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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伴随着多媒体显示和传输技术的发展,人们获得了越来越高的视听享受。从传统的模拟电视,到标清、高清、全高清。与显示技术发展结伴而行的是显示接口技术的发展,从模拟的AV端子,S-Video和VGA接口,到数字显示的DVI接口,技术上经历了一个从模拟到数字,从并行到串行,从低速到高速的发展过程。 HDMI是最新的高清晰度多媒体接口,它的规范由Silicon Image等七家公司提出,具有带宽大,尺寸小,传输距离长和支持正版保护等功能,符合当今技术的发展潮流,一经推出,就获得了巨大的成功。成为平板显示器、高清电视等设备的标准接口之一,并获得了越来越广泛的应用。 从上世纪80年代XILINX发明第一款FPGA芯片以来,FPGA就以其体系结构和逻辑单元灵活,运算速度快,编程方便等优点广泛应用与IC设计、系统控制、视频处理、通信系统、航空航天等诸多方面。 本文利用ALTERA的一款高端FPGA芯片EP2S180F1508C3为核心,配合Silicon Image的专用HDMI接收芯片搭建了一个HDMI的接收显示平台。针对HDMI带宽宽,数据量大的特点,使用了新型的DDR2 SDRAM作为视频信号的输入和输出缓冲。在硬件板级设计上,针对HDMI和DDR2的相关高速电路,采用了一系列的高速电路设计方法,有效的避免了信号的反射,串扰等不良现象。同时在对HDMI规范和DDR2 SDRAM时序规范的深入研究的基础上,在ALTERA的开发平台QUARTUSII上编写了系统的顶层模块和相关各功能子模块,并仿真通过。 论文的主要工作和创新点表现在以下几个方面： 1、论文研究了最新的HDMI接口规范和新型存储器件DDR2的时序规范。 2、论文搭建的整个系统相当庞大,涉及到相关的规范、多种芯片的资料、各种工具软件的使用、原理图的绘制和PCB板的布局布线,直至后期的编程仿真,花费了作者大量的时间和精力。 3、论文首次使用FPGA来处理HDMI信号且直接驱动显示器件,区别于-般的ASIC方案。 4、论文对高速电路特别是的DDR2布局布线,采用了一系列的专门措施,具有一定的借鉴价值。
上传时间： 2013-06-22
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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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为了满足外围设备之间、外围设备与主机之间高速数据传输，Intel公司于1991年提出PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的概念，即周边器件互连。因为PCI总线具有极高的数据传输率，所以在数字图形、图像和语音处理以及高速数据采集和处理等方面得到了广泛的应用。 本论文首先对PCI总线协议做了比较深刻的分析，从设计要求和PCI总线规范入手，采用TOP-DOWN设计方法完成了PCI总线接口从设备控制器FPGA设计的功能定义：包括功能规范、性能要求、系统环境、接口定义和功能描述。其次从简化设计、方便布局的角度考虑，完成了系统的模块划分。并结合设计利用SDRAM控制器来验证PCI接口电路的性能。 然后通过PCI总线接口控制器的仿真、综合及硬件验证的描述介绍了用于FPGA功能验证的硬件电路系统的设计，验证系统方案的选择，并描述了PCI总线接口控制器的布局布线结果以及硬件验证的电路设计和调试方法。通过编写测试激励程序完成了功能仿真，以及布局布线后的时序仿真，并设计了PCB实验板进行测试，证明所实现的PCI接口控制器完成了要求的功能。 最后，介绍了利用驱动程序开发工具DDK软件进行软件设计与开发的过程。完成系统设计及模块划分后，使用硬件描述语言(VHDL)描述系统，并验证设计的正确性。
上传时间： 2013-07-15
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PWM(脉冲宽度调制)是一种利用数字信号来控制模拟电路的控制技术，广泛应用于电源、电机、伺服系统、通信系统、电子控制器、功率控制等电力电子设备。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，也是变频技术的核心，同时在机床，液压位置控制系统等机械装置中也发挥着重要的作用。PWM技术已经成为控制领域的一个热点，因此研究PWM发生器对于基础理论的发展和技术的改进都有十分重要的意义。 论文研究的主要内容是用任意波形作为调制信号通过特定的方法来产生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是两个主要任务。任意波形的合成是课题设计的一个难点，也是影响系统性能的关键因素之一。论文中波形合成采用直接数字频率合成(DDS)技术来实现。DDS技术以相位为地址，通过查找离散幅度数据进行波形合成，具有输出波形相位变化连续、分辨率高、频率转换速率快的优点，而且通过设置控制字可灵活方便地改变输出频率，是目前波形合成的主流方法。 实现PWM发生器的设计方法有多种。在综合比较了单片机、DSP、ARM等常用开发工具特点的基础上，本文提出了一种以可编程逻辑器件(PLD)为主体，单片机辅助配合的设计方法。随着计算机技术和微电了技术的迅速发展，可编程逻辑器件的集成度和容量越来越大，基于PLD的设计方法正逐步成为一种主流于段，是近些年来电子系统设计的一个热点。整个系统分为模拟波形产生、单片机控制电路、FPGA内部功能模块三大部分。FPGA部分的设计是以Altera公司的Quartus Ⅱ软件为开发平台，采用VHDL语言为主要输入手段来完成内部各功能模块的设计输入、编译、仿真等调试工作，目标载体选用性价比比较高的Altera公司的CycloneⅡ系列的器件；单片机控制电路主要负责控制字的设置和显示，波形数据的接受与发送；用MATLAB软件完成仟意波形的绘制和模拟任务。 论文共分五章，详细介绍了课题的背景、PWM发生器的发展和应用以及选题的目的和意义等，论述了系统设计方案的可行性，对外围电路和FPAG内部功能模块的设计方法进行了具体说明，并对仿真结果、系统的性能、存在的问题和改进方法等进行了分析和阐述。整个设计满足PWM发生器的任务和功能要求，设计方法可行。
上传时间： 2013-06-03
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随着电力电子变流技术的不断发展，各种先进的控制技术层出不穷。控制器也从过去的模拟电路时代逐渐进入到全数字控制时代。但是MCU/DSP等通用控制器本身串行程序流工作模式的限制，在实现复杂算法时往往难以满足系统要求的快速性与实时性的要求，FPGA的出现为解决这个问题提供了一个新的方向。 本文首先对三相PWM整流器系统进行了研究。在查阅大量国内外文献资料的基础上，对整流器及其控制器的国内外发展现状及研究趋势做了详细的研究，并对课题研究的意义有了更深入的认识。接下来对三相电压型整流器的拓扑结构、数学模型、整流器的控制技术进行了分析。文中所采用的滞环电流控制算法具有结构简单，电流响应速度快，不依赖系统参数，系统鲁棒性好的特点。运用matlab仿真软件，对该控制方法进行了仿真。然后对FPGA的发展历程、应用、分类、开发工具、语言等内容进行了介绍。最后对滞环控制算法进行了模块划分，将其划分为PI算法模块，限幅与指令电流生成模块，滞环比较模块，PWM脉冲生成及死区保护模块，AD控制及数据储存模块，并在Quartus II软件环境下，使用VHDL语言通过编程实现模块化设计。实践证明，采用FPGA来实现PWM整流器控制算法是可行的。
上传时间： 2013-04-24
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串行数字接口SDI是目前使用最广泛的数字视频接口。它是遵循SMPTE-259M和EBtJ-Tech-3267标准制定的，己经被世界上众多数字视频设备生产厂家普遍采纳并作为标准视频接口，主要用在非线性编辑系统、视频服务器、虚拟演播室以及数字切换矩阵和数字光端机等场合。 以往的SDI接口在实现方法上有成本高、灵活性低等缺点，针对这些不足，本文在研究串行数字接口工作原理的基础上，提出了一种基于FPGA的标清串行数字接口(SD-SDI)的设计方案，并使用SOPC Builder构成一个Nios II处理器系统，将SDI接口以IP核形式嵌入到FPGA内部，从而提高系统的集成度，使之具有视频数据处理速度快、实时性强、性价比高的特点。具体研究内容包括： 1.在分析SDI接口的硬件结构和工作原理的基础上，提出了串行数字接口的嵌入式系统设计方法，完成了SDI接口卡的FPGA芯片内部配置以及驱动电路、均衡电路、电源电路等硬件电路设计。 2.采用软逻辑方法实现SDI接口的传输功能，进行了具体的模块化设计与仿真。 3.引入Nios II嵌入式软核处理器对数据进行处理，设计了视频图像数据的采集程序。 该传输系统以Altera公司的Cyclone II EP2C35F672C8为核心芯片，通过发送和接收电路的共同作用，能够完成标清数字视频信号的传输，初步确立了以SDI接口为数据源的视频信号传输系统的整体模式和框架。
上传时间： 2013-04-24
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本文的设计采用FPGA来实现π/4DQPSK调制解调。采用π/4DQPSK的调制解调方式是基于频带利用率、误比特率(即抗噪性)和实现复杂性等综合因素的考虑；采用FPGA进行实现是考虑到高速的数据处理以及AD和DA的高速采样。 本课题主要包含以下几个方面的研究： 首先对π/4DQPSK技术的应用发展情况做简单介绍，并对其调制解调原理进行了详细的阐述。在理解原理的基础上，将调制解调进行模块化划分，提出了实现的思路和方法。其中包括串并转换，差分相位编码，内插，成形滤波器，正交调制，带通滤波器及希尔伯特变换，解调，位同步，载波同步，差分相位解码。 其次在FPGA上实现了π/4DQPSK的大部分模块。其中调制端的各个模块的功能都已经实现，并综合在一起，下载到开发板上进行了在线仿真。其中成形滤波器的设计大大降低了FPGA的资源开销，是本次设计的创新；解调端对载波同步和位同步提出了设计思路，具体的实现还需要进一步的研究；接口电路的测试和在线仿真已经完成。 最后提出了硬件实现的方案以及三种芯片的选型与设计，给出了简要的电路图和时序图。
上传时间： 2013-08-03
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随着现代工业的高速发展，电力系统的非线性负荷日益增多，严重地污染了电网的环境，威胁着电网中的各种电气设备的安全经济运行，不论从保证电力系统和供电系统的安全经济运行或是从保证设备和人身的安全来看，对谐波污染造成的危害影响加以经常监测和限制都是极为迫切的。谐波测量是谐波治理的重要前提条件，也是分析解决谐波治理问题的基本问题。国内外已有各种谐波检测的研究，形成了多种谐波检测方法，基于快速傅立叶变化的FFT是当前谐波检测中应用最为广泛的一种谐波检测方法。特别是经过技术补偿后的FFT算法，在谐波检测中具有更好的性能。但该方法在实现上主要是采用通用DSP器件(比如TI公司产品)，其实时性不强，影响了检测性能。随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，基于FPGA的数字信号处理具有高速、开发简便、易于形成ASIC等优势而得到了广泛的应用。论文在分析谐波测量方法的基础上，提出了基于FPGA实现电网谐波测量系统。以嵌入式处理器NiosⅡ为核心，实现了电网谐波分析的周期图功率谱分析方法。在整个系统硬件设计的基础上，主要完成了基-28点、16点、32的FFT模块、完成了求模运算模块以及输出显示模块。通过比较仿真得到的方波、正弦信号的谱结构与实际系统输出的谱结构，验证了该实现方法的正确性。
上传时间： 2013-06-30
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根据交通部公布的数据，交通事故呈逐年上升趋势，交通事故不仅给公民的财产造成了损失，而且给公民的人身安全也会造成威胁。因此如何更好地避免交通事故成为一个焦点课题，汽车安全系统更是成为汽车生产商和研究机构的研究热点。 当前汽车安全系统有两大种类：一是被动式安全系统。例如：安全带，安全气囊等。二是主动式安全系统。主动安全系统又分为主动被动式和主动自动式。前者有ABS等。后者有汽车自动防撞系统和倒车雷达等。 本文采用激光测距系统，开发一种汽车在高速公路上行驶的主动式防撞系统，本文的重点是开发测距预警系统，采用专门的激光测距芯片和接收芯片，并采用FPGA(Filed Programmable Gate Array)作为主控芯片，对前车进行有效的监控，根据检测得到的数据，实时提出建议和报警，提醒驾驶员减速或者采取制动措施，从而达到预防追尾碰撞的目的。本文工作主要有以下几个方面： 1) 在比较分析激光、雷达和毫米波等测距方法的基础上，根据市场需求及潜在用户分析，确定采用激光脉冲测距方式。针对激光脉冲测距存在的技术难题，提出以FPGA作为系统核心控制模块的测距系统设计方案。 2) 根据对车载动态测距系统测量精度、测量频率和测量范围的基本要求，结合脉冲激光测距的特点，提出采用多头脉冲激光测距和多周期脉冲测量的技术方案。该方案可有效提高系统测距精度和测量范围，降低系统成本。 3) 基于上述方案，完成了基于FPGA的多头脉冲激光测距系统的各功能模块的详细设计、功能仿真、综合优化及板级测试实验。实验表明，各主要功能模块基本达到预期设计要求，为测距系统的后期开发奠定了基础。 4) 完成了激光测距传感器外围光电转换电路、电源转换电路及通讯接口的设计、制作、安装及实验室调试。 5) 最后对论文研究工作进行了总结，提出了系统的不足之处和进一步研究工作的方向。
上传时间： 2013-05-27
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