工業生產過程往往具有非線性、不確定性，難以建立精確的數學模型。應用常規的PID控制器難以達到理想的控制效果。作為的重要分支，人工神經網絡具有良好的非線性映射能力和高度的并行信息處理能力，已成為非線性系統建模、辨識和控制中常用的理論和方法。其中，神經元具有很強的信息綜合、學習記憶、自學習和自適應能力，可以處理那些難以用模型和規則描述的過程，將神經元與PID結合，應用到實際的控制中，可以在線調整PID的參數，使系統具有較強的抗干擾能力、自適應能力和較好的魯棒性。 目前，人工神經網絡的研究主要是神經網絡的理論研究、神經網絡的應用研究和神經網絡的實現技術研究，這三方面是相互依賴和相互促進的關系。本文主要側重的是神經網絡的實現技術研究方面，創新性地利用FPGA嵌入式系統開發技術實現單神經元PID智能控制器的研究與設計，并將其封裝成為一個專用的IP核供其他的控制系統使用。 首先，對單神經元PID智能控制器的設計原理和設計算法進行了深入的研究與分析；其次，利用MATLAB設計單神經元PID智能控制器，針對特定的被控對象，對其進行仿真實驗，獲得比較理想的系統輸出；然后，研究基于FPGA的單神經元智能控制算法的實現，對控制器進行VHDL語言分層設計，使用Altera公司的軟件QuartusⅡ6.1進行仿真實驗。兩個仿真實驗結果表明，基于FPGA的單神經元智能控制器比MATLAB設計的單神經元PID智能控制器性能優良。 本文的設計模塊主要包括權值修改模塊、誤差計算模塊、權值產生模塊和輸出模塊。在各個模塊的設計中進行了優化處理，使本文的設計不僅利用的硬件資源少，而且也有很快的運行速度，同時也改善了傳統控制器的控制性能。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著數碼技術的不斷發展，數字圖像處理的應用領域不斷擴大，其實時處理技術成為研究的熱點。VLSI技術的迅猛發展為數字圖像實時處理技術提供了硬件基礎。其中FPGA(現場可編程門陣列)的特點使其非常適用于進行一些基于像素級的圖像處理。 傳統的圖像顯示系統必須連接到PC才能觀察圖像視頻，存在著高速實時性、穩定性問題。本設計脫離高清晰工業相機必須與PC連接才可以觀看到高清晰圖像的束縛，實現系統的小型化。針對130萬像素彩色1/2英寸鎂光CMOS圖像傳感器，提出用硬件實現Bayer格式到RGB格式轉換的設計方案，完成由黑白圖像到高清彩色圖像的轉換，用SDRAM作緩存，輸出標準VGA信號，可直接連接VGA顯示器、投影儀等設備進行實時的視頻圖像觀看，與模擬相機740X576分辨率(480線)圖像相比，設計圖像畫質相當于1280X1024分辨率(750線)，最高幀率25fps，整個結構應用FPGA作為主控制器，用少量的緩存代替傳統的大容量存儲，加快了運算速率，減小了電路規模，滿足圖像實時處理的要求，使展現出來的視頻圖像得到質的飛躍。可以廣泛應用于工業控制和遠程監控等領域。 論文研究的重點是采用altera公司EP2C芯片前端驅動CMOS圖像傳感器，實時采集Bayer圖像象素，分析研究CFA圖像插值算法，實現了基于FPGA的實時線性插值算法，能夠對輸入是每像素8bit、分辨率為1280×1204的Bayer模式圖像數據進行實時重構，輸出彩色RGB圖像。由端口FIFO作為數據緩沖，存儲一幀圖像到高速SDRAM，構建VGA顯示控制器，實現對輸入是每像素24bit(RGB101010)、分辨率為640×480、幀頻25HZ彩色圖像進行實時顯示。 整個模塊結構包括電源模塊單元等、CMOS成像單元、FPGA數據處理單元、SDRAM控制單元、VGA顯示接口單元。 最后，對系統進行了調試。經實驗驗證，系統達到了實時性，能正確和可靠的工作。整個設計模塊能夠滿足高幀率和高清晰的實時圖像處理，占用系統資源很少，用較少的時間完成了圖像數據的轉換，提高了效率。
上傳時間： 2013-06-08
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本研究針對目標識別等系統中由于載機轉動而使目標圖像發生旋轉，給測量及人眼觀察帶來的影響，因此需要對目標圖像進行實時的反旋轉處理，對目前出現的消像旋技術進行分析和比較，選擇從電子學消旋方法出發，研究圖像消像旋的方法，并給出了基于FPGA的實時消像旋系統的完整結構和相應的算法設計。 本文在對電子圖像消旋原理的深入分析的基礎上，設計并利用Visual C++6.0軟件仿真實現了一種優化的快速旋轉算法，再利用后插值處理保證了圖像的質量；構建了以ACEX EP1K100為核心的數字圖像實時消像旋系統，利用VHDL硬件描述語言實現了整個消像旋算法的FPGA設計。該系統利用高速相機和Camera Link接口傳輸圖像，提高了系統的運行速度。利用QuartusII和Matlab軟件對整個算法設計進行混合仿真實驗。實驗結果表明，該系統能夠成功地對采集到的灰度圖像進行消像旋處理，旋轉后的圖像清晰穩定，像素誤差小于一個像素，而且對于視頻信號只有一幀的延時不到20ms，達到系統參數要求。
上傳時間： 2013-07-04
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數據采集是信號與信息系統中一個重要的組成部分，也是數字信號處理的關鍵環節。本論文主要介紹一種基于FPGA的數據采集系統，提出一種由高速A/D轉換芯片、高性能FPGA和PCI總線接口組成的數據采集系統方案及其的硬件電路實現方法。該系統利用AD器件對信號進行放大、差分轉換和模數轉換，利用FPGA設計內部模塊和時鐘信號來進行電路控制及實現數據緩存、數據傳遞等功能，最后通過PCI邏輯接口把暫存在FPGA的數據傳送到PC主機。FPGA作為采集系統的核心部件，完成了內部數字電路設計，使系統具有很高的可適應性、可擴展性和可調試性。 本論文從研究數據采集的理論出發，重點研究了A/D模數轉換、FPGA芯片設計及PCI總結接口設計，完成了系統的各級電路硬件設計，并通過系統仿真驗證了系統的可行性。
上傳時間： 2013-04-24
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現代數字信號處理對實時性提出了很高的要求，當最快的數字信號處理器(DSP)仍無法達到速度要求時，唯一的選擇是增加處理器的數目，或采用客戶定制的門陣列產品。隨著可編程邏輯器件技術的發展，具有強大并行處理能力的現場可編程門陣列(FPGA)在成本、性能、體積等方面都顯示出了優勢。本文以此為背景，研究了基于FPGA的快速傅立葉變換、數字濾波、相關運算等數字信號處理算法的高效實現。 首先，針對圖像聲納實時性的要求和FPGA片內資源的限制，設計了級聯和并行遞歸兩種結構的FFT處理器。文中詳細討論了利用流水線技術和并行處理技術提高FFT處理器運算速度的方法，并針對蝶形運算的特點提出了一些優化和改進措施。 其次，分析了具有相同結構的數字濾波和相關運算的特點，采用了有乘法器和無乘法器兩種結構實現乘累加(MAC)運算。無乘法器結構采用分布式算法(DA)，將乘法運算轉化為FPGA易于實現的查表和移位累加操作，顯著提高了運算效率。此外，還對相關運算的時域多MAC方法及頻域FFT方法進行了研究。 最后，完成了圖像聲納預處理模塊。在一片EP2S60上實現了對160路信號的接收、濾波、正交變換以及發送等處理。實驗表明，本論文所有算法均達到了設計要求。
上傳時間： 2013-06-09
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本文提出了一種基于FPGA的硬件防火墻的實現方案，采用了FPGA來實現千兆線速的防火墻。傳統的基于X86等通用CPU的防火墻無法支撐快速增長的網絡速度，無法實現線速過濾和轉發。本文在采用FPGA可編程器件+通用CPU模式下，快速處理網絡數據。網絡數據在建立連接跟蹤后，直接由FPGA實現的快速處理板直接轉發，實現了網絡數據的線速處理，通用CPU在操作系統支持下，完成網絡數據的連接跟蹤的創建、維護，對網絡規則表的維護等工作。FPGA硬件板和CPU各司所長，實現快速轉發的目的。 本文設計了基于FPGA的硬件板的硬件規格，提出了硬件連接跟蹤表的存儲模式，以及規則表的存儲模式和定義等； 防火墻系統軟件采用NetBSD操作系統，完成了硬件板的NetBSD的驅動；在軟件系統完成了新建連接的建立、下發、老化等工作；在連接跟蹤上完成了規則的建立、刪除、修改等工作。 本文完成了防火墻的實現。實現了基于連接跟蹤的包過濾、地址轉換（NAT），設計了連接跟蹤的關鍵數據結構，包過濾的關鍵數據結構等，重用了NetBSD操作系統的路由。本文針對地址轉換應用程序的穿透問題，新增了部分實現。 在DoS攻擊是一種比較常見的攻擊網絡手段，本文采用了軟硬件結合的方法，不僅在軟件部分做了完善，也在硬件部分采取了相應的措施，測試數據表明，對常見的Syn洪水攻擊效果明顯。 在實踐過程中，我們發現了NetBSD操作系統內核的軟件缺陷，做了修正，使之更完善。 經過測試分析，本方案不僅明顯的優于X86方案，和基于NP方案、基于ASIC方案比較，具有靈活、可配置、易升級的優點。
上傳時間： 2013-06-21
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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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近紅外光譜法是血液成分無創檢測方法中的熱點，也是取得成果最多的方法之一。但是，個體差異和測量條件是影響近紅外光譜血液成分無創檢測的一個較突出的問題。而動態光譜法就是針對這個問題而提出的一種全新的近紅外無創血液成分濃度檢測方法。它從原理上消除了個體差異和測量條件等對光譜檢測的影響，為基于近紅外光譜法的血液成分無創檢測方法進入臨床應用去除了一個較為關鍵的障礙。因此，本文根據動態光譜檢測原理設計了基于FPGA的動態光譜數據采集系統。 在分析了動態光譜數據采集系統的性能要求后，采用DALSA的高性能線陣CCD IL-C6-2048C作為光電轉換器件；根據CCD輸出數據的高速度和信號微弱及含有噪聲等特點，選用了高速、高精度、并帶有相關雙采樣芯片的圖像處理芯片AD9826作為模數轉換器件；以FPGA及其內嵌的NIOSⅡ處理器作為核心控制器，并用LabVIEW對采集得到的數據進行顯示。 在FPGA中，利用Verilog HDL語言編寫了CCD和AD9826的控制時序；利用兩塊雙口RAM組成乒乓操作單元，實現高速數據的緩存，避免利用NiosⅡ處理器直接讀取時的頻繁中斷。將NIOSⅡ處理器系統嵌入到FPGA中，實現整個系統的管理。NiOSⅡ處理器利用中斷方式讀取緩存單元中的數據、經對數變換后傳遞給計算機。其中緩存數據的讀取及對數變換均采用自定義組件的方式將硬件單元添加到NIOSⅡ系統中，編程時直接調用。NIOSⅡ系統通過串口將處理后的數據傳遞給LabVIEW， LabVIEW對數據簡單處理后顯示，以實時觀察采樣數據是否正確。 最后對系統進行了實驗測試，實驗結果表明，系統能夠很好的采集并顯示數據，能夠初步完成光信號的檢測。
上傳時間： 2013-04-24
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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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高速、高精度已經成為伺服驅動系統的發展趨勢，而位置檢測環節是決定伺服系統高速、高精度性能的關鍵環節之一。光電編碼器作為伺服驅動系統中常用的檢測裝置，根據結構和原理的不同分為增量式和絕對式。本文從原理上對增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器做了深入的分析，通過對比它們的特性，得出了絕對式光電編碼器更適合高速、高精度伺服驅動系統的結論。 絕對式光電編碼器精度高、位數多的特點決定其通信方式只能采取串行傳輸方式，且由相應的通信協議控制信息的傳輸。本文首先針對編碼器主要生產廠商日本多摩川公司的絕對式光電編碼器，深入研究了通信協議相關的硬件電路、數據幀格式、時序等。隨后介紹了新興的電子器件FPGA及其開發語言硬件描述語言Verilog HDL，并對基于FPGA的絕對式編碼器通信接口電路做了可行性的分析。在此基礎上，采用自頂向下的設計方法，將整個接口電路劃分成發送模塊、接收模塊、序列控制模塊等多個模塊，各個模塊采用Verilog語言進行描述設計編碼器接口電路。最終的設計在相關硬件電路上實現。最后，通過在TMS320F2812伺服控制平臺上編寫的硬件驅動程序驗證了整個設計的各項功能，達到了設計的要求。
上傳時間： 2013-07-11
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