，根据系统工作要求，本文设计了FPGA系统中的片内逻辑模块，包括视频采集缓冲异步FIFO（先进先出）模块、I2C总线配置模块、视频帧存控制模块、VGA视频显示模块、DVI视频显示模块等。在此基础上完成了系统软硬件调试，最终成功的实现了12路摄像头的切换显示和对周围环境的全方位监控，达到了预定的设计目标。
上传时间： 2013-07-30
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矩阵运算是描述许多工程问题中不可缺少的数学关系，矩阵运算具有执行效率好、速度快、集成度高等优点，并且随着动态可配置技术的发展，灵活性也有了很大的提高。因此，寻找矩阵运算的高速实现方法是具有很大的现实意义，能够为高速运算应用提供技术支持。 为了提高研究成果的实用性与商用性，本文主要针对某种体积小、运算速度和性能要求很高的特殊场合设计并实现基于FPGA的矩阵运算功能。通过系统地研究FPGA功能结构、设计原理、DSP接口、IEEE-754标准，深入学习浮点数及矩阵的基础运算以及硬件编程语言等内容，根据矩阵运算的特点和原理，讨论了硬件设计方面重点对具体核心器件结构、特点以及有关FPGA的设计流程和控制器Verilog HDL硬件编程语言代码方面内容，确定了基于FPGA浮点运算及矩阵运算单元的Verilog HDL设计方法，在Quartus II平台上对其仿真、记录运算结果，并对采集到的数据结果进行了深入分析与总结。 本设计通过几种矩阵算法利用FPGA和MATLAB分别进行了实现测试，验证了设计结果的正确性，证明了本设计中矩阵运算速率的实用性与高效性，提高了系统资源利用率和系统可靠性，为今后在工程、军事、通讯等生产生活各个领域应用打下良好基础。
上传时间： 2013-07-07
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互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术(即如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪)的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。因此，对GPS核心技术的研究是非常紧迫的。 本文首先介绍了GPS的定位原理，之后阐述了GPS接收机的基本原理一直接扩频通信和GPS信号的结构与特性。从这些方面出发研究接收机基带处理器的捕获与跟踪设计方案。 设计过程中，先详细分析了滑动相关的捕获算法和基于FFT的快速捕获算法，并利用matlab进行了验证。由于前者灵活性好且可捕获到高精度的码相位和载波频率，适合于本文的硬件接收机，所以本文确定了滑动相关的捕获方案。 接着分析了跟踪环路的特点，跟踪模块采用码跟踪环和载波跟踪环耦合的方法实现。由于GPS系统通常工作在非常低的信噪比环境中，而非相干环在低信噪比下环路跟踪性能较好，所以码跟踪环采用非相干(DDLL)环实现。这种跟踪环路采用的鉴相器是能量鉴相器，对数据的调制和载波相位都不敏感，鉴相器不会产生不确定量。由于输入信号存在180°相位翻转，而COSTAS锁相环允许数据调制，对I支路和Q支路信号的180°相位翻转不敏感，所以载波跟踪环采用COSTAS锁相环实现。上述算法在matlab环境下得到了验证。 基带处理器电路的主要模块在Quartus II8.0开发平台上利用VHDL硬件描述语言实现。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g进行了逻辑仿真。本设计满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 最后，由于在弱电磁环境下，捕获失锁后32PPS信号会丢失。所以设计了一个能授时和守时的算法去得到与GPS时同步的精确授时秒信号。并且实现了这个算法。
上传时间： 2013-04-24
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