FPGA作为新一代集成电路的出现，引起了数字电路设计的巨大变革。随着FPGA工艺的不断更新与改善，越来越多的用户与设计公司开始使用FPGA进行系统开发，因此，PFAG的市场需求也越来越高，从而使得FPGA的集成电路板的工艺发展也越来越先进，在如此良性循环下，不久的将来，FPGA可以主领集成电路设计领域。正是由于FPGA有着如此巨大的发展前景与市场吸引力，因此，本文采用FPGA作为电路设计的首选。 @@ 随着FPGA的开发技术日趋简单化、软件化，从面向硬件语言的VHDL、VerilogHDL设计语言，到现在面向对象的System Verilog、SystemC设计语言，硬件设计语言开始向高级语言发展。作为一个软件设计人员，会很容易接受面向对象的语言。现在软件的设计中，算法处理的瓶颈就是速度的问题，如果采用专用的硬件电路，可以解决这个问题，本文在第一章第二节详细介绍了软硬结合的开发优势。另外，在第一章中还介绍了知识产权核心（IP Core）的发展与前景，特别是IP Core中软核的设计与开发，许多FGPA的开发公司开始争夺软核的开发市场。 @@ 数字电路设计中最长遇到的就是通信的问题，而每一种通信方式都有自己的协议规范。在CPU的设计中，由于需要高速的处理速度，因此其内部都是用并行总线进行通信，但是由于集成电路资源的问题，不可能所有的外部设备都要用并行总线进行通信，因此其外部通信就需要进行串行传输。又因为需要连接的外部设备的不同，因此就需要使用不同的串行通信接口。本文主要介绍了小型CPU中常用的三种通信协议，那就是SPI、I2C、UART。除了分别论述了各自的通信原理外，本文还特别介绍了一个小型CPU的内部构造，以及这三个通信协议在CPU中所处的位置。 @@ 在硬件的设计开发中，由于集成电路本身的特殊性，其开发流程也相对的复杂。本文由于篇幅的问题，只对总的开发流程作了简要的介绍，并且将其中最复杂但是又很重要的静态时序分析进行了详细的论述。在通信协议的开发中，需要注意接口的设计、时序的分析、验证环境的搭建等，因此，本文以SPI数据通信协议的设计作为一个开发范例，从协议功能的研究到最后的验证测试，将FPGA 的开发流程与关键技术等以实例的方式进行了详细的论述。在SPI通信协议的开发中，不仅对协议进行了详细的功能分析，而且对架构中的每个模块的设计都进行了详细的论述。@@关键词：FPGA；SPI；I2C；UART；静态时序分析；验证环境
上传时间： 2013-04-24
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移动无线信道特性对移动通信系统性能具有重要影响，移动信道建模和仿真对移动通信系统的研发具有重要意义。因此，对移动信道建模与仿真进行研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文从无线电波的传播特点出发，分析了无线电波的传播模型和描述信道特性的主要参数，重点分析了移动小尺度衰落模型；结合无线电波传输环境的特点，研究了平坦衰落信道和频率选择性信道的特点，设计了基于FPGA的移动无线信道仿真器，同时给予了软硬件验证。 本文从衰落的数学模型角度研究了信道传输特性，以及各项参数对信道特性的影响。主要做了以下几个方面的工作： 1.简要介绍了无线电通信的发展史及信道建模与仿真的意义；论述了信道对无线信号主要的三类影响：自由空间的路径损失、阴影衰落、多径衰落；分析了无线通信传播环境，移动无线通信信道仿真的基本模型，同时介绍了用正弦波叠加法和成型滤波器法建立信道确定型仿真模型的具体实现方法。 2.对移动无线信道特性进行了Matlab仿真，对仿真结果进行了对比分析，对影响信道特性的主要参数设置进行了分析仿真。 3.设计了一种基于FPGA的移动无线信道仿真器，并对实现该仿真器的关键技术和实现方法进行了分析。该信道仿真器能够实时模拟窄带信号条件下无线信道的主要特点，如多径时延、多普勒频移、瑞利衰落等，其主要的技术指标达到了设计要求。该模拟器结构简单，参数可调，易于扩展，通用性强，可以部分或全部集成到处于研制阶段的接收机中，以便于性能测试，也可应用于教学实践。
上传时间： 2013-04-24
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虚拟仪器技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。目前虚拟仪器大部分是基于PC机，利用PCI等总线技术传输数据，数据卡插拔不便，便携性差。随着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式系统平台已经应用到各个领域，而市场上的嵌入式虚拟仪器系统还相当少，各种研究工作才刚刚起步，各种高性能的虚拟仪器和处理系统在现代工业控制和科学研究中已成为必不可少的部分。因此在我国开发具有较高性能、接口灵活、功能多样化、低成本的虚拟仪器装置势在必行。 针对目前虚拟仪器系统发展趋势和特点，采用FPGA技术，进行一种支持多种平台的高速虚拟仪器系统的设计与研究，并针对高速虚拟仪器系统中的一些技术难点提出解决方案。首先进行了系统的总体设计，确定了采用FPGA作为系统的控制核心，并选取了Labview作为PC平台应用程序开发工具，利用USB2.0接口来进行数据传输；同时选取嵌入式处理器S3C2410以及WinCE作为嵌入式系统硬软件平台。随后进行了各个具体模块的设计，在硬件方面，分别设计了前端处理电路，ADC电路以及USB接口电路。在软件方面，进行了FPGA控制程序的设计工作，实现了对各个模块和接口电路的控制功能。在上层应用程序的设计方面，设计了Labview应用程序，实现了波形显示和频谱分析等仪器功能，人机界面良好。在嵌入式平台上面，进行了WinCE下GPIO驱动程序设计，并在上层应用程序中调用驱动来进行数据的读取。为了解决高速ADC与数据缓存器的速度不匹配的问题，提出利用多体交叉式存储器结构的设计方案，并在FPGA内对控制程序进行了设计，对其时序进行了仿真。 最后对系统进行了联合调试工作，利用上层软件对输入波形进行采集。根据调试结果看，该系统对输入信号进行了较好的采样和存储，还原了波形，达到了预期效果。课题研究并且对设计出一种支持多平台的新型虚拟仪器系统，具有性能好、使用灵活，节省成本等特点，具有较高的研究价值和现实意义。
上传时间： 2013-04-24
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工业生产过程往往具有非线性、不确定性，难以建立精确的数学模型。应用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。作为的重要分支，人工神经网络具有良好的非线性映射能力和高度的并行信息处理能力，已成为非线性系统建模、辨识和控制中常用的理论和方法。其中，神经元具有很强的信息综合、学习记忆、自学习和自适应能力，可以处理那些难以用模型和规则描述的过程，将神经元与PID结合，应用到实际的控制中，可以在线调整PID的参数，使系统具有较强的抗干扰能力、自适应能力和较好的鲁棒性。 目前，人工神经网络的研究主要是神经网络的理论研究、神经网络的应用研究和神经网络的实现技术研究，这三方面是相互依赖和相互促进的关系。本文主要侧重的是神经网络的实现技术研究方面，创新性地利用FPGA嵌入式系统开发技术实现单神经元PID智能控制器的研究与设计，并将其封装成为一个专用的IP核供其他的控制系统使用。 首先，对单神经元PID智能控制器的设计原理和设计算法进行了深入的研究与分析；其次，利用MATLAB设计单神经元PID智能控制器，针对特定的被控对象，对其进行仿真实验，获得比较理想的系统输出；然后，研究基于FPGA的单神经元智能控制算法的实现，对控制器进行VHDL语言分层设计，使用Altera公司的软件QuartusⅡ6.1进行仿真实验。两个仿真实验结果表明，基于FPGA的单神经元智能控制器比MATLAB设计的单神经元PID智能控制器性能优良。 本文的设计模块主要包括权值修改模块、误差计算模块、权值产生模块和输出模块。在各个模块的设计中进行了优化处理，使本文的设计不仅利用的硬件资源少，而且也有很快的运行速度，同时也改善了传统控制器的控制性能。
上传时间： 2013-04-24
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本文提出了一种基于FPGA的硬件防火墙的实现方案，采用了FPGA来实现千兆线速的防火墙。传统的基于X86等通用CPU的防火墙无法支撑快速增长的网络速度，无法实现线速过滤和转发。本文在采用FPGA可编程器件+通用CPU模式下，快速处理网络数据。网络数据在建立连接跟踪后，直接由FPGA实现的快速处理板直接转发，实现了网络数据的线速处理，通用CPU在操作系统支持下，完成网络数据的连接跟踪的创建、维护，对网络规则表的维护等工作。FPGA硬件板和CPU各司所长，实现快速转发的目的。 本文设计了基于FPGA的硬件板的硬件规格，提出了硬件连接跟踪表的存储模式，以及规则表的存储模式和定义等； 防火墙系统软件采用NetBSD操作系统，完成了硬件板的NetBSD的驱动；在软件系统完成了新建连接的建立、下发、老化等工作；在连接跟踪上完成了规则的建立、删除、修改等工作。 本文完成了防火墙的实现。实现了基于连接跟踪的包过滤、地址转换（NAT），设计了连接跟踪的关键数据结构，包过滤的关键数据结构等，重用了NetBSD操作系统的路由。本文针对地址转换应用程序的穿透问题，新增了部分实现。 在DoS攻击是一种比较常见的攻击网络手段，本文采用了软硬件结合的方法，不仅在软件部分做了完善，也在硬件部分采取了相应的措施，测试数据表明，对常见的Syn洪水攻击效果明显。 在实践过程中，我们发现了NetBSD操作系统内核的软件缺陷，做了修正，使之更完善。 经过测试分析，本方案不仅明显的优于X86方案，和基于NP方案、基于ASIC方案比较，具有灵活、可配置、易升级的优点。
上传时间： 2013-06-21
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人脸自动识别技术是模式识别、图像处理等学科的一个最热门研究课题之一。随着社会的发展,各方面对快速有效的自动身份验证的要求日益迫切，而人脸识别技术作为各种生物识别技术中最重要的方法之一，已经越来越多的受到重视。对于具有实时，快捷，低误识率的高性能算法以及对算法硬件加速的研究也逐渐展开。 本文详细分析了智能人脸识别算法原理，发展概况和前景，包括人脸检测算法，人眼定位算法，预处理算法，PCA和ICA 算法，详细分析了项目情况，系统划分，软硬件平台的资源和使用。并在ISE软件平台上，用硬件描述语言(verilog HDL)对算法部分严格按照FPGA代码风格进行了RTL 硬件建模，并对C++算法进行了优化处理，通过仿真与软件算法结果进行比对，评估误差，最后在VirtexII Pro FPGA 上进行了综合实现。 主要研究内容如下： 首先，对硬件平台xilinx的VirtexII Pro FPGA 上的系统资源进行了描述和研究，对存储器sdram,RS-232 串口，JTAG 进行了研究和调试，对Coreconnect的OPB总线仲裁机理进行了两种算法的比较，RTL 设计，仿真和综合。利用ISE和VC++软件平台，对verilog和C++算法进行同步比较测试，使每步算法对应正确的结果。对软硬件平台的合理使用使得在项目中能尽可能多的充分利用硬件资源，制板时正确选型，以及加快设计和调试进度。其次，对人脸识别算法流程中的人脸检测，人眼定位，预处理，识别算法分别进行了比较研究，选取其中各自性能最好的一种算法对其原理进行了分析讨论。人脸检测采用adaboost 算法，因其速度和精度的综合性能表现优异。人眼定位采用小块合并算法，因为它具有快速，准确，弱时实的特点。预处理算法采用直方图均衡加平滑的算法，简单，高效。 识别算法采用PCA 加ICA 算法，它能最大的弱化姿态和光照对人脸识别的影响。 最后，使用Verilog HDL 硬件描述语言进行算法的RTL 建模，在C++算法的基础上，保证原来效果的前提下，根据FPGA 硬件特点对算法进行了优化。视频输入输出是人脸识别的前提，它提供FPGA 上算法需要处理的数据，预处理算法在C++算法的基础上进行了优化，最大的减少了运算量，提高了运算速度，16 位计算器模块使得在算法实现时可以根据系统要求，在FPGA的ip 核和自己设计的模块之间选择性能更好的一个来调用，FIFO的设计提供同步和异步时钟域的数据缓存。设计在ISE和VC++软件平台同时进行，随时对verilog和C++数据进行监测和比对。全部设计模块通过仿真，达到预定的性能要求，并在FPGA 上综合实现。
上传时间： 2013-07-13
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数字D类音频放大器，也叫数字脉冲调制放大器，具有效率高，低电压，低失真的特点，在低成本，高性能的消费类产品特别是便携式设备中得到越来越广泛的应用。数字D类放大器包括数字脉冲宽度调制（PWM）和输出级（含低通滤波器）两个部分，数字PWM又包括两个部分，采样处理和脉冲产生。传统的采样处理算法运算复杂，硬件实现成本高，面积大，从而导致功耗也大，不适合当今向低功耗发展的趋势。 本文在传统算法的基础上提出了一种新的算法，该算法不包括乘法或者除法这些计算复杂和非常消耗硬件资源的单元，只含加法和减法运算。在推导出该算法的傅立叶表达式后，在MATLAB的simulink中建立系统模型进行仿真以验证算法的可行性，在输入信号频率为1kHZ，采样频率为48kHZ，电源电压为10V，输出负载为4Ω的条件下，得到的总谐波失真为0．12％，符合D类放大器的性能要求。本文还在基于Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA的基础上实现了该算法的电路结构，综合结果表明，实现基于本文算法的数字D类音频系统所需要的硬件资源大大减少，从而减少了功耗。 关键词：D类放大器；脉冲宽度调制；采样算法；数字音频放大器；FPGA
上传时间： 2013-07-19
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对于H.264视频编码系统，虽然单纯用软件也可以实现整个编码过程，但是由于整个编码系统的算法复杂度很高，里面又有大量的数学运算，使得软件的计算能力差、速度慢，容易造成总线拥挤，所以单纯地依靠软件无法实现视频编码的要求。为了缩短整个编码的时间，提高编码系统的工作效率，有必要将软件中耗费时间和资源较多的模块用硬件来实现。本文正是基于上述的想法，通过使用FPGA丰富的内部资源来实现H.264的编码。本系统流程是首先使用视频解码芯片SAA7113将从摄像头传输过来的PAL制式数据转换为ITU656格式的数字视频数据，然后由FPGA读取并进行预测、变换和编码，最后将编码生成的码流通过USB接口发送到PC端进行解码和显示。
上传时间： 2013-06-30
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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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互感器是电力系统中电能计量和继电保护中的重要设备，其精度和可靠性与电力系统的安全性、可靠性和经济运行密切相关。随着电力工业的发展，传统的电磁式互感器已经暴露出一系列的缺陷，电子式互感器能很好的解决电磁式互感器的缺点，电子式互感器逐步替代电磁式互感器代表着电力工业的发展方向。目前，国产的互感器校验仪主要是电磁式互感器校验仪，电子式互感器校验仪依赖于进口。电子式互感器的发展，使得电子式互感器校验仪的研制势在必行。 本课题依据国际标准IEC60044-7、IEC60044-8和国内标准GB20840[1].7-2007、GB20840[1].8-2007，设计了电子式互感器检验仪。该校验仪采用直接法对电子式互感器进行校验，即同时测试待校验电子式互感器和标准电磁式互感器二次侧的输出信号，比较两路信号的参数，根据比较结果完成电子式互感器的校验工作。论文首先介绍了电子式互感器结构及输出数字信号的特征，然后详细论述了电子式互感器校验仪的硬件及软件设计方法。硬件主要采用FPGA技术设计以太网控制器RTL8019的控制电路，以实现电子式互感器信号的远程接收，同时设计A/D芯片MAX125的控制电路，以实现标准电磁式互感器模拟输出的数字化。软件主要采用FPGA的SOPC技术，研制了MAX125和RTL8019的IP核，在NiosIIIDE集成开发环境下，完成对硬件电路的底层控制，运用准同步算法和DFT算法开发应用程序实现对数字信号的处理。最终完成电子式互感器校验仪的设计。 最后进行了相关的实验，所研制的电子式互感器校验仪对0.5准确级的电子式电压互感器和0.5准确级电子式电流互感器分别进行了校验，对其额定负荷的20％、100％、120％点做为测量点进行测量。经过对实验数据的处理分析可知，校验仪对电子式互感器的校验精度满足0.5％的比差误差和20’的相位差。本课题的研究为电子式互感器校验仪的研制工作提供了理论和实践依据。
上传时间： 2013-04-24
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