MPEG-2是MPEG组织在1994年为了高级工业标准的图象质量以及更高的传输率所提出的视频编码标准，其优秀性使之成为过去十年应用最为广泛的标准，也是未来十年影响力最为广泛的标准之一。 本文以MPEG-2视频标准为研究内容，建立系统级设计方案，设计FPGA原型芯片，并在FPGA系统中验证视频解码芯片的功能。最后在0.18微米工艺下实现ASIC的前端设计。完成的主要工作包括以下几个方面： 1.完成解码系统的体系结构的设计，采用了自顶而下的设计方法，实现系统的功能单元的划分；根据其视频解码的特点，确定解码器的控制方式；把视频数据分文帧内数据和帧间数据，实现两种数据的并行解码。 2.实现了具体模块的设计：根据本文研究的要求，在比特流格式器模块设计中提出了特有的解码方式；在可变长模块中的变长数据解码采用组合逻辑外加查找表的方式实现，大大减少了变长数据解码的时间；IQ、IDCT模块采用流水的设计方法，减少数据计算的时间：运动补偿模块，针对模块数据运算量大和访问帧存储器频繁的特点，采用四个插值单元同时处理，增加像素缓冲器，充分利用并行性结构等方法来加快运动补偿速度。 3.根据视频解码的参考软件，通过解码系统的仿真结果和软件结果的比较来验证模块的功能正确性。最后用FPGA开发板实现了解码系统的原型芯片验证，取得了良好的解码效果。 整个设计采用Verilog HDL语言描述，通过了现场可编程门阵列(FPGA)的原型验证，并采用SIMC0.18μm工艺单元库完成了该电路的逻辑综合。经过实际视频码流测试，本文设计可以达到MPEG-2视频主类主级的实时解码的技术要求。
上传时间： 2013-07-27
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MP3音乐是目前最为流行的音乐格式，因其音质、复杂度与压缩比的完美折中，占据着广阔的市场，不仅在互联网上广为流传，而且在便携式设备领域深受人们喜爱。本文以MPEG-1的MP3音频解码器为研究对象，在实时性、面积等约束条件下，研究MP3解码电路的设计方法，实现FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的验证方法。 论文的主要贡献如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解码过程的相关步骤，以减少缓冲区存储单元的容量和访存次数。如把重排序步骤融合到反量化模块，可以减少一半的读写RAM操作；把IMDCT模块内部的三个算法步骤融合在一起进行设计，可以省去存储中间计算结果的缓存区单元。 (2)反量化、立体声处理等模块中，采用流水线设计技术，设置寄存器把较长的组合逻辑路径隔开，提高了电路的性能和可靠性；使用连续访问公共缓存技术，合理规划各计算子模块的工作时序，将数据计算的时间隐藏在访存过程中；充分利用频率线的零值区特性，有效地减少数据计算量，加快了数据处理的速度。 (3)设计了MP3硬件解码器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述语言设计RTL级电路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA开发板为平台，实现MP3解码器的FPGA原型芯片。MP3硬件解码器在Stratix II EP2S180器件内的资源利用率约为5％，其中组合逻辑查找表ALUT为7189个，寄存器共有4024个，系统频率可达69.6MHz，充分满足了MP3解码过程的实时性要求。实验结果表明，MP3音频解码FPGA原型芯片可正常播放声音，解码音质良好。
上传时间： 2013-07-01
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LED显示屏是LED点阵模块或者像素单元组成的平面显示屏幕。自从诞生以来，以其亮度高、视角广、寿命长、性价比高的特点，在交通、广告、新闻发布、体育比赛、电子景观等领域得到了广泛应用。 LED显示屏控制器作为控制LED屏显示图像、数据的关键，是整个LED视频显示系统的核心。本文研究的是对全彩色同步LED屏的控制，控制LED屏同步显示在上位机显示系统中某固定位置处的图像。根据已有的LED显示屏及其驱动器的特点，提出了一种可行的方案并进行了设计。系统主要分为两个部分：视频信号的获取，视频信号的处理。 经过分析比较，决定从显卡的DVI接口获得视频源，视频源经过DVI解码芯片TFP401A的解码后，可以获得图像的数字信息，这些信息包括红、绿、蓝三基色的数据以及行同步、场同步、使能等控制信号。这些信号将在视频信号处理模块中被使用。 信号处理模块在接收视频信号源后，对数据进行处理，最后输出数据给驱动电路。在信号处理模块中，采用了可编程逻辑器件FPGA来完成。可编程逻辑器件具有高集成度、高速度、高可靠性、在线可编程（ISP）等特点，所以特别适合于本设计。利用FPGA的可编程性，在FPGA内部划分了各个小模块，各小模块中通过少量的信号进行联系，这样就将比较大的系统转化成许多小的系统，使得设计更加简单，容易验证。本文分析了驱动电路所需要的数据的特点，全彩色灰度级的实现方式，决定把系统划分为视频源截取、RGB格式转化、位平面分离、读SRAM地址发生器、写SRAM地址发生器、读写SRAM选择控制器、灰度实现等模块。 最后利用示波器和SignalTap II逻辑分析仪等工具，对系统进行了联合调试。改进了时序、优化了布局布线，使得系统性能得到了良好的改善。 在分析了所需要的资源的基础上，课题决定采用Altera的Cyclone EP1C12 FPGA设计视频信号处理模块，在Quartus II和modelsim平台下，用Verilog HDL语言开发。
上传时间： 2013-05-19
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Scaler是平板显示器件(FPD，Flat Panel Display)中的重要组成部分，它将输入源图像信号转换成与显示屏固定分辨率一致的信号，并控制其显示在显示屏上。本文在研究图像缩放算法和scaler在FPD中工作过程的基础上，采用自上而下(Top-down)的设计方法，给出了scaler的设计及FPGA验证。该scaler支持不同分辨率图像的缩放，且缩放模式可调，也可以以IP core的形式应用于相关图像处理芯片中。 图像缩放内核是scaler的核心部分，它是scaler中的主要运算单元，完成图像缩放的基本功能，它所采用的核心算法以及所使用的结构设计决定着缩放性能的优劣，也是控制芯片成本的关键。因此，本文从缩放内核的结构入手，对scaler的总体结构进行了设计；通过对图像缩放中常用算法的深入研究提出了一种新的优化算法——矩形窗缩放算法，并对其计算进行分析和简化，降低了计算的复杂度。FPGA设计中，采用列缩放与行缩放分开处理的结构，使用双口RAM作为两次缩放间的数据缓冲区。使用这种结构的优势在于：行列缩放可以同时进行，数据处理的可靠性高、速度快：内核结构简单明了,数据缓冲区大小合适，便于设计。此外，本文还介绍了其他辅助模块的设计，包括DVI接口信号处理模块、缩放参数计算与控制模块以及输出信号检测与时序滤波模块。 本设计使用Verilog HDL对各模块进行了RTL级描述，并使用Quartus II7.2进行了逻辑仿真，最后使用Altera公司的FPGA芯片来进行验证。通过逻辑验证和系统仿真，证明该scaler的设计达到了预期的目标。对于不同分辨率的图像，均可以在显示屏上得到稳定的显示。
上传时间： 2013-05-30
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近红外光谱法是血液成分无创检测方法中的热点，也是取得成果最多的方法之一。但是，个体差异和测量条件是影响近红外光谱血液成分无创检测的一个较突出的问题。而动态光谱法就是针对这个问题而提出的一种全新的近红外无创血液成分浓度检测方法。它从原理上消除了个体差异和测量条件等对光谱检测的影响，为基于近红外光谱法的血液成分无创检测方法进入临床应用去除了一个较为关键的障碍。因此，本文根据动态光谱检测原理设计了基于FPGA的动态光谱数据采集系统。 在分析了动态光谱数据采集系统的性能要求后，采用DALSA的高性能线阵CCD IL-C6-2048C作为光电转换器件；根据CCD输出数据的高速度和信号微弱及含有噪声等特点，选用了高速、高精度、并带有相关双采样芯片的图像处理芯片AD9826作为模数转换器件；以FPGA及其内嵌的NIOSⅡ处理器作为核心控制器，并用LabVIEW对采集得到的数据进行显示。 在FPGA中，利用Verilog HDL语言编写了CCD和AD9826的控制时序；利用两块双口RAM组成乒乓操作单元，实现高速数据的缓存，避免利用NiosⅡ处理器直接读取时的频繁中断。将NIOSⅡ处理器系统嵌入到FPGA中，实现整个系统的管理。NiOSⅡ处理器利用中断方式读取缓存单元中的数据、经对数变换后传递给计算机。其中缓存数据的读取及对数变换均采用自定义组件的方式将硬件单元添加到NIOSⅡ系统中，编程时直接调用。NIOSⅡ系统通过串口将处理后的数据传递给LabVIEW， LabVIEW对数据简单处理后显示，以实时观察采样数据是否正确。 最后对系统进行了实验测试，实验结果表明，系统能够很好的采集并显示数据，能够初步完成光信号的检测。
上传时间： 2013-04-24
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高速、高精度已经成为伺服驱动系统的发展趋势，而位置检测环节是决定伺服系统高速、高精度性能的关键环节之一。光电编码器作为伺服驱动系统中常用的检测装置，根据结构和原理的不同分为增量式和绝对式。本文从原理上对增量式光电编码器和绝对式光电编码器做了深入的分析，通过对比它们的特性，得出了绝对式光电编码器更适合高速、高精度伺服驱动系统的结论。 绝对式光电编码器精度高、位数多的特点决定其通信方式只能采取串行传输方式，且由相应的通信协议控制信息的传输。本文首先针对编码器主要生产厂商日本多摩川公司的绝对式光电编码器，深入研究了通信协议相关的硬件电路、数据帧格式、时序等。随后介绍了新兴的电子器件FPGA及其开发语言硬件描述语言Verilog HDL，并对基于FPGA的绝对式编码器通信接口电路做了可行性的分析。在此基础上，采用自顶向下的设计方法，将整个接口电路划分成发送模块、接收模块、序列控制模块等多个模块，各个模块采用Verilog语言进行描述设计编码器接口电路。最终的设计在相关硬件电路上实现。最后，通过在TMS320F2812伺服控制平台上编写的硬件驱动程序验证了整个设计的各项功能，达到了设计的要求。
上传时间： 2013-07-11
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直接数字频率合成(DDS)是七十年代初提出的一种新的频率合成技术，其数字结构满足了现代电子系统的许多要求，因而得到了迅速的发展。现场可编程门阵列器件(FPGA)的出现，改变了现代电子数字系统的设计方法，提供了一种全新的设计模式。本论文结合这两项技术，并利用单片机控制灵活的特点，开发了一种双通道波形发生器。在实现过程中，选用了Altera公司的EP1C6Q240C8芯片作为产生波形数据的主芯片，充分利用了该芯片的超大集成性和快速性。在控制芯片上选用ATMAL的AT89C51单片机作为控制芯片。本设计中，FPGA芯片的设计和与控制芯片的接口设计是一个难点，本文利用Altera的设计工具Quartus Ⅱ并结合Verilog-HDL语言，采用硬件编程的方法很好地解决了这一问题。 本文首先介绍了波形发生器的研究背景和DDS的理论。然后详尽地叙述了用EP1C6Q240C8完成DDS模块的设计过程，这是设计的基础。接着分析了整个设计中应处理的问题，根据设计原理就功能上进行了划分，将整个仪器功能划分为控制模块、外围硬件、FPGA器件三个部分来实现。然后就这三个部分分别详细地进行了阐述。并且通过系列实验，详细地分析了该波形发生器的功能、性能、实现和实验结果。最后，结合在设计中的一些心得体会，提出了本设计中的一些不足和改进意见。通过实验说明，本设计达到了预定的要求，并证明了采用软硬件结合，利用FPGA实现基于DDS架构的双路波形发生器是可行的。
上传时间： 2013-06-09
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本文主要研究了认知无线电频谱感知功能的关键技术以及硬件实现方法。首先，提出了认知无线电频谱感知功能的硬件实现框图，包括射频前端部分和数字信号处理部分，接着简单介绍了射频前端电路的功能与特性，最后重点介绍了数字信号处理部分的FPGA实现与验证过程。 数字处理部分主要实现宽带信号的短时傅立叶分析，将中频宽带数字信号通过基于多相滤波器组的下变频模块，实现并行多通道的数字下变频，然后对每个信道进行重叠加窗处理，最后再做快速傅立叶分析(FFT)，从而得到信号的时频关系。整个系统主要包括：延时抽取模块、多相滤波器模块、32点开关式流水线FFT模块、滑动窗缓冲区、256点流水线FFT模块等。 本设计采用Verilog HDL硬件描述语言进行设计，基于Xilinx公司的Virtex-4XC4VSX35芯片。整个系统采用全同步设计，可稳定工作于200MHz，其分析带宽高达65MHz，具有很高的使用价值。
上传时间： 2013-07-09
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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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