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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对弓网故障的检测在列车提速的今天显得尤其重要，原始故障图像数据量的巨大使实时存储和传输故障图像极其困难。JPEG作为一种低复杂度、高压缩比的图像压缩标准在多媒体、网络传输等领域得到广泛的应用。和相同图像质量的其它常用文件格式(如GIF，TIFF，PCX)相比，JPEG是目前静态图像中压缩比最高的。 FPGA以其设计灵活、高速的卓越特性，逐渐成为许多应用中首先器件，尤其是与Verilog和VHDL等语言的结合，大大变革了电子系统的设计方法，加速了系统的设计进程。 本文旨在研究并实现一种实时采集并对特定帧进行压缩传输的方法。通过采用可编程逻辑器件FPGA来实现整个采集、显示、压缩和传输，使系统具有可定制、高速度等优点。 本文首先介绍了开发硬件可编程逻辑门阵列FPGA及其开发语言Veridlog，并介绍了FPGA的设计方法及开发流程；接着介绍了PAL制视频采集的相关知识及设计，其中主要包括基于I2C总线的模拟视频解码控制、视频的数字化ITU-R BT.601标准介绍及视频同步信号的获取、基于SDRAM的视频帧存储、VGA显示控制设计；随后介绍了JPEG标准，并根据故障检测的特点，设计了针对灰度图像压缩的JPEG编码器，设计中先分别对组成JPEG编码器的二维DCT变换模块、量化模块、Z字扫描模块、变换直流系数的差分脉冲编码模块、交流系数的游程编码模块、哈夫曼编码模块及打包模块进行了仿真测试，然后再对整个JPEG编码器进行了测试；最后设计了单帧视频的SRAM缓存，并将缓存的源图像采用本文设计的JPEG编码器进行压缩，再设计一个仅包含发送功能的UART 将压缩后的码流传输到PC机，在PC机上通过将接收的码流以ASCⅡ码的形式还原为采集图片。 本文实现了整个采集压缩系统，同时也进一步验证了本文设计的灰度图像JPEG编码器的正确性。相信本文无论是对弓网故障的图像检测，还是对于JPEG编码器的芯片设计都有一定的参考价值。
上传时间： 2013-04-24
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近年来，在钢铁材质质量检测的研究领域，电磁无损检测方法以其非破坏性和简便快速的优点取得了大量成果，然而对于钢材及其制品的混料、硬度和裂纹质量检测还存在许多难题.如用传统检测平台检测钢铁件硬度的检测精度和速度都不够理想。 基于上述情况，论文将先进的SOPC技术应用到钢铁件的电磁无损检测中。SOPC技术将处理器、存储器、IO接口、各种外围设备等系统设计需要的部件集成到一个可编程逻辑器件上，构建成一个可编程的片上系统。 论文详细论述了基于FPGA的电磁无损检测试验装置的理论基础，并在此基础上给出了总体设计方案。全文着重叙述了系统的模拟部分，系统配置以及软件部分的整个设计过程。利用QuartusⅡ自定义外设和Avalon总线多主并行处理的特点，采用Vefilog HDL，语言实现激励信号发生器和高速数据采集器，使得信号激励和信号采集在同一片芯片中实现，从而提高了信号及信号处理的精确度。由于电磁检测对多种参数的敏感反应，必须抑制由此引入的多种因素的干扰，利用FIR数字滤波和相关方法从众多的干扰信号中提取出有效信号的幅度和相位，同时利用NiosⅡC2H功能对滤波模块进行硬件加速处理，大大提高了信号处理的速度。利用最小二乘法建立回归方程模型进行无损检测。最后运用此电磁无损检测系统对轴承钢的硬度进行了定性测试，取得了较好的检测结果。 试验结果表明，将SOPC技术应用到电磁无损检测系统中，系统的检测速度和检测精度都有所提高，并使得整个系统在规模、可靠性、性能指标、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现了优化。
上传时间： 2013-06-04
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随着信息产业的不断发展,人们对数据传输速率要求越来越高,从而对数据发送端和接收端的性能都提出了更高的要求。接收机的一个重要任务就是在于克服各种非理想因素的干扰下,从接收到的被噪声污染的数据信号中提取同步信息,并进而将数据正确的恢复出来。而数据恢复电路是光纤通信和其他许多类似数字通信领域中不可或缺的关键电路,其性能决定了接收端的总体性能。 目前,数据恢复电路的结构主要有“时钟提取”和“过采样”两种结构。基于“过采样”的数据恢复方法的关键是过采样,即通过引入参考时钟,并增加时钟源个数的方式来代替第一种方法中的“时钟提取”。与“时钟提取”的数据恢复方法相比,基于“过采样”的数据恢复方法在性能上还有较大的差距,但是后者拥有高带宽、立即锁存能力、较低的等待时间和更高的抖动容限,更易于通过数字的方法实现,实现更简单,成本更低,并且这是一种数字化的模拟技术。如果能通过“过采样”方法在普通的逻辑电路上实现622.08Mb/s甚至更高速率的数据恢复,并将它作为一个IP模块来代替专用的时钟恢复芯片,这无疑将是性能和成本的较好结合。 本文主要研究“过采样”数据恢复电路的基本原理,通过全数字的设计方法,给出了在低成本可编程器件FPGA上实现数据恢复电路两种不同的过采样的实现方案,即基于时钟延迟的过采样和基于数据延迟的过采样。基于时钟延迟的过采样数据恢复电路方案,通过测试验证,其最高恢复的数据传输率可达到640Mb/s。测试结果表明,采用该方案实现的时钟恢复电路可工作在光纤通信系统STM-4速率级,即622.08MHz频率上,各方面指标基本符合要求。
上传时间： 2013-04-24
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随着科学技术的不断发展，视频图像处理的应用越来越广泛，各种图像处理算法日趋成熟，相关的硬件技术更是不断推陈出新。现代大规模集成电路VLSI技术的迅猛发展为视频图像处理技术提供了硬件基础。其中，现场可编程门阵列FPGA用于嵌入式视频图像处理有其独特优势。FPGA高性能、高集成度、低功耗的特点不仅使其具备高速CPU的性能，而且其可编程性使得设计者可以方便的通过对逻辑结构的修改和配置，完成对系统的升级。 本文根据FPGA的并行处理特点，以及其在实时图像处理方面的优势，进行了基于FPGA的全景图像处理系统的设计。在设计过程中，广泛查阅了相关资料，通过分析系统的功能，进行具体器件的选型，最后确定红色飓风Ⅱ代开发板及其扩展板作为本系统的硬件开发平台。然后通过编写相应的驱动程序(I2C总线控制器、SDRAM控制器)，应用程序(视频数据接收与存储逻辑模块)，实现系统图像采集、存储的功能。本文的所有逻辑模块均采用Verilog HDL语言进行描述设计。 本文最后对系统进行了调试。经实验验证，系统达到了图像实时采集、存储的功能，能进行正确可靠的工作。该系统为后续的图像处理打下了坚实的基础，同时整个系统的逻辑模块资源消耗只占FPGA(EP1C12)的百分之几，剩余资源还可以来用作一些硬件算法。
上传时间： 2013-07-02
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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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多普勒计程仪是根据声波在水中的多普勒效应原理而制成的一种精密测速和计算航程的仪器，它是船用导航设备的重要组成之一。针对于多普勒计程仪的核心问题——频率估计，本文提出了一种基于FPGA实现的多普勒测频方案，它具有抗干扰能力强、运算速度快等特点。本论文主要是围绕系统的测频方案的设计与实现展开的。 本文主要研究工作包括：设计和调试基于FPGA的多普勒测频系统的硬件电路；通过对测频算法的研究，采用VHDL语言设计和实现系统的测频算法和其它接口控制程序，并通过软件仿真，测试设计的正确性。 测频系统的硬件电路设计是本论文工作的主要部分之一，也是基于FPGA的多普勒测频系统的核心部分。整个系统以FPGA作为主处理器，完成系统中所有的数字信号处理和外围接口控制，同时，基于FPGA丰富的片内可编程逻辑资源和外部I/O资源，系统还扩展了丰富的通信接口(UART、USB和以太网接口)和显示电路(LCD和LED)，使系统便于与PC机进行数据交换和控制。 系统的软件实现是本文工作的另一重要部分。本文通过对测频算法的研究，完成了基于VHDL实现的过零检测法和FFT算法，同时也实现了对接收机信号的自动增益控制、信号采集和与计算机的通信功能等。
上传时间： 2013-04-24
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现场可编程门阵列(FPGA)是一种现场可编程专用集成电路，它将门阵列的通用结构与现场可编程的特性结合于一体，如今，FPGA系列器件已成为最受欢迎的器件之一。随着FPGA器件的广泛应用，它在数字系统中的作用日益变得重要，它所要求的准确性也变得更高。因此，对FPGA器件的故障测试和故障诊断方法进行更全面的研究具有重要意义。随着FPGA器件的迅速发展，FPGA的密度和复杂程度也越来越高，使大量的故障难以使用传统方法进行测试，所以人们把视线转向了可测性设计(DFT)问题。可测性设计的提出为解决测试问题开辟了新的有效途径，而边界扫描测试方法是其中一个重要的技术。 本文对FPGA的故障模型及其测试技术和边界扫描测试的相关理论与方法进行了详细的探讨，给出了利用布尔矩阵理论建立的边界扫描测试过程的数学描述和数学模型。论文中首先讨论边界扫描测试中的测试优化问题，总结解决两类优化问题的现有算法，分别对它们的优缺点进行了对比，进而提出对两种现有算法的改进思想，并且比较了改进前后优化算法的性能。另外，本文还对FPGA连线资源中基于边界扫描测试技术的自适应完备诊断算法进行了深入研究。在研究过程中，本文基于自适应完备诊断的思想对原有自适应诊断算法的性能进行了分析，并将独立测试集和测试矩阵的概念引入原有自适应诊断算法中，使改进后的优化算法能够简化原算法的实现过程，并实现完备诊断的目标。最后利用测试仿真模型证明了优化算法能够更有效地实现完备诊断的目标，在紧凑性指标与测试复杂性方面比现在算法均有所改进，实现了算法的优化。
上传时间： 2013-06-30
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随着国民经济的发展和社会的进步，人们越来越需要便捷的交通工具，从而促进了汽车工业的发展，同时汽车发动机检测维修等相关行业也发展起来。在汽车发动机检测维修中，发动机电脑(Electronic Control．Unit-ECU)检测维修是其中最关键的部分。发动机电脑根据发动机的曲轴或凸轮轴传感器信号控制发动机的喷油、点火和排气。所以，维修发动机电脑时，必须对其施加正确的信号。目前，许多发动机的曲轴和凸轮轴传感器信号已不再是正弦波和方波等传统信号，而是多种复杂波形信号。为了能够提供这种信号，本文研究并设计了一种能够产生复杂波形的低成本任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator-AWG)。 本文提出的任意波形发生器依据直接数字频率合成(Direct Digial FrequencySynthesis-DDFS)原理，采用自行设计现场可编程门阵列(FPGA)的方案实现频率合成，扩展数据存储器存储波形的量化幅值(波形数据)，在微控制单元(MCU)的控制与协调下输出频率和相位均可调的信号。 任意波形发生器主要由用户控制界面、DDFS模块、放大及滤波、微控制器系统和电源模块五部分组成。在设计中采用FPGA芯片EPF10K10QC208-4实现DDFS的硬件算法。波形调整及滤波由两级放大电路来完成：第一级对D/A输出信号进行调整；第二级完成信号滤波及信号幅值和偏移量的调节。电源模块利用三端集成稳压器进行电压值变换，利用极性转换芯片ICL7660实现正负极性转换。 该任意波形发生器与通用模拟信号源相比具有：输出频率误差小，分辨率高，可产生任意波形，成本低，体积小，使用方便，工作稳定等优点，十分适合汽车维修行业使用，具有较好的市场前景。
上传时间： 2013-04-24
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随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理已经逐渐发展成一门关键的技术科学。图像处理作为一种重要的现代技术，己经在通信、航空航天、遥感遥测、生物医学、军事、信息安全等领域得到广泛的应用。图像处理特别是高分辨率图像实时处理的实现技术对相关领域的发展具有深远意义。另外，现场可编程门阵列FPGA和高效率硬件描述语言Verilog HDL的结合，大大变革了电子系统的设计方法，加速了系统的设计进程，为图像压缩系统的实现提供了硬件支持和软件保障。 本文主要包括以下几个方面的内容： (1)结合某工程的具体需求，设计了一种基于FPGA的图像压缩系统，核心硬件选用XILINX公司的Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA芯片，存储器件选用MICRON公司的MT48LC4M16A2SDRAM，图像压缩的核心算法选用近无损压缩算法JPEG-LS。 (2)用Verilog硬件描述语言实现了JPEG-LS标准中的基本算法，为课题组成员进行算法改进提供了有力支持。 (3)用Verilog硬件描述语言设计并实现了SDRAM控制器模块，使核心压缩模块能够方便灵活地访问片外存储器。 (4)构建了图像压缩系统的测试平台，对实现的SDRAM控制器模块和JPEG-LS基本算法模块进行了软件仿真测试和硬件测试，验证了其功能的正确性。
上传时间： 2013-04-24
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