本課題是國家自然科學基金重點資助項目“微型燃氣輪機一高速發電機分布式發電與能量轉換系統研究”(50437010)的部分研究內容。高速電機的體積小、功率密度大和效率高，正在成為電機領域的研究熱點之一。高速電機的主要特點有兩個：一是轉子的高速旋轉，二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關鍵技術。本文針對高速永磁電機的機械與電磁特性及其關鍵技術進行了深入地研究，主要包括以下內容： 首先，進行了高速永磁電機轉子的結構設計與強度分析。根據永磁體抗壓強度遠大于抗拉強度的特點，提出了一種采用整體永磁體外加非導磁高強度合金鋼護套的新型轉子結構。永磁體與護套之間采用過盈配合，用護套對永磁體施加的靜態預壓力抵消高速旋轉離心力產生的拉應力，使永磁體高速旋轉時仍承受一定的壓應力，從而保證永磁轉子的安全運行。基于彈性力學厚壁筒理論與有限元接觸理論，建立了新型高速永磁轉子應力計算模型，確定了護套和永磁體之間的過盈量，計算了永磁體和護套中的應力分布。該種轉子結構和強度計算方法已應用于高速永磁電機的樣機設計。 其次，進行了高速永磁轉子的剛度分析和磁力軸承—轉子系統的臨界轉速計算?；陔姶艌隼碚摲治隽舜帕S承支承的各向同性，利用氣隙靜態偏置磁通密度計算了磁力軸承的線性支承剛度，在對高速電機轉子結構離散化的基礎上建立了磁力軸承—轉子系統的動力學方程，采用有限元法計算了高速永磁電機轉子的臨界轉速。利用該計算方法設計的1臺采用磁力軸承的高速電機，已成功實現60000r/min的運行。 再次，進行了高速永磁電機的定子設計，提出了一種新型環形繞組結構。環型繞組線圈的下層邊放在定子鐵心的6個槽中，而上層邊分布在定子鐵心軛部外緣的24個槽中，不但增加了定子表面的通風散熱面積，使冷卻氣流直接冷卻定子繞組，更為重要的是，解決了傳統2極電機繞組端部軸向過長的難題，使轉子軸向長度大為縮短，從而增加了高速永磁電機轉子系統的剛度。 然后，采用場路耦合以及解析與實驗相結合的方法，分析計算了高速永磁電機的損耗和溫升，并對高速永磁發電機的電磁特性進行了仿真。高速電機的優點是體積小和功率密度大，然而隨之而來的缺點是單位體積的損耗大，以及因散熱面積小造成的散熱困難。損耗和溫升的準確計算對高速電機的安全運行至關重要。為了準確計算高速電機的高頻鐵耗，對定子鐵心所采用的各向異性冷軋電工鋼片制作的試件，進行了不同頻率和不同軋制方向的導磁性能和損耗系數測定。然后采用場路耦合的方法，分析計算了高速電機的定子鐵耗和銅耗、轉子護套和永磁體內的高頻附加損耗以及轉子表面的風磨損耗。在損耗分析的基礎上，計算了高速電機的溫升。最后，設計制造了一臺額定轉速為60000r/min的高速永磁電機試驗樣機，并進行了初步的試驗研究。測量了電機在不同轉速下空載運行時的定、轉子溫升及定子繞組的反電動勢波形。通過與仿真結果的對比，部分驗證了高速永磁電機理論分析和設計方法的正確性。在此基礎上，提出一種高速永磁電機的改進設計方案，為進一步的研究工作打下了基礎。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著人們生活水平的提高，肥胖逐漸成為一種社會疾病，肥胖容易使人患上阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥，嚴重影響生活質量，嚴重時甚至危及生命。研制性能良好低成本的呼吸機有很好的實際意義。本論文論述了一種基于dsPIC30F3010控制器及無刷直流電機(BrushlessDirectCurrentMotor，簡稱BLDCM)的呼吸機控制器，實現了反電勢法無位置傳感器無刷直流電機的運行控制。 論文從基本電磁定律出發，分析了無刷直流電動機結構和工作原理，建立了無刷直流電動機的數學模型，在此基礎上詳細分析了“反電勢法”無刷直流電機控制原理，深入研究了三種反電勢過零檢測方法，并對檢測電路移相產生的轉子位置誤差進行了分析，給出了補償方法。 對無刷直流電動機無位置傳感器控制中的關鍵問題——起動方法進行研究，介紹了“反電勢法”無刷直流電機控制常用的起動方法，深入討論了“三段式”起動技術。針對傳統“三段式”起動的缺點，論文提出了一種新的外同步到自同步的切換方式。 綜合上述，本系統以dsPIC30F3010單片機為控制器，設計了“反電勢法”無刷直流電機無位置傳感器控制系統的硬件電路，詳細介紹了電路各個組成部分的工作原理，同時介紹了控制系統中采用的硬件抗干擾措施。結合dsPIC30F3010的特點，充分利用其片內的資源，設計了系統的軟件。實驗結果表明系統能夠控制電機順利起動，而且實現了電機正確的換相和穩定的運行。
上傳時間： 2013-07-26
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高性能ADC產品的出現，給混合信號測試領域帶來前所未有的挑戰。并行ADC測試方案實現了多個ADC測試過程的并行化和實時化，減少了單個ADC的平均測試時間，從而降低ADC測試成本。 本文實現了基于FPGA的ADC并行測試方法。在閱讀相關文獻的基礎上，總結了常用ADC參數測試方法和測試流程。使用FPGA實現時域參數評估算法和頻域參數評估算法，并對2個ADC在不同樣本數條件下進行并行測試。 通過在FPGA內部實現ADC測試時域算法和頻域算法相結合的方法來搭建測試系統，完成音頻編解碼器WM8731L的控制模式接口、音頻數據接口、ADC測試時域算法和頻域算法的FPGA實現。整個測試系統使用Angilent 33220A任意信號發生器提供模擬激勵信號，共用一個FPGA內部實現的采樣時鐘控制模塊。并行測試系統將WM8731.L片內的兩個獨立ADC的串行輸出數據分流成左右兩通道，并對其進行串并轉換。然后對左右兩個通道分別配置一個FFT算法模塊和時域算法模塊，并行地實現了ADC參數的評估算法。 在樣本數分別為128和4096的實驗條件下，對WM8731L片內2個被測.ADC并行地進行參數評估，被測參數包括增益GAIN、偏移量OFFSET、信噪比SNR、信號與噪聲諧波失真比SINAD、總諧波失真THD等5個常用參數。實驗結果表明，通過在FPGA內配置2個獨立的參數計算模塊，可并行地實現對2個相同ADC的參數評估，減小單個ADC的平均測試時間。 FPGA片內實時評估算法的實現節省了測試樣本傳輸至自動測試機PC端的時間。而且只需將HDL代碼多次復制，就可實現多個被測ADC在同一時刻并行地被評估，配置靈活。基于FPGA的ADC并行測試方法易于實現，具有可行性，但由于噪聲的影響，測試精度有待進一步提高。該方法可用于自動測試機的混合信號選項卡或測試子系統。 關鍵詞：ADC測試；并行；參數評估；FPGA；FFT
上傳時間： 2013-07-11
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近年來，以FPGA為代表的數字系統現場集成技術取得了快速的發展，FPGA不但解決了信號處理系統小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且基于大規模FPGA單片系統的片上可編程系統(SOPC)的靈活設計方式使其越來越多的取代ASIC的市場。傳統的通用信號處理系統使用DSP作為處理核心，系統的可重構型不強，FPGA解決了這一問題，并且現有的FPGA中，多數已集成DSP模塊，結合FPGA較強的信號并行處理特性使其與DSP信號處理能力差距很小。因此，FPGA作為處理核心的通用信號處理系統具有很強的可實施性。 @@ 基于上述要求，作者設計和完成了一個基于多FPGA的通用實時信號處理系統。該系統采用4片XC3SD1800A作為處理核心，使用DDR2 SDRAM高速存儲實時數據。作者通過全面的分析，設計了核心板、底板和應用板分離系統架構。該平臺能夠根據實際需求進行靈活的搭配，核心板之間的數據傳輸采用了LVDS(低電壓差分信號)技術，從而使得數據能夠穩定的以非常高的速率進行傳輸。 @@ 本系統屬于高速數字電路的設計范疇，因此必須重視信號完整性的設計與分析問題，作者根據高速電路的設計慣例和軟件輔助設計的方法，在分析和論證了阻抗控制、PCB堆疊、PCB布局布線等約束的基礎上，順利地完成了PCB繪制與調試工作。 @@ 作為系統設計的重要環節，作者還在文中研究了在系統設計過程中出現的電源完整性問題，并給出了解決辦法。 @@ LVDS高速數據通道接口和DDR2存儲器接口設計決定本系統的使用性能，本文基于所選的FPGA芯片進行了詳細的闡述和驗證。并結合系統的核心板和底板，完成了應用板，視頻圖像采集、USB、音頻、LCD和LED矩陣模塊顯示等接口的設計工作，對其中的部分接口進行了邏輯驗證。 @@ 經過測試，該通用的信號處理平臺具有實時性好、通用性強、可擴展和可重構等特點，能夠滿足當前一些信號處理系統對高速、實時處理的要求，可以廣泛應用于實時信號處理領域。通過本平臺的研究和開發工作，為進一步研究和設計通用、實時信號處理系統打下了堅實的基礎。 @@關鍵詞：通用實時信號處理；FPGA；信號完整性；DDR2；LVDS
上傳時間： 2013-05-27
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隨著社會的發展，人們對電力需求特別是電能質量的要求越來越高。但由于非線性負荷大量使用，卻帶來了嚴重的電力諧波污染，給電力系統安全、穩定、高效運行帶來嚴重影響，給供用電設備造成危害。如何最大限度的減少諧波造成的危害，是目前電力系統領域極為關注的問題。諧波檢測是諧波研究中重要分支，是解決其它相關諧波問題的基礎。因此，對諧波的檢測和研究，具有重要的理論意義和實用價值。 目前使用的電力系統諧波檢測裝置，大多基于微處理器設計。微處理器是作為整個系統的核心，它的性能高低直接決定了產品性能的好壞。而這種微處理器為主體構成的應用系統，存在效率低、資源利用率低、程序指針易受干擾等缺點。由于微電子技術的發展，特別是專用集成電路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)設計技術的發展，使得設計電力系統諧波檢測專用的集成電路成為可能，同時為諧波檢測裝置的硬件設計提供了一個新的發展途徑。本文目標就是設計電力系統諧波檢測專用集成電路，從而可以實現對電力系統諧波的高精度檢測。采用專用集成電路進行諧波檢測裝置的硬件設計，具有體積小，速度快，可靠性高等優點，由于應用范圍廣，需求量大，電力系統諧波檢測專用集成電路具有很好的應用前景。 本文首先介紹了國內外現行諧波檢測標準，調研了電力系統諧波檢測的發展趨勢；隨后根據裝置的功能需求，特別是依據其中諧波檢測國標參數的測量算法，為系統選定了基于FPGA的SOPC設計方案。 本文分析了電力系統諧波檢測專用集成電路的功能模型，對專用集成電路進行了模塊劃分。定義了各模塊的功能，并研究了模塊間的連接方式，給出了諧波檢測專用集成電路的并行結構。設計了基于FPGA的諧波檢測專用集成電路設計和驗證的硬件平臺。配合專用集成電路的電子設計自動化(EDA)工具構建了智能監控單元專用集成電路的開發環境。 在進行FPGA具體設計時，根據待實現功能的不同特點，分為用戶邏輯區域和Nios處理器模塊兩個部分。用戶邏輯區域控制A/D轉換器進行模擬信號的采樣，并對采樣得到的數字量進行諧波分析等運算。然后將結果存入片內的雙口RAM中，等待Nios處理器的訪問。Nios處理器對數據處理模塊的結果進一步處理，得到其各自對應的最終值，并將結果通過串行通信接口發送給上位機。 最后，對設計實體進行了整體的編譯、綜合與優化工作，并通過邏輯分析儀對設計進行了驗證。在實驗室條件下，對監測指標的運算結果進行了實驗測量，實驗結果表明該監測裝置滿足了電力系統諧波檢測的總體要求。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著計算機技術和通信技術的迅速發展，數字視頻在信息社會中發揮著越來越重要的作用，視頻傳輸系統已經被廣泛應用于交通管理、工業監控、廣播電視、銀行、商場等多個領域。同時，FPGA單片規模的不斷擴大，在FPGA芯片內部實現復雜的數字信號處理系統也成為現實，因此采用FPGA實現視頻壓縮和傳輸已成為一種最佳選擇。 本文將視頻壓縮技術和光纖傳輸技術相結合，設計了一種基于無損壓縮算法的多路數字視頻光纖傳輸系統，系統利用時分復用和無損壓縮技術，采用串行數字視頻傳輸的方式，可在一根光纖中同時傳輸8路以上視頻信號。系統在總體設計時，確定了基于FPGA的設計方案，采用ADI公司的AD9280和AD9708芯片實現A/D轉換和D/A轉換，在FPGA里實現系統的時分復用/解復用、視頻數據壓縮/解壓縮和線路碼編解碼，利用光收發一體模塊實現電光轉換和光電轉換。視頻壓縮采用LZW無損壓縮算法，用Verilog語言設計了壓縮模塊和解壓縮模塊，利用Xilinx公司的IP核生成工具Core Generator生成FIFO來緩存壓縮/解壓縮單元的輸入輸出數據，光纖線路碼采用CIMT碼，設計了編解碼模塊，解碼過程中，利用數字鎖相環來實現發射與接收的幀同步，在ISE8.2和Modelsim仿真環境下對FPGA模塊進行了功能仿真和時序仿真，并在Spartan-3E開發板和視頻擴展板上完成了系統的硬件調試與驗證工作，實驗證明，系統工作穩定，圖像清晰，實時傳輸效果好，可用于交通、安防、工業監控等多個領域。 本文將視頻壓縮和線路碼編解碼在FPGA里實現，利用FPGA的并行處理優勢，大大提高了系統的處理速度，使系統具有集成度高、靈活性強、調試方便、抗干擾能力強、易于升級等特點。
上傳時間： 2013-06-27
上傳用戶：幾何公差
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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隨著移動終端、多媒體、通信、圖像掃描技術的發展，圖像應用日益廣泛，壓縮編碼技術對圖像處理中大量數據的存儲和傳輸至關重要。同時， FPGA單片規模的不斷擴大，在FPGA芯片內實現復雜的數字信號處理系統也成為現實，因此采用FPGA實現圖像壓縮已成為一種必然趨勢。JPEG靜態圖像壓縮標準應用非常廣泛，是圖像壓縮中主要的標準之一。研究JPEG圖像壓縮在FPGA上的實現，具有廣闊的應用背景。 論文從實際工程應用出發，通過設計圖像壓縮的IP核，完成JPEG壓縮算法在FPGA上的實現。首先闡述JPEG基本模式的壓縮編碼的標準，然后在設計規劃過程中，采用SOC的設計思想，給出整個系統的內部結構、層次劃分，對各個模塊的HDL實現進行詳細的描述，最后完成整體驗證。方案采用了IP核復用的設計技術，基于Xilinx公司本身的IP核，進行了再次開發。在研究JPEG標準的核心算法DCT的基礎上，加以改進，設計了適合器件結構的基于DA算法的DCT變換的IP核。通過結構和算法的優化，提高了速度，減少占用過多的片內資源。 設計基于Xilinx的Virtex- II系列的FPGA的硬件平臺,在ISE7.1中編譯綜合，最后通過Modelsim仿真驗證。分辨率為352×288大小的源圖像，在不同的壓縮等級設置下，均測試通過。仿真驗證的結果表明：基于FPGA的JPEG壓縮編碼占用較少的硬件資源，可在較高的工作頻率下運行，設計在速度和資源利用率方面達到了較優的狀態，能夠滿足一般圖像壓縮的要求。 整個設計可以作為單獨的JPEG編碼芯片也可以作為IP核添加到其他系統中去，具有一定的使用價值。
上傳時間： 2013-04-24
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本課題完成了基于FPGA的數據采集器以及IIC總線的模數轉換器部分、通訊部分的電路設計。其中FPGA采用Xilinx公司Spartan-Ⅱ系列的XC2S100芯片，在芯片中嵌入32位軟處理器MicroBlaze;ⅡC總線的模數轉換采用Microchip公司的MCP3221芯片，通訊部分則在FPGA片內用VHDL語言實現。通過上述設計實現了“準單片化”的模擬量和數字量的數據采集和處理。 所設計的數據采集器可以和結構類似的上位機通訊，本課題完成了在上位機中用VHDL語言實現的通信電路模塊。通過上述兩部分工作，將微處理器、數據存儲器、程序存儲器等數字邏輯電路均集成在同一個FPGA內部，形成一個可編程的片上系統。FPGA片外僅為模擬器件和開關量驅動芯片。FPGA內部的硬件電路采用VHDL語言編寫；MCU軟核工作所需要的程序采用C語言編寫。多臺數據采集器與服務器構成數據采集系統。服務器端軟件用VB開發，既可以將實時采集的數據以數字方式顯示，也可以用更加直觀的曲線方式顯示。 由于數據采集器是所有自控類系統所必需的電路模塊，所以一個通用的片上系統設計可以解決各類系統的應用問題，達到“設計復用”(DesignReuse)的目的。采用基于FPGA的SOPC設計的更加突出的優點是不必更換芯片就可以實現設計的改進和升級，同時也可以降低成本和提高可靠性。
上傳時間： 2013-07-12
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本文研究基于ARM與FPGA的高速數據采集系統技術。論文完成了ARM+FPGA結構的共享存儲器結構設計，實現了ARMLinux系統的軟件設計，包括觸摸屏控制、LCD顯示、正弦插值算法設計以及各種顯示算法設計等。同時進行了信號的高速采集和處理的實際測試，對實驗測試數據進行了分析。 論文分別從軟件和硬件兩方面入手，闡述了基于ARM處理器和FPGA芯片的高速數據采集的硬件系統設計方法，以及基于ARMLinux操作系統的設備驅動程序設計和應用程序設計。 硬件方面，在FPGA平臺上，我們首先利用乒乓操作的方式將一路高速數據信號轉換成頻率為原來頻率1/4的4路低速數據信號，再將這四路數據分別存儲到4個FIFO中，然后再對這4個FIFO中的數據拼接并存儲在FPGA片上的雙端口雙時鐘RAM中，最后將FPGA的雙端口雙時鐘RAM掛載到ARM系統的總線上，實現了ARM和FPGA共享存儲器的系統結構，使ARM處理器可以直接讀取這個雙端口雙時鐘的RAM中的數據，從而大大提高了數據采集與處理的效率。在采樣頻率控制電路設計方面，我們通過使FIFO的數據存儲時鐘降低為標準狀態下的1/n實現數據采集頻率降為標準狀態的1/n，從而實現了由FPGA控制的可變頻率的數據采集系統。 軟件方面，為了更有效地管理和拓展系統功能，我們移植了ARMLinux操作系統，并在S3C2410平臺上設計實現了基于Linux操作系統的觸摸屏驅動程序設計、LCD驅動程序移植、自定義的FPGA模塊驅動程序設計、LCD顯示程序設計、多線程的應用程序設計。應用程序能夠控制FPGA數據采集系統工作。 在前端采樣頻率為125MHz情況下，系統可以正常工作。能夠實現對頻率在5MHz以下的信號波形的直接顯示；對5MHz至40MHz的信號，使用正弦插值算法進行處理，顯示效果良好。同時這種硬件結構可擴展性強，可以在此基礎上實現8路甚至16路緩沖的系統結構，可以使系統支持更高的采樣頻率。
上傳時間： 2013-07-04
上傳用戶：林魚2016
