随着图像分辨率的越来越高,软件实现的图像处理无法满足实时性的需求;同时FPGA等可编程器件的快速发展使得硬件实现图像处理变得可行。如今基于FPGA的图像处理研究成为了国内外的一个热门领域。 本文在FPGA平台上,用Verilog HDL实现了一个研究图像处理算法的可重复配置的硬件模块架构,架构包括PC机预处理和通信软件,控制模块,计算单元,存储器模块和通信适配模块五个部分。其中的计算模块负责具体算法的实现,根据不同的图像处理算法可以独立实现。架构为计算模块实现了一个可添加、移出接口,不同的算法设计只要符合该接口就可以方便的加入到模块架构中来进行调试和运行。 在硬件架构的基础上本文实现了排序滤波,中值滤波,卷积运算及高斯滤波,形态学算子运算等经典的图像处理算法。讨论了FPGA的图像处理算法的设计方法及优化策略,通过性能分析,FPGA实现图像处理在时间上比软件处理有了很大的提高;通过结果的比较,发现FPGA的处理结果达到了软件处理几乎同等的效果水平。最后本文在实现较大图片处理和图像处理窗口的大小可配置性方面做了一定程度的讨论和改进,提高了算法的可用性,同时为进一步的研究提供了更加便利的平台。 整个设计都是在ISE8.2和ModelSim第三方仿真软件环境下开发的,在xilinx的Spartan-3E XC3S500E硬件平台上实现。在软件仿真过程中利用了ISE8.2自带仿真工具和ModelSim结合使用。 本课题为制造FPGA的专用图像处理芯片做了有益的探索性研究,为实现FPGA为核心处理芯片的实时图像处理系统有着积极的作用。
上传时间: 2013-07-29
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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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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。 GPS接收机工作时,为了将本地信号和接收到的信号同步,要完成复杂的信号处理过程。其中,如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪是最重要的核心技术。很多研究者提出了多种解决方法,但这些方法多数都只停留在理论阶段,无法应用于GPS接收机系统进行实时处理。 本课题在分析了多种现有算法的基础上,研究设计了基于FPGA的GPS信号捕获与跟踪系统。在研究过程中,首先利用Nemerix公司的GPS芯片组设计制作了GPS接收机模块,它能正常稳定地工作,并可用作GPS基带信号处理的研究平台;该平台可实时地输出GPS数字中频信号;本课题在中频信号的基础上深入研究了GPS信号的捕获与跟踪技术。先详细分析比较了几种GPS信号捕获方法,给出了步进相关的捕获方案;接着分析了跟踪环路的特点,给出了锁频环和锁相环交替工作跟踪载波以及载波辅助伪码的跟踪方案,并最终实现了这些方案。 本课题设计的GPS信号捕获与跟踪处理系统是通过硬件和软件协同工作的方式实现的。硬件电路主要实现数据速率高、逻辑简单的相关器功能;而基于MicroBlaze软处理器的软件主要实现数据速率低、逻辑复杂的功能。本文给出了硬件电路的详细设计、仿真结果以及软件设计的详细流程。 本课题最终在FPGA上实现了GPS信号的捕获与跟踪功能,而且系统的性能良好。由此可以得出结论:本设计能够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。 本课题的研究得到了大连市信息产业局集成电路设计专项的资助,项目名称是“定位与通信集成功能的SOC设计”,研究成果将在2008年上半年投入试用。
上传时间: 2013-04-24
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密集型的矩阵运算在信号处理和图像处理中被广泛应用,而且往往需要系统进行实时运算,这就需要系统具有很高的吞吐率。因此寻找矩阵运算的高速实现方法是很有意义的。FPGA的运算速度快并且可以并行运算,和其它矩阵运算的实现方式相比,FPGA有其独特的优势。本文主要设计并实现了基于FPGA的各种矩阵运算模块。 本文首先介绍了矩阵运算的特点和原理,接着讨论了FPGA浮点运算单元的VHDL设计方法,在此基础上,设计了矩阵相乘累加、三角矩阵求逆和一般矩阵分解求逆的运算模块,给出矩阵阶数扩大时各种矩阵运算的分块实现方法。然后在ModelSim环境下仿真了一般矩阵的求逆模块,与Maflab仿真结果比较,分析了运算精度、时间复杂度和资源占用情况,在Virtex-4系列FPGA硬件平台上进行了调试和测试,并通过USB接口将矩阵运算结果送入PC机,验证了基于FPGA矩阵运算的正确性和可行性。最后对矩阵求逆模块在雷达信号中的应用作了简单介绍。
上传时间: 2013-06-08
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以太网是在20世纪70年代为解决网络中零散的和偶然的堵塞而开发的,而 IEEE802.3标准是在最初的以太网技术基础上于1980年开发成功的。现在,以太网一词泛指所有采用CSMA/CD协议的局域网。以太网2.0版由数字设备公司、 Intel公司和Xerox公司联合开发,它与IEEE802.3兼容。 本设计采用FPGA设计以太网控制器代替传统的ASCI设计方法,主要原因在于FPGA技术的特点,它作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原由可编程期间门电路数有限的缺点。使本设计的产品十分灵活,可以在多种用户多种开发平台,硬件环境下使用而只需要对设计进行简单的修改和编辑即可,方便了设计者和用户的使用。 本论文主要阐述了使用FPGA设计开发以太网控制器的设计开发流程,以及研究了FPGA开发方法和传统ASIC开发方法的区别和优略。主要内容为: 1.阐述FPGA技术的发展历史,现状和将来的发展趋势。 2.详细说明了FPGA设计开发以太网控制器的全过程,包括模块分析功能分析以及代码设计。 3.采用软件仿真的方法设计和验证了MODELSIM仿真平台以及仿真波形图分析。 4.对比分析了FPGA和传统的ASIC开发过程的区别以及优缺点。
上传时间: 2013-05-25
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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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雷达信号处理是雷达系统的重要组成部分。在数字信号处理技术飞速发展的今天,雷达信号处理中也普遍使用数字信号处理技术。而现场可编程门阵列(FPGA)在数字信号处理中的广泛应用,使得FPGA在雷达信号处理中也占据了重要地位。 针对雷达信号处理的设计与实现,本文在以下两个方面展开研究: 一方面以线性调频信号(LFM)为例,分别对几种基本的雷达信号处理,如正交相干检波、脉冲压缩、动目标显示(MTI)/动目标检测(MTD)和恒虚警(CFAR)详细地阐述了其原理,在此基础上给出了其经常采用的实现方法,并在MATLAB环境中对各个环节进行了参数化仿真,详尽地给出了各环节的仿真波形图。针对仿真结果,直观形象地说明了不同实现方法的优劣。 另一方面结合MATLAB仿真结果,给出利用FPGA实现雷达信号处理的方案。在Xilinx ISE6.3i软件集成环境下,通过对Xilinx提供的IP核的调用,并与VHDL语言相结合,完成雷达信号处理的FPGA实现。
上传时间: 2013-06-08
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数据采集处理技术是现代信号处理的基础,广泛应用于雷达、声纳、软件无线电、瞬态信号测试等领域。随着信息科学的飞速发展,人们面临的信号处理任务越来越繁重,对数据采集处理系统的要求也越来越高。近年来FPGA由于其设计灵活性、更强的适应性及可重构性,结合SDRAM的高速、大容量、价格优势,在设计高速实时数据采集系统时受到了广泛的关注。 本课题重点研究了基于FPGA与DDR2-SDRAM的高速实时数据采集系统的设计与实现技术,为需要大容量存储器的系统设计提供了新的思路。在深入研究了DDR2-SDRAM器件的基本构造与工作原理的基础上,结合成熟的商业化IP核,提出了基于FPGA与DDR2-SDRAM的高速实时数据采集系统的设计方案,并从总体设计构想到各逻辑细节实现都进行了详细描述。根据DDR2-SDRAM的特点,选择合适的内存调度方案,采用Verilog HDL语言设计实现了该高速实时数据采集系统,并对系统功能进行验证与分析,结果表明本设计完全能够满足系统的性能指标。
上传时间: 2013-06-24
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现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。用FPGA实现调制解调器具有体积小、功耗低、集成度高、可软件升级、抗干扰能力强的特点,符合未来通信技术发展的方向。论文从以下几个方面讨论和实现了基于FPGA的调制解调系统。 论文首先介绍了调制解调系统的发展现状及FPGA的相关知识。然后介绍了几种常见的相位调制解调方式,重点是QDPSK调制解调系统的理论算法。 论文重点介绍了QDPSK解调调制系统的具体实现。首先,在在MATLAB环境下对系统里的每个子模块完成了功能仿真,并取得满意的仿真结果;其次,在QDPSK调制解调系统功能仿真正确的基础上,对每个模块的功能编写C++算法,并且验证了算法的正确性和可实现性;最后,在altera公司的FPGA开发平台Quartus Ⅱ 6.0上,采用Verilog硬件描述语言对QDPSK调制解调系统实现了时序仿真和综合仿真。
上传时间: 2013-04-24
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数字滤波器是现代数字信号处理系统的重要组成部分之一。ⅡR数字滤波器又是其中非常重要的一类虑波器,因其可以较低的阶次获得较高的频率选择特性而得到广泛应用。 本文研究了ⅡR数字滤波器的常用设计方法,在分析各种ⅡR实现结构的基础上,利用MATLAB针对并联型结构的ⅡR数字滤波器做了多方面的仿真,从理论分析和仿真情况确定了所要设计的ⅡR数字滤波器的实现结构以及中间数据精度。然后基于FPGA的结构特点,研究了ⅡR数字滤波器的FPGA设计与实现,提出应用流水线技术和并行处理技术相结合的方式来提高ⅡR数字滤波器处理速度的方法,同时又从ⅡR数字滤波器的结构特性出发,提出利用ⅡR数字滤波器的分解技术来改善ⅡR滤波器的设计。在ⅡR实现方面,本文采用Verilog HDL语言编写了相应的硬件实现程序,将内置SignalTap Ⅱ逻辑分析器的ⅡR设计下载到FPGA芯片,并利用Altera公司的SignalTap Ⅱ逻辑分析仪进行了定性测试,同时利用HP频谱仪进行定性与定量的观测,仿真与实验测试结果表明设计方法正确有效。
上传时间: 2013-04-24
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