現場可編程門陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)是可編程邏輯器件的一種，它的出現是隨著微電子技術的發展，設計與制造集成電路的任務已不完全由半導體廠商來獨立承擔。系統設計師們更愿意自己設計專用集成電路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)．芯片，而且希望ASIC的設計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應用之中。現在，FPGA已廣泛地運用于通信領域、消費類電子和車用電子。 本文中涉及的I/O端口模塊是FPGA中最主要的幾個大模塊之一，它的主要作用是提供封裝引腳到CLB之間的接口，將外部信號引入FPGA內部進行邏輯功能的實現并把結果輸出給外部電路，并且根據需要可以進行配置來支持多種不同的接口標準。FPGA允許使用者通過不同編程來配置實現各種邏輯功能，在IO端口中它可以通過選擇配置方式來兼容不同信號標準的I/O緩沖器電路?？傮w而言，可選的I/O資源的特性包括：IO標準的選擇、輸出驅動能力的編程控制、擺率選擇、輸入延遲和維持時間控制等。 本文是關于FPGA中多標準兼容可編程輸入輸出電路(Input/Output Block)的設計和實現，該課題是成都華微電子系統有限公司FPGA大項目中的一子項，目的為在更新的工藝水平上設計出能夠兼容單端標準的I/O電路模塊；同時針對以前設計的I/O模塊不支持雙端標準的缺點，要求新的電路模塊中擴展出雙端標準的部分。文中以低壓雙端差分標準(LVDS)為代表構建雙端標準收發轉換電路，與單端標準比較，LVDS具有很多優點： (1)LVDS傳輸的信號擺幅小，從而功耗低，一般差分線上電流不超過4mA，負載阻抗為100Ω。這一特征使它適合做并行數據傳輸。 (2)LVDS信號擺幅小，從而使得該結構可以在2.5V的低電壓下工作。 (3)LVDS輸入單端信號電壓可以從0V到2.4V變化，單端信號擺幅為400mV，這樣允許輸入共模電壓從0.2V到2.2V范圍內變化，也就是說LVDS允許收發兩端地電勢有±1V的落差。 本文采用0.18μm1.8V/3.3V混合工藝，輔助Xilinx公司FPGA開發軟件ISE，設計完成了可以用于Virtex系列各低端型號FPGA的IOB結構，它有靈活的可配置性和出色的適應能力，能支持大量的I/O標準，其中包括單端標準，也包括雙端標準如LVDS等。它具有適應性的優點、可選的特性和考慮到被文件描述的硬件結構特征，這些特點可以改進和簡化系統級的設計，為最終的產品設計和生產打下基礎。設計中對包括20種IO標準在內的各電器參數按照用戶手冊描述進行仿真驗證，性能參數已達到預期標準。
上傳時間： 2013-05-15
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現代電子系統中，FIR數字濾波器作為數字信號處理技術的重要組成部分，以其良好的線性特性在許多領域內被廣泛的應用。在工程實踐中，往往要求信號處理具有實時性和靈活性，而已有的一些軟件和硬件實現方式則難以同時達到這兩方面的要求。 隨著可編程邏輯器件和EDA技術的發展，越來越多的人開始應用FPGA實現FIR濾波器，既保證了信號處理的實時性，又可兼顧靈活性的要求。但是普遍存在的問題是不能根據被濾波信號特點動態調整濾波器的濾波系數，只能完成單一特性的濾波工作。 本文將FPGA的快速性和計算機的靈活性通過USB2.0總線有機地結合起來，設計了一個基于FPGA的可調參數FIR濾波系統。此系統由計算機根據各種濾波器指標計算出濾波參數，通過USB2.0對FPGA芯片內部的FIR多階濾波器進行參數配置，實現數字濾波器參數可調；配置后的FPGA濾波單元完成對A/D采集的信號進行濾波運算，濾波后的數據經過緩存后通過USB2.0總線傳輸至計算機進行顯示、分析和儲存等進一步處理。在系統中采用有限狀態機對FPGA參數配置模式和濾波模式進行切換，保證了系統的有序運行。 本文通過性能測試和應用實例對系統進行驗證。實驗證明：該基于FPGA的可調參數FIR濾波系統參數配置方便，可以根據實際需要動態調整濾波參數，并且濾波效果良好，可有效濾除噪聲信號。
上傳時間： 2013-07-26
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MP3音樂是目前最為流行的音樂格式，因其音質、復雜度與壓縮比的完美折中，占據著廣闊的市場，不僅在互聯網上廣為流傳，而且在便攜式設備領域深受人們喜愛。本文以MPEG-1的MP3音頻解碼器為研究對象，在實時性、面積等約束條件下，研究MP3解碼電路的設計方法，實現FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的驗證方法。 論文的主要貢獻如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解碼過程的相關步驟，以減少緩沖區存儲單元的容量和訪存次數。如把重排序步驟融合到反量化模塊，可以減少一半的讀寫RAM操作；把IMDCT模塊內部的三個算法步驟融合在一起進行設計，可以省去存儲中間計算結果的緩存區單元。 (2)反量化、立體聲處理等模塊中，采用流水線設計技術，設置寄存器把較長的組合邏輯路徑隔開，提高了電路的性能和可靠性；使用連續訪問公共緩存技術，合理規劃各計算子模塊的工作時序，將數據計算的時間隱藏在訪存過程中；充分利用頻率線的零值區特性，有效地減少數據計算量，加快了數據處理的速度。 (3)設計了MP3硬件解碼器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述語言設計RTL級電路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA開發板為平臺，實現MP3解碼器的FPGA原型芯片。MP3硬件解碼器在Stratix II EP2S180器件內的資源利用率約為5％，其中組合邏輯查找表ALUT為7189個，寄存器共有4024個，系統頻率可達69.6MHz，充分滿足了MP3解碼過程的實時性要求。實驗結果表明，MP3音頻解碼FPGA原型芯片可正常播放聲音，解碼音質良好。
上傳時間： 2013-07-01
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溫濕度是影響糧食儲藏的重要參數，兩者之間是相互關聯的，溫濕度控制不好必然引起糧食發熱和霉變，且極易產生連鎖反應，從而造成難以挽回的損失。溫濕度的控制直接影響到糧食存儲系統的性能。岡此，糧食溫濕度測控技術在農業上的應用是十分重要的。本文研究基于FPGA的糧倉溫濕度監制系統。 設計了基于FPGA的糧倉溫濕度監控系統，該系統主要由溫濕度傳感器、控制電路、單片機和上位機構成。單片機主要完成溫度數據的采集和上位機的通訊；控制電路基于FPGA進行設計，主要負責采集濕度信息，計算溫濕度偏差及其變化率，通過調用模糊控制算法對溫濕度進行模糊控制，單片機通過RS485總線和上位機進行串口通信，使上位機能夠實時記錄，顯示溫濕度變化值和控制過程曲線。該系統實現了糧倉內溫濕度的實時監測，使管理人員可以實時掌控糧倉內的溫濕度情況。 采用FPGA設計控制電路簡化了系統的組成和外圍數字電路，易于系統擴展和升級，內部集成了信號處理、控制、檢測電路，減少了系統的體積，縮短了開發周期，大大增強了系統的可靠性；配合功率驅動、電源等外圍電路，完成信號采集、處理和控制等功能，節省了開發成本，使糧倉溫濕度控制系統更加集成化。這也恰恰更加符合當今電子產品高精度，集成化的要求。 系統采用直接輸出數字量的DS1820溫度傳感器和濕度傳感器HS1101并將HS1101與555定時器組成振蕩電路，其輸出為頻率脈沖信號，與濕度值成線性關系，該頻率脈沖信號可直接送入FPGA進行計數，這樣溫濕度傳感器輸出的信號都沒有經過放大、A/D轉換，進一步減少了測量誤差。控制電路采用了VHDL硬件描述語言進行編寫。本裝置已作出實樣，通過了調試，已達到預期效果。
上傳時間： 2013-06-16
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隨著圖像處理技術和投影技術的不斷發展，人們對高沉浸感的虛擬現實場景提出了更高的要求，這種虛擬顯示的場景往往由多通道的投影儀器同時在屏幕上投影出多幅高清晰的圖像，再把這些單獨的圖像拼接在一起組成一幅大場景的圖像。而為了給人以逼真的效果，投影的屏幕往往被設計為柱面屏幕，甚至是球面屏幕。當圖像投影在柱面屏幕的時候就會發生幾何形狀的變化，而避免這種幾何變形的就是圖像拼接過程中的幾何校正和邊緣融合技術。 一個大場景可視化系統由投影機、投影屏幕、圖像融合機等主要模塊組成。在虛擬現實應用系統中，要實現高臨感的多屏幕無縫拼接以及曲面組合顯示，顯示系統還需要運用幾何數字變形及邊緣融合等圖像處理技術，實現諸如在平面、柱面、球面等投影顯示面上顯示圖像。而關鍵設備在于圖像融合機，它實時采集圖形服務器，或者PC的圖像信號，通過圖像處理模塊對圖像信息進行幾何校正和邊緣融合，在處理完成后再送到顯示設備。 本課題提出了一種基于FPGA技術的圖像處理系統。該系統實現圖像數據的AiD采集、圖像數據在SRAM以及SDRAM中的存取、圖像在FPGA內部的DSP運算以及圖像數據的D/A輸出。系統設計的核心部分在于系統的控制以及數字信號的處理。本課題采用XilinxVirtex4系列FPGA作為主處理芯片，并利用VerilogHDL硬件描述語言在FPGA內部設計了A/D模塊、D/A模塊、SRAM、SDRAM以及ARM處理器的控制器邏輯。 本課題在FPGA圖像處理系統中設計了一個ARM處理器模塊，用于上電時對系統在圖像變化處理時所需參數進行傳遞，并能實時從上位機更新參數。該設計在提高了系統性能的同時也便于系統擴展。 本文首先介紹了圖像處理過程中的幾何變化和圖像融合的算法，接著提出了系統的設計方案及模塊劃分，然后圍繞FPGA的設計介紹了SDRAM控制器的設計方法，最后介紹了ARM處理器的接口及外圍電路的設計。
上傳時間： 2013-04-24
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文章開篇提出了開發背景。認為現在所廣泛應用的開關電源都是基于傳統的分立元件組成的。它的特點是頻率范圍窄、電力小、功能少、器件多、成本較高、精度低，對不同的客戶要求來“量身定做”不同的產品，同時幾乎沒有通用性和可移植性。在電子技術飛速發展的今天，這種傳統的模擬開關電源已經很難跟上時代的發展步伐。 隨著DSP、ASIC等電子器件的小型化、高速化，開關電源的控制部分正在向數字化方向發展。由于數字化，使開關電源的控制部分的智能化、零件的共通化、電源的動作狀態的遠距離監測成為了可能，同時由于它的智能化、零件的共通化使得它能夠靈活地應對不同客戶的需求，這就降低了開發周期和成本。依靠現代數字化控制和數字信號處理新技術，數字化開關電源有著廣闊的發展空間。 在數字化領域的今天，最后一個沒有數字化的堡壘就是電源領域。近年來，數字電源的研究勢頭與日俱增，成果也越來越多。雖然目前中國制造的開關電源占了世界市場的80％以上，但都是傳統的比較低端的模擬電源。高端市場上幾乎沒有我們份額。 本論文研究的主要內容是在傳統開關電源模擬調節器的基礎上，提出了一種新的數字化調節器方案，即基于DSP和FPGA的數字化PID調節器。論文對系統方案和電路進行了較為具體的設計，并通過測試取得了預期結果。測試證明該方案能夠適合本行業時代發展的步伐，使系統電路更簡單，精度更高，通用性更強。同時該方案也可用于相關領域。 本文首先分析了國內外開關電源發展的現狀，以及研究數字化開關電源的意義。然后提出了數字化開關電源的總體設計框圖和實現方案，并與傳統的開關電源做了較為詳細的比較。本論文的設計方案是采用DSP技術和FPGA技術來做數字化PID調節，通過數字化PID算法產生PWM波來控制斬波器，控制主回路。從而取代傳統的模擬PID調節器，使電路更簡單，精度更高，通用性更強。傳統的模擬開關電源是將電流電壓反饋信號做PID調節后--分立元器件構成，采用專用脈寬調制芯片實現PWM控制。電流反饋信號來自主回路的電流取樣，電壓反饋信號來自主回路的電壓采樣。再將這兩個信號分別送至電流調節器和電壓調節器的反相輸入端，用來實現閉環控制。同時用來保證系統的穩定性及實現系統的過流過壓保護、電流和電壓值的顯示。電壓、電流的給定信號則由單片機或電位器提供。再次，文章對各個模塊從理論和實際的上都做了仔細的分析和設計，并給出了具體的電路圖，同時寫出了軟件流程圖以及設計中應該注意的地方。整個系統由DSP板和ADC板組成。DSP板完成PWM生成、PID運算、環境開關量檢測、環境開關量生成以及本地控制。ADC板主要完成前饋電壓信號采集、負載電壓信號采集、負載電流信號采集、以及對信號的一階數字低通濾波。由于整個系統是閉環控制系統，要求采樣速率相當高。本系統采用FPGA來控制ADC，這樣就避免了高速采樣占用系統資源的問題，減輕了DSP的負擔。DSP可以將讀到的ADC信號做PID調節，從而產生PWM波來控制逆變橋的開關速率，從而達到閉環控制的目的。 最后，對數字化開關電源和模擬開關電源做了對比測試，得出了預期結論。同時也提出了一些需要改進的地方，認為該方案在其他相關行業中可以廣泛地應用。模擬控制電路因為使用許多零件而需要很大空間，這些零件的參數值還會隨著使用時間、溫度和其它環境條件的改變而變動并對系統穩定性和響應能力造成負面影響。數字電源則剛好相反，同時數字控制還能讓硬件頻繁重復使用、加快上市時間以及減少開發成本與風險。在當前對產品要求體積小、智能化、共通化、精度高和穩定度好等前提條件下，數字化開關電源有著廣闊的發展空間。本系統來基本上達到了設計要求。能夠滿足較高精度的設計要求。但對于高精度數字化電源，系統還有值得改進的地方，比如改進主控器，提高參考電壓的精度，提高采樣器件的精度等，都可以提高系統的精度。 本系統涉及電子、通信和測控等技術領域，將數字PID算法與電力電子技術、通信技術等有機地結合了起來。本系統的設計方案不僅可以用在電源控制器上，只要是相關的領域都可以采用。
上傳時間： 2013-06-29
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當前，隨著電子技術的飛速發展，智能化系統中需要傳輸的數據量日益增大，要求數據傳送的速度也越來越快，傳統的數據傳輸方式已無法滿足目前的要求。在此前提下，采用高速數據傳輸技術成為必然，DMA(直接存儲器訪問)技術就是較理想的解決方案之一，能夠滿足信息處理實時性和準確性的要求。 本文以EDA工具、硬件描述語言和可編程邏輯器件(FPGA)為技術支撐，設計DMA控制器的總體結構。在通道檢測模塊中，解決了信號抗干擾和請求信號撤銷問題，并提出并行通道檢測算法；在優先級管理模塊中提出了動態優先級端口響應機制；在傳輸模塊中采用狀態機的設計思想設計多個通道的數據傳輸。通過各模塊問題的解決及新方法的采用，最終設計出基于FPGA的多通道DMA控制器的IP軟核。實驗仿真結果表明，本控制器傳輸速度較快，主頻達100MHz以上，且工作穩定。
上傳時間： 2013-05-16
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可配置端口電路是FPGA芯片與外圍電路連接關鍵的樞紐，它有諸多功能：芯片與芯片在數據上的傳遞(包括對輸入信號的采集和輸出信號輸出)，電壓之間的轉換，對外圍芯片的驅動，完成對芯片的測試功能以及對芯片電路保護等。 本文采用了自頂向下和自下向上的設計方法，依據可配置端口電路能實現的功能和工作原理，運用Cadence的設計軟件，結合華潤上華0.5μm的工藝庫，設計了一款性能、時序、功耗在整體上不亞于xilinx4006e[8]的端口電路。主要研究以下幾個方面的內容： 1.基于端口電路信號寄存器的采集和輸出方式，本論文設計的端口電路可以通過配置將它設置成單沿或者雙沿的觸發方式[7]，并完成了Verilog XL和Hspiee的功能和時序仿真，且建立時間小于5ns和保持時間在0ns左右。和xilinx4006e[8]相比較滿足設計的要求。 2.基于TAP Controller的工作原理及它對16種狀態機轉換的控制，對16種狀態機的轉換完成了行為級描述和實現了捕獲、移位、輸出、更新等主要功能仿真。 3.基于邊界掃描電路是對觸發器級聯的構架這一特點，設計了一款邊界掃描電路，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。達到對芯片電路測試設計的要求。 4.對于端口電路來講，有時需要將從CLB中的輸出數據實現異或、同或、與以及或的功能，為此本文采用二次函數輸出的電路結構來實現以上的功能，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。滿足設計要求。 5.對于0.5μm的工藝而言，輸入端口的電壓通常是3.3V和5V，為此根據設置不同的上、下MOS管尺寸來調整電路的中點電壓，將端口電路設計成3.3V和5V兼容的電路，通過仿真性能上已完全達到這一要求。此外，在輸入端口處加上擴散電阻R和電容C組成噪聲濾波電路，這個電路能有效地抑制加到輸入端上的白噪聲型噪聲電壓[2]。 6.在噪聲和延時不影響電路正常工作的范圍內，具有三態控制和驅動大負載的功能。通過對管子尺寸的大小設置和驅動大小的仿真表明：在實現TTL高電平輸出時，最大的驅動電流達到170mA，而對應的xilinx4006e的TTL高電平最大驅動電流為140mA[8]；同樣，在實現CMOS高電平最大驅動電流達到200mA,而xilinx4006e的CMOS驅動電流達到170[8]mA。 7.與xilinx4006e端口電路相比，在延時和面積以及功耗略大的情況下，本論文研究設計的端口電路增加了雙沿觸發、將輸出數據實現二次函數的輸出方式、通過添加譯碼器將配置端口的數目減少的新的功能，且驅動能力更加強大。
上傳時間： 2013-07-20
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目前，數字信號處理廣泛應用于通信、雷達、聲納、語音與圖像處理等領域，信號處理算法理論己趨于成熟，但其具體硬件實現方法卻值得探討。FPGA是近年來廣泛應用的超大規模、超高速的可編程邏輯器件，由于其具有高集成度、高速、可編程等優點，大大推動了數字系統設計的單片化、自動化，縮短了單片數字系統的設計周期、提高了設計的靈活性和可靠性，在超高速信號處理和實時測控方面有非常廣泛的應用。本文對FPGA的數據采集與處理技術進行研究，基于FPGA在數據采樣控制和信號處理方面的高性能和單片系統發展的新熱點，把FPGA作為整個數據采集與處理系統的控制核心。主要研究內容如下： FPGA的單片系統研究。針對數據采集與處理，對FPGA進行選型，設計了基于FPGA的單片系統的結構。把整個控制系統分為三個部分：多通道采樣控制模塊，數據處理模塊，存儲控制模塊。 多通道采樣控制模塊的設計。利用4片AD7506和一片AD7862對64路模擬量進行周期采樣，分別設計了通道選擇控制模塊和A/D轉換控制模塊，并進行了仿真，完成了基于FPGA的多通道采樣控制。 數據處理模塊的設計。FFT算法在數字信號處理中占有重要的地位，因此本文研究了FFT的硬件實現結構，提出了用FPGA實現FFT的一種設計思想，給出了總體實現框圖。分別設計了旋轉因子復數乘法器，碟形運算單元，存儲器，控制器，并分別進行了仿真。重點設計實現了FFT算法中的蝶形處理單元，采用了一種高效乘法器算法設計實現了蝶形處理單元中的旋轉因子乘法器，從而提高了蝶形處理器的運算速度，降低了運算復雜度。理論分析和仿真結果表明，狀態機控制器成功地對各個模塊進行了有序、協調的控制。 存儲控制模塊的設計。利用閃存芯片K9K1G08UOA對采集處理后的數據進行存儲，設計了FPGA與閃存的硬件連接，設計了存儲控制模塊。 本文對FFT算法的硬件實現進行了研究，結合單片系統的特點，把整個系統分為多通道采樣控制模塊，數據處理模塊，存儲控制模塊進行設計和仿真。設計采用VHDL編寫程序的源代碼。仿真測試結果表明，此FPGA單片系統可完成對實時信號的高速采集與處理。
上傳時間： 2013-04-24
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頻率合成技術廣泛應用于通信、航空航天、儀器儀表等領域，目前，常用的頻率合成技術有直接頻率合成、鎖相頻率合成和直接數字頻率合成(DDS)等。其中DDS是一種新的頻率合成方法，是頻率合成的一次革命。全數字化的DDS技術由于具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位噪聲低和頻率穩定度高等優點而成為現代頻率合成技術中的佼佼者。隨著數字集成電路、微電子技術和EDA技術的深入研究，DDS技術得到了飛速的發展。 DDS是把一系列數字量化形式的信號通過D/A轉換形成模擬量形式的信號的合成技術。主要是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速D/A轉換產生已經用數字形式存入的正弦波(或其它任意波形)。一個典型的DDS系統應包括以下三個部分：相位累加器可以時鐘的控制下完成相位的累加；相位一幅度碼轉換電路一般由ROM實現；D/A轉換電路，將數字形式的幅度碼轉換成模擬信號。 現場可編程門陣列(FPGA)設計靈活、速度快，在數字專用集成電路的設計中得到了廣泛的應用。本論文主要討論了如何利用FPGA來實現一個DDS系統，該DDS系統的硬件結構是以FPGA為核心實現的，使用Altera公司的Cyclone系列FPGA。 文章首先介紹了頻率合成器的發展，闡述了基于FPGA實現DDS技術的意義；然后介紹了DDS的基本理論；接著介紹了FPGA的基礎知識如結構特點、開發流程、使用工具等；隨后介紹了利用FPGA實現直接數字頻率合成(DDS)的原理、電路結構、優化方法等。重點介紹DDS技術在FPGA中的實現方法，給出了部分VHDL源程序。采用該方法設計的DDS系統可以很容易地嵌入到其他系統中而不用外接專用DDS芯片，具有高性能、高性價比，電路結構簡單等特點；接著對輸出信號頻譜進行了分析，特別是對信號的相位截斷誤差和幅度量化誤差進行了詳細的討論，由此得出了改善系統性能的幾種方法；最后給出硬件實物照片和測試結果，并對此作了一定的分析。
上傳時間： 2013-07-05
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