本课题源于空中机器人大赛参赛项目。针对比赛要求，提出了一种基于ARM的低成本、高性能的嵌入式微小无人机飞行控制系统的整体方案，并由此展开了一系列的研究工作。 本文的重点是飞行控制系统的姿态确定系统设计和飞行控制系统的硬件设计及实现。 本文首先回顾了国内外微小无人机发展历程，介绍了其研究现状，并指出了微小无人机的发展趋势。根据需求设计了低价位、高性能的嵌入式微小无人机飞行控制系统的整体方案。 设计了低成本、低功耗的微小无人机的姿态确定系统方案，利用姿态四元数、龙格库塔法、高斯牛顿法和扩展卡尔曼滤波器估计出系统的姿态矩阵；对姿态确定方案进行了仿真。 设计了基于ARM的飞行控制系统的硬件部分，包括电源及复位电路，UART、SPI、JTAG等接口电路，PWM信号发生电路，A/D采样电路及前置电路，光电耦合电路等；完成了整个飞控系统PCB板制作以及对所设计电路的调试工作，使得系统运转正常。 最后针对本文设计的硬件平台进行了启动代码等系统底层软件的编写和调试，建立了系统的启动环境。
上传时间： 2013-06-03
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在机器人学的研究领域中，如何有效地提高机器人控制系统的控制性能始终是研究学者十分关注的一个重要内容。在分析了工业机器人的发展历程和机器人控制系统的研究现状后，本论文的主要目标是针对四关节实验室机器人特有的机械结构和数学模型，建立一个新型全数字的基于DSP和FPGA的机器人位置伺服控制系统的软、硬件平台，实现对四关节实验室机器人的精确控制。 本论文从实际情况出发，首先分析了所研究的四关节实验室机器人的本体结构，并对其抽象简化得到了它的运动学数学模型。在明确了实现机器人精确位置伺服控制的控制原理后，我们对机器人控制系统的诸多可行性方案进行了充分论证，并最终决定采用了三级CPU控制的控制体系结构：第一级CPU为上位计算机，它实现对机器人的系统管理、协调控制以及完成机器人实时轨迹规划等控制算法的运算；第二级CPU为高性能的DSP处理器，它辅之以具有高速并行处理能力的FPGA芯片，实现了对机器人多个关节的高速并行驱动；第三级CPU为交流伺服驱动处理器，它实现了机器人关节伺服电机的精确三闭环误差驱动控制，以及电机的故障诊断和自动保护等功能。此外，我们采用比普通UART速度快得多的USB来实现上位计算机．与下位控制器之间的数据通信，这样既保证了两者之间连接方便，又有效的提高了控制系统的通信速度和可靠性。 机器人系统的软件设计包括两个部分：一是采用VC++实现的上位监控软件系统，它主要负责机器人实时轨迹规划等控制算法的运算，同时完成用户与机器人系统之间的信息交互；二是采用C语言实现的下位DSP控制程序，它主要负责接收上位监控系统或者下位控制箱发送的控制信号，实现对机器人的实时驱动，同时还能够实时的向上位监控系统或者下位控制箱反馈机器人的当前状态信息。 研究开发出来的四关节实验室机器人控制器具有控制实时性好、定位精度高、运行稳定可靠的特点，它允许用户通过上位控制计算机实现对机器人的各种设定作业的控制，也可以让用户通过机器人控制箱现场对机器人进行回零、示教等各项操作。
上传时间： 2013-04-24
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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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通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是广泛使用的串行传输协议。串行外设用到异步串行接口一般采用专用集成电路实现。但是这类芯片一般包含许多辅助模块，而时常不需要使用完整的UART的功能和辅助功能，或者当在FPGA上设计时，需要将UART功能集成到FPGA内部而不能使用芯片。蓝牙主机控制器接口则是实现主机设备与蓝牙模块之间互操作的控制部件。当在使用蓝牙设备的时候尤其是在监控场所，接口控制器在控制数据与计算机的传输上就起了至关重要的作用。 论文针对信息技术的发展和开发过程中的实际需要，设计了一个蓝牙HCI-UART(Host Controller Interface-Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)控制接口的模块。使用VHDL将其核心功能集成，既可以单独使用，也可集成到系统芯片中，并且整个设计紧凑、稳定且可靠，其用途广泛，具有一定的使用价值。 本设计采用TOP-DOWN设计方法，整体上分为UART接口和蓝牙主机控制器接口两部分。首先根据UART和蓝牙主机控制器接口的实现原理和设计指标要求进行系统设计，对系统划分模块以及各个模块的信号连接；然后进行模块设计，设计出每个模块的功能，并用VHDL语言编写代码来实现模块功能；再使用ISE8.2I自带的仿真器对各模块进行功能仿真和时序仿真；最后进行硬件验证，在Virtex-II开发板上对系统进行功能验证。实现了发送、接收和波特率发生等功能，验证了结果，表明设计正确，功能良好，符合设计要求。
上传时间： 2013-04-24
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众所周知，信息传输的核心问题是有效性和可靠性，调制解调技术的发展正是体现了这一思想。从最早的模拟调幅调频技术的日益完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。QAM调制作为一种新的调制技术，因其具有很高的频带利用率而得到了广泛的应用。 本文对基于FPGA的16QAM调制解调进行了讨论和研究。首先对16QAM调制解调原理进行了阐述，建立了16QAM调制解调系统的数学模型，然后通过分析提出了基于FPGA的16QAM调制解调系统的设计方案。最后编写Verilog代码实现了算法仿真。 FPGA芯片采用的是Altera公司的大规模集成电路芯片Cyclone系列的EPlC20F32417，并通过软件编程对其进行了相关调试。文中详细介绍了基带成形滤波器、载波恢复和定时同步的基本原理及其设计方法。首先用Matlab对整个16QAM系统进行了软件仿真；然后用硬件描述语言Verilog HDL在QuartusⅡ环境下完成了系统关键算法的编写、行为仿真和综合，最后详细阐述了异步串口(UART)的FPGA实现，把我们编写的Verilog程序下载到EPlC20F32417芯片上效果很好。
上传时间： 2013-06-12
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本文应用EDA技术，基于FPGA器件设计与实现UART，并采用CRC校验。主要工作如下： 1、在异步串行通信电路部分完全用FPGA来实现。选用Xilinx公司的SpartanⅢ系列的XC3S1000来实现异步串行通信的接收、发送和接口控制功能，利用FPGA集成度比较高，具有在线可编程能力，在其完成各种功能的同时，完全可以将串行通信接口构建其中，可根据实际需求分配资源。 2、利用VerilogHDL语言非常容易掌握，功能比VHDL更强大的特点，可以在设计时不断修改程序，来适用不同规模的应用，而且采用Verilog输入法与工艺性无关，利用系统设计时对芯片的要求，施加不同的约束条件，即可设计出实际电路。 3、利用ModelSim仿真工具对程序进行功能仿真和时序仿真，以验证设计是否能获得所期望的功能，确定设计程序配置到逻辑芯片之后是否可以运行，以及程序在目标器件中的时序关系。 4、为保证数据传输的正确性，采用循环冗余校验CRC(CyclicRedundancyCheck)，该编码简单，误判概率低，为了减少硬件成本，降低硬件设计的复杂度，本设计通过CRC算法软件实现。 实验结果表明，基于EDA技术的现场可编程门阵列FPGA集成度高，结构灵活，设计方法多样，开发周期短，调试方便，修改容易，采用FPGA较好地实现了串行数据的通信功能，并对数据作了一定的处理，本设计中为CRC校验。另外，可以利用FPGA的在线可编程特性，对本设计电路进行功能扩展，以满足更高的要求。
上传时间： 2013-04-24
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多普勒计程仪是根据声波在水中的多普勒效应原理而制成的一种精密测速和计算航程的仪器，它是船用导航设备的重要组成之一。针对于多普勒计程仪的核心问题——频率估计，本文提出了一种基于FPGA实现的多普勒测频方案，它具有抗干扰能力强、运算速度快等特点。本论文主要是围绕系统的测频方案的设计与实现展开的。 本文主要研究工作包括：设计和调试基于FPGA的多普勒测频系统的硬件电路；通过对测频算法的研究，采用VHDL语言设计和实现系统的测频算法和其它接口控制程序，并通过软件仿真，测试设计的正确性。 测频系统的硬件电路设计是本论文工作的主要部分之一，也是基于FPGA的多普勒测频系统的核心部分。整个系统以FPGA作为主处理器，完成系统中所有的数字信号处理和外围接口控制，同时，基于FPGA丰富的片内可编程逻辑资源和外部I/O资源，系统还扩展了丰富的通信接口(UART、USB和以太网接口)和显示电路(LCD和LED)，使系统便于与PC机进行数据交换和控制。 系统的软件实现是本文工作的另一重要部分。本文通过对测频算法的研究，完成了基于VHDL实现的过零检测法和FFT算法，同时也实现了对接收机信号的自动增益控制、信号采集和与计算机的通信功能等。
上传时间： 2013-04-24
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随着 EDA 技术及微电子技术的飞速发展，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称 FPGA)的性能有了大幅度的提高，FPGA的设计水平也达到了一个新的高度。基于FPGA的嵌入式系统设计为现代电子产品设计带来了更大的灵活性，以Nios Ⅱ软核处理器为核心的SOPC(System on Programmable Chip)系统便是把嵌入式系统应用在FPGA上的典型例子，本文设计的指纹识别模块就是基于FPGA的Nios Ⅱ处理器为核心的SOPC设计。通过IP核技术和灵活的软硬件编程，实现Nios Ⅱ对FPGA外围器件的控制，并对指纹处理算法进行了改进，研究了指纹识别算法到Nios Ⅱ系统的移植。 本文首先阐述了指纹识别模块的SOPC设计方案，然后是对模块的详细设计。在硬件方面，完成了指纹识别模块的 FPGA 硬件设计，包括 FPGA 内部的Nios Ⅱ系统硬件设计和 FPGA 外围电路设计。前者利用 SOPC Builder将Nios Ⅱ处理器、指纹读取接口 UART、键盘与LCD显示接口、FLASH接口、SDRAM控制器构建成NiosⅡ硬件系统，后者是电源和时钟电路、SDRAM存储器电路、FLASH存储器电路、LCD显示电路、指纹传感器电路、FPGA 配置电路这些纯实物硬件设计，给出了设计方法和电路连接图。 在软件方面，包括下面两个内容： 完成 FPGA 外围器件程序设计，实现对外围器件的操作。 深入的研究了指纹识别算法。对指纹图像识别算法中的指纹图像滤波和匹配算法进行了分析，提出了指纹图像增强改进算法和匹配改进算法，通过试验，改进后的指纹图像滤波算法取得了较好的指纹图像增强效果。改进后的匹配算法速度较快，误识率较低。最后研究了指纹识别算法如何在FPGA中的Nios Ⅱ系统的实现。
上传时间： 2013-06-12
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本论文在详细研究MIL-STD-1553B数据总线协议以及参考国外芯片设计的基础上，结合目前新兴的EDA技术和大规模可编程技术，提出了一种全新的基于FPGA的1553B总线接口芯片的设计方法。 从专用芯片实现的具体功能出发，结合自顶向下的设计思想，给出了总线接口的总体设计方案，考虑到电路的具体实现对结构进行模块细化。在介绍模拟收发器模块的电路设计后，重点介绍了基于FPGA的BC、RT、MT三种类型终端设计，最终通过工作方式选择信号以及其他控制信号将此三种终端结合起来以达到通用接口的功能。同时给出其设计逻辑框图、算法流程图、引脚说明以及部分模块的仿真结果。为了资源的合理利用，对其中相当部分模块进行复用。在设计过程中采用自顶向下、码型转换中的全数字锁相环、通用异步收发器UART等关键技术。本设计使用VHDL描述，在此基础之上采用专门的综合软件对设计进行了综合优化，在FPGA芯片EP1K100上得以实现。通过验证证明该设计能够完成BC/RT/MT三种模式的工作，能处理多种消息格式的传输，并具有较强的检错能力。 最后设计了总线接口芯片测试系统，选择TMS320LF2407作为主处理器，测试主要包括主处理器的自发自收验证，加入RS232串口调试过程提高测试数据的直观性。验证的结果表明本文提出的设计方案是合理的。
上传时间： 2013-04-24
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随着交通工具的迅猛发展，智能交通系统(Intelligent TransportationSystems，简称ITS)在交通管理中受到广泛的关注。而在ITS中，车牌识别(LicensePlate Recognition，简称LPR)是其核心技术。车牌识别系统主要由数据采集和车牌识别算法两个部分组成。由于车牌清晰程度、摄像机性能、气候条件等因素的影响，牌照中的字符可能出现不清楚、扭曲、缺损或污迹干扰，这都给识别造成一定难度。因此，在复杂背景中快速准确地进行车牌定位成为车牌识别系统的难点。 本文研究和设计了一种集图象采集，图象识别，图象传输等于一体的实时嵌入式系统。该平台包括硬件系统设计与应用程序开发两个方面，充分利用TI公司的C6000系列DSP强大的并行运算能力、以及FPGA的灵活时序逻辑控制技术，从硬件方面实现系统的高速运行。 本文的主要工作有两部分组成，具体如下： (1) 在硬件设计方面：实现由A/D、电源、FPGA、DSP以及SDRAM和FLASH所组成的车牌识别系统；设计并完成系统的原理图和印制板图；完成电路板调试，以及完成FPGA．在高速图像采集中的veriIog应用程序开发。 (2) 在软件开发方面：完成Philips公司的SAA7113H的配置代码开发，以及DSP底层的部分驱动程序开发。 该系统能够实现25帧每秒的数字视频流图像数据的输出，并由FPGA负责完成一幅720×572数据量的图像采集。DSP负责系统的嵌入式操作，包括系统的控制和车牌识别算法的实现。 目前，嵌入式车牌识别系统硬件平台已经搭建成功，系统软件代码程序也已经开发完成。本系统能够实现高速图像采集、嵌入式操作与车牌识别算法、UART数据通信等功能，具有速度快、稳定性高、体积小、功耗低等特点，为车牌识别算法提供一个较好的验证平台。
上传时间： 2013-07-30
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