数据采集是信号与信息系统中一个重要的组成部分，也是数字信号处理的关键环节。本论文主要介绍一种基于FPGA的数据采集系统，提出一种由高速A/D转换芯片、高性能FPGA和PCI总线接口组成的数据采集系统方案及其的硬件电路实现方法。该系统利用AD器件对信号进行放大、差分转换和模数转换，利用FPGA设计内部模块和时钟信号来进行电路控制及实现数据缓存、数据传递等功能，最后通过PCI逻辑接口把暂存在FPGA的数据传送到PC主机。FPGA作为采集系统的核心部件，完成了内部数字电路设计，使系统具有很高的可适应性、可扩展性和可调试性。 本论文从研究数据采集的理论出发，重点研究了A/D模数转换、FPGA芯片设计及PCI总结接口设计，完成了系统的各级电路硬件设计，并通过系统仿真验证了系统的可行性。
上传时间： 2013-04-24
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对弓网故障的检测是当今列车检测的一项重要任务。原始故障视频图像具有极大的数据量，使实时存储和传输故障视频图像极其困难。由于视频的数据量相当大，需要采用先进的视频编解码协议进行处理，进而实现检测现场的实时监控。 @@ H．264/AVC(Advanced Video Coding)作为MPEG-4的第10部分，因其具有超高的压缩效率、极好的网络亲和性，而被广泛研究与应用。H．264/AVC采用了先进的算法，主要有整数变换、1/4像素精度插值、多模式帧间预测、抗块效应滤波器和熵编码等。 @@ 本文使用硬件描述语言Verilog，以红色飓风 II开发板作为硬件平台，在开发工具QUARTUSII 6．0和MODELSIM_SE 6．1B环境中完成软核的设计与仿真验证。以Altera公司的CycloneII FPGA(Field Programmable Gate Array)EP2C35F484C8作为核心芯片，实现视频图像采集、存储、显示以及实现H．264/AVC部分算法的基本系统。 @@ FPGA以其设计灵活、高速、具有丰富的布线资源等特性，逐渐成为许多系统设计的首选，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。 @@ 本文首先分析了FPGA的特点、设计流程、verilog语言等，然后对静态图像及视频图像的编解码进行详细的分析，比如H．264/AVC中的变换、量化、熵编码等：并以JM10．2为平台，运用H．264/AVC算法对视频序列进行大量的实验，对不同分辨率、量化步长、视频序列进行编解码以及对结果进行分析。接着以红色飓风II开发板为平台，进行视频图像的采集存储、显示分析，其中详细分析了SAA7113的配置、CCD信号的A/D转换、I2C总线、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；最后运用verilog语言实现H．264/AVC部分算法，并进行功能仿真，得到预计的效果。 @@ 本文实现了整个视频信号的采集存储、显示流程，详细研究了H．264/AVC算法，并运用硬件语言实现了部分算法，对视频编解码芯片的设计具有一定的参考价值。 @@关键词：FPGA；H．264/AVC；视频；verilog；编解码
上传时间： 2013-04-24
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随着社会的发展，人们对电力需求特别是电能质量的要求越来越高。但由于非线性负荷大量使用，却带来了严重的电力谐波污染，给电力系统安全、稳定、高效运行带来严重影响，给供用电设备造成危害。如何最大限度的减少谐波造成的危害，是目前电力系统领域极为关注的问题。谐波检测是谐波研究中重要分支，是解决其它相关谐波问题的基础。因此，对谐波的检测和研究，具有重要的理论意义和实用价值。 目前使用的电力系统谐波检测装置，大多基于微处理器设计。微处理器是作为整个系统的核心，它的性能高低直接决定了产品性能的好坏。而这种微处理器为主体构成的应用系统，存在效率低、资源利用率低、程序指针易受干扰等缺点。由于微电子技术的发展，特别是专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)设计技术的发展，使得设计电力系统谐波检测专用的集成电路成为可能，同时为谐波检测装置的硬件设计提供了一个新的发展途径。本文目标就是设计电力系统谐波检测专用集成电路，从而可以实现对电力系统谐波的高精度检测。采用专用集成电路进行谐波检测装置的硬件设计，具有体积小，速度快，可靠性高等优点，由于应用范围广，需求量大，电力系统谐波检测专用集成电路具有很好的应用前景。 本文首先介绍了国内外现行谐波检测标准，调研了电力系统谐波检测的发展趋势；随后根据装置的功能需求，特别是依据其中谐波检测国标参数的测量算法，为系统选定了基于FPGA的SOPC设计方案。 本文分析了电力系统谐波检测专用集成电路的功能模型，对专用集成电路进行了模块划分。定义了各模块的功能，并研究了模块间的连接方式，给出了谐波检测专用集成电路的并行结构。设计了基于FPGA的谐波检测专用集成电路设计和验证的硬件平台。配合专用集成电路的电子设计自动化(EDA)工具构建了智能监控单元专用集成电路的开发环境。 在进行FPGA具体设计时，根据待实现功能的不同特点，分为用户逻辑区域和Nios处理器模块两个部分。用户逻辑区域控制A/D转换器进行模拟信号的采样，并对采样得到的数字量进行谐波分析等运算。然后将结果存入片内的双口RAM中，等待Nios处理器的访问。Nios处理器对数据处理模块的结果进一步处理，得到其各自对应的最终值，并将结果通过串行通信接口发送给上位机。 最后，对设计实体进行了整体的编译、综合与优化工作，并通过逻辑分析仪对设计进行了验证。在实验室条件下，对监测指标的运算结果进行了实验测量，实验结果表明该监测装置满足了电力系统谐波检测的总体要求。
上传时间： 2013-04-24
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温湿度是影响粮食储藏的重要参数，两者之间是相互关联的，温湿度控制不好必然引起粮食发热和霉变，且极易产生连锁反应，从而造成难以挽回的损失。温湿度的控制直接影响到粮食存储系统的性能。冈此，粮食温湿度测控技术在农业上的应用是十分重要的。本文研究基于FPGA的粮仓温湿度监制系统。 设计了基于FPGA的粮仓温湿度监控系统，该系统主要由温湿度传感器、控制电路、单片机和上位机构成。单片机主要完成温度数据的采集和上位机的通讯；控制电路基于FPGA进行设计，主要负责采集湿度信息，计算温湿度偏差及其变化率，通过调用模糊控制算法对温湿度进行模糊控制，单片机通过RS485总线和上位机进行串口通信，使上位机能够实时记录，显示温湿度变化值和控制过程曲线。该系统实现了粮仓内温湿度的实时监测，使管理人员可以实时掌控粮仓内的温湿度情况。 采用FPGA设计控制电路简化了系统的组成和外围数字电路，易于系统扩展和升级，内部集成了信号处理、控制、检测电路，减少了系统的体积，缩短了开发周期，大大增强了系统的可靠性；配合功率驱动、电源等外围电路，完成信号采集、处理和控制等功能，节省了开发成本，使粮仓温湿度控制系统更加集成化。这也恰恰更加符合当今电子产品高精度，集成化的要求。 系统采用直接输出数字量的DS1820温度传感器和湿度传感器HS1101并将HS1101与555定时器组成振荡电路，其输出为频率脉冲信号，与湿度值成线性关系，该频率脉冲信号可直接送入FPGA进行计数，这样温湿度传感器输出的信号都没有经过放大、A/D转换，进一步减少了测量误差。控制电路采用了VHDL硬件描述语言进行编写。本装置已作出实样，通过了调试，已达到预期效果。
上传时间： 2013-06-16
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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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目前，数字信号处理广泛应用于通信、雷达、声纳、语音与图像处理等领域，信号处理算法理论己趋于成熟，但其具体硬件实现方法却值得探讨。FPGA是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度、高速、可编程等优点，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，缩短了单片数字系统的设计周期、提高了设计的灵活性和可靠性，在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。本文对FPGA的数据采集与处理技术进行研究，基于FPGA在数据采样控制和信号处理方面的高性能和单片系统发展的新热点，把FPGA作为整个数据采集与处理系统的控制核心。主要研究内容如下： FPGA的单片系统研究。针对数据采集与处理，对FPGA进行选型，设计了基于FPGA的单片系统的结构。把整个控制系统分为三个部分：多通道采样控制模块，数据处理模块，存储控制模块。 多通道采样控制模块的设计。利用4片AD7506和一片AD7862对64路模拟量进行周期采样，分别设计了通道选择控制模块和A/D转换控制模块，并进行了仿真，完成了基于FPGA的多通道采样控制。 数据处理模块的设计。FFT算法在数字信号处理中占有重要的地位，因此本文研究了FFT的硬件实现结构，提出了用FPGA实现FFT的一种设计思想，给出了总体实现框图。分别设计了旋转因子复数乘法器，碟形运算单元，存储器，控制器，并分别进行了仿真。重点设计实现了FFT算法中的蝶形处理单元，采用了一种高效乘法器算法设计实现了蝶形处理单元中的旋转因子乘法器，从而提高了蝶形处理器的运算速度，降低了运算复杂度。理论分析和仿真结果表明，状态机控制器成功地对各个模块进行了有序、协调的控制。 存储控制模块的设计。利用闪存芯片K9K1G08UOA对采集处理后的数据进行存储，设计了FPGA与闪存的硬件连接，设计了存储控制模块。 本文对FFT算法的硬件实现进行了研究，结合单片系统的特点，把整个系统分为多通道采样控制模块，数据处理模块，存储控制模块进行设计和仿真。设计采用VHDL编写程序的源代码。仿真测试结果表明，此FPGA单片系统可完成对实时信号的高速采集与处理。
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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数字滤波作为数字信号处理技术的重要组成部分，广泛应用于诸如信号分离、恢复、整形等多种场合中，本文讨论的FIR滤波器因其具有严格的线性相位特性而得到广泛的应用。在工程实践中，往往要求信号处理具有实时性和灵活性,但目前常用的一些软件或硬件实现方法则难以同时达到两方面的要求。 可编程逻辑器件是一种用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。本课题研究FIR的FPGA解决方案体现电子系统的微型化和单片化，主要完成的工作如下: (1)以FIR滤波器的基本理论为依据，研究适应工程实际的数字滤波器的设计方法： (2)对分布式算法进行了较为深入的研究。在阐述算法原理的基础上，分析了利用FPGA特有的查找表结构完成这一运算的方法，从而解决了常系数乘法运算硬件实现的问题； (3)以—FIR低通滤波器为例说明FIR数字滤波器的具体实现方法，采用层次化、模块化、参数化的设计思想，完成对整个FIR滤波器的功能模块的划分，以及各个功能模块的具体设计； (4)设计参数可调的FIR低通滤波器的硬件电路：以EPFlK50TCl44-l为核心，包括A/D转换电路、D/A转换电路以及在系统配置电路等。以话音作为输入信号，进行了实际滤波效果的测试。 实验系统的测试结果表明，和传统的数字滤波器相比较具有更好的实时性、准确性、灵活性和实用性。
上传时间： 2013-07-13
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工程机械监控系统是利用计算机技术、现场总线技术、无线通信技术以及卫星定位技术对工程机械的运行状态、位置等进行监测，是一个既复杂又庞大的系统，涉及的领域广，而且由于其工作环境的特殊性，对系统的安全性、稳定性要求特别高。现在随着嵌入式技术的不断成熟与发展，高可靠性、小型化、人性化、网络化和智能化将是其发展方向。 本文采用底层单元控制系统、车载监控系统和远程监控系统三级网络总体结构，对起重机底层安全控制单元进行监控。在底层单元中引入CAN总线，研究基于CAN总线协议的Hilon A协议实现底层各单元的通信。中间层以S3C2410和Linux为核心，融合嵌入式技术，开发Qt.Embedded界面，对实时采集起重机的吊重、风速、仰角信号状态参数，以及通过计算比较判断是否发生异常的状态进行显示。最后研究了GPRS网络，完成远程数据传输和远程终端监控的通讯。 文中详细介绍了系统的各部分硬件设计，结合硬件平台实现了Linux操作系统的移植、引导加载程序BootLoader，构建了根文件系统。结合Linux操作系统平台，实现了CAN总线通信、GPRS通讯、PPP脚本拨号、Socket网络编程、LCD帧缓冲显示设备Framebuffer、触摸屏、A/D转换器驱动程序的开发，并通过嵌入式图形用户Qt/Embedded在嵌入式Linux平台上的移植，开发了友好的人机交互界面。
上传时间： 2013-06-30
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随着电子技术的不断发展，各种智能核仪器逐步走向自动化、智能化、数字化和便携式的方向发展。针对传统的多道脉冲幅度分析器体积大，人机交互不友好，不方便现场分析等的缺陷[5]。新型的高速、集成度高、界面友好的多道脉冲幅度分析器的陆续出现填补了这一缺点。 随着电子技术的发展，以ARM为核的处理器技术的应用领域不断扩大，相比较单片机而言，它的主频高、运算速度快，可以满足多道脉冲幅度分析器的苛刻的时间上的要求。而且ARM处理器功耗小，适合于功耗要求比较苛刻的地方，这些方面的特点正好满足了便携式多道脉冲幅度分析器野外勘察的要求。同时，由于以ARM为核的处理器具有丰富的外设资源，这样就简化了外设电路及芯片的使用，降低了功耗并增强了产品的信赖性。另外，ARM芯片可以方便的移植操作系统，为多道脉冲幅度分析器多任务的管理和并行的处理，甚至硬实时功能的实现提供了前提。而且在ARM平台使用嵌入式linux操作系统使多道脉冲幅度分析器的软件易于升级。 智能化和小型化是多道脉冲幅度分析器的发展趋势。智能化要求系统的自动化程度高、操作简便、容错性好。智能化除了需要控制软件外，还需要软件命令的执行者即硬件控制电路来实现相应的控制逻辑，两者的结合才能真正的实现智能化。小型化要求系统的体积小、功耗小、便于携带；小型化除了要求采用微功耗的器件，还要求电路板的尺寸尽量的小且所用元件尽量的少，但小型化的同时必须保持系统的智能化，即不能减少智能化所要求的复杂的逻辑和时序的控制功能。为此采用高集成度的ARM芯片实现控制电路能满意地同时满足智能化和小型化的要求。在研制的多道脉冲幅度分析器中，几乎所有的控制都可以用控制芯片来实现，如阈值设定、自动稳谱以及多道数据采集，在节省了元件的数目和电路板的尺寸的同时仍能保持系统的智能化程度。 Linux内核精简而高效，可修改性强，支持多种体系结构的处理器等，使得它是一个非常适合于嵌入式开发和应用的操作系统。嵌入式Linux可以运行的硬件平台十分广泛，从x86、MIPS、POWERPC到ARM，以及其他许多硬件体系结构。目前在世界范围内，ARM体系结构的SOC逐渐占领32位嵌入式微处理器市场，ARM处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，例如：工业控制，无线通讯，网络，消费类电子，成像等。 本课题采用三星公司生产的ARM(Advanced RISC Machines，先进精简指令集机器)芯片S3C2410A设计并研制了一种便携式的核数据采集系统设计方案。利用ARM芯片丰富的外设资源对传统的多道脉冲幅度分析器进行改进和简化。系统由前端探测器系统，以及由线性脉冲放大器、甄别电路、控制电路、采样保持电路组成的前置电路，中央处理器模块，显示模块，用户交互模块，存储模块，网络传输模块等多个模块组成。本设计基于ARM9芯片S3C2410，并在此平台上移植了嵌入式linux操作系统来进行任务的调度和处理等。 电路板核心板部分设计采用6层PCB板结构，这样增加了系统可靠性，提高了电磁兼容的稳定性。数据采集系统是多道脉冲幅度分析器的核心，A/D转换直接使用了S3C2410内置的ADC(Analog to Digital Converter,模数转换器)，在2.5 MHz的转换时钟下最大转换速度500 KSPS(Kilo-Samples per second,千采样点每秒)，满足了系统最低转换时间≤5 μs的要求，并且控制简单，简化了外部接口电路。由于SD(Secure Digital Card，安全数码卡)卡存储容量大、携带方便、成本低等优点，所以设计中采用其作为外部的数据存储设备,其驱动部分采用SD卡软件包，为开发带来了方便。本设计采用640*480的6.4寸LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)屏作为人机交互的显示部分，并且通过Qt/Embedded为系统提供图形用户界面的应用框架和窗口系统。其中包括了波形显示部分和用户菜单设置部分，这样方便了用户操作。系统的数据存取方面是基于SQLite嵌入式小型数据库而进行的。为了方便数据向上位机的传输，系统设计中采用XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)格式来组织传输的数据，通过基于TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议的Linux下Socket套接字编程，来进行与上位机或PC(Personal Computer,个人计算机或桌面机)等的连接和数据传输。
上传时间： 2013-04-24
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