該論文基于NIOS Ⅱ軟核處理器和Altera的FPGA技術，設計了一種便攜式的振動頻譜分析儀，用于旋轉機械的故障監(jiān)測和診斷。以SOPC技術為手段，將信號采集和信號處理電路通過可編程片上系統(tǒng)來實現，其特點是將對ADC的控制、數字信號的濾波、快速傅立葉變換的設計，通過FPGA芯片集成在一起，以NIOS Ⅱ來完成32位CPU的狀態(tài)控制功能。工程機械、汽車車輛中都存在諸如發(fā)動機類的旋轉機械，這類設備的異常振動往往會影響正常工作，嚴重時還會出現各種重大事故，該分析儀可以實時地或定期地對發(fā)動機、齒輪箱等旋轉機械進行振動頻譜分析和監(jiān)測，運用于民用機械能產生非常好的經濟效益。 該論文從四個方面進行了研究工作。其一，利用FPGA對ADC芯片的工作進行控制，使其在規(guī)定的時間內與DSP模塊進行數據交換，并對ADC各引腳時序進行控制，使兩者協(xié)調同步工作，編制了相應的VHDL語言程序。其二，采用SOPC Builder設計開發(fā)，實現了基于NIOS Ⅱ的32位CPU軟核，創(chuàng)建了相應的C/C++和匯編的宏代碼，使得軟件可以訪問用戶自定義邏輯。對頂層設計產生的VHDL的RTL代碼和仿真文件進行了綜合、編譯適配以及仿真。其三，配合Matlab和DSP Builder的強大功能進行DSP模塊設計，開發(fā)出了FIR和FFT等功能模塊，并且添加到SOPC系統(tǒng)中，使其可以由NIOS Ⅱ很容易的調用。其四，在NIOS Ⅱ系統(tǒng)中添加了uC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)升級的能力。由于整個設計是基于FPGA開發(fā)的，所以該系統(tǒng)包括了所有FPGA系統(tǒng)的特點，包括并行的DSP處理、在系統(tǒng)可編程、升級簡單等特點，極易使設計產品化。
上傳時間： 2013-04-24
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電梯群控系統(tǒng)是一種控制三臺或以上電梯的控制系統(tǒng)，旨在提高對電梯乘客的服務質量并減少成本，如：電梯的功耗。目前大多數的電梯群控系統(tǒng)采用的是“大廳呼叫指派”的方法來指派電梯去響應乘客的呼梯。在這種方法中，電梯群控系統(tǒng)將根據目前建筑內的客流量來選擇最合適的電梯。在充分研究了當前普遍應用的電梯群控算法后，本文提出了一種基于模糊算法的電梯群控算法，該算法可根據不同的客流量模式對整個建筑中的電梯群進行派梯策略的調整，并在此基礎上，加入了經驗調整參數，使該算法增加了記憶調整功能。 本文在Matlab上對改進的算法進行了相關建模驗證。驗證結果表明，相比只是應用類似模糊算法的電梯群控算法，本算法對于客流量模式相對穩(wěn)定的大型寫字樓等對群控系統(tǒng)要求比較嚴格的樓宇更為適用，即擁有更好的應用前景。 本文還對所提出的算法在工程上采用FPGA進行應用做了一定的研究。在用C程序建立該算法的基礎上采用了在Xilinx VirtexII Pro開發(fā)板上運行MicroBlaze軟IP核的方法對該算法進行了調試并運行成功。得到的運行結果與用Matlab驗證的結果一致。證明了該算法在工程上的可應用性。
標簽： FPGA 電梯群控系統(tǒng) 分
上傳時間： 2013-07-02
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當今電子系統(tǒng)的設計是以大規(guī)模FPGA為物理載體的系統(tǒng)芯片的設計，基于FPGA的片上系統(tǒng)可稱為可編程片上系統(tǒng)(SOPC)。SOPC的設計是以知識產權核(IPCore)為基礎，以硬件描述語言為主要設計手段，借助以計算機為平臺的EDA工具進行的。 本文在介紹了FPGA與SOPC相關技術的基礎上，給出了SOPC技術開發(fā)調制解調器的方案。在分析設計軟件Matlab/DSP(Digital Signal Processing)。builder以及Quartus Ⅱ開發(fā)軟件進行SOPC(System On a Programmable Chip)設計流程后，依據調制解調算法提出了一種基于DSP Builder調制解調器的SOPC實現方案，模塊化的設計方法大大縮短了調制解調器的開發(fā)周期。 在SOPC技術開發(fā)調制解調器的過程中，用MATLAB/Simulink的圖形方式調用Altera DSP Builder和其他Simulink庫中的圖形模塊(Block)進行系統(tǒng)建模，在Simulink中仿真通過后，利用DSP Builder將Simulink的模型文件(．mdl)轉化成通用的硬件描述語言VHDL文件，從而避免了VHDL語言手動編寫系統(tǒng)的煩瑣過程，將精力集中于算法的優(yōu)化上。 基于DSP Builder的開發(fā)功能，調制解調器電路中的低通濾波器可直接調用FIRIP Core，進一步提高了開發(fā)效率。 在進行編譯、仿真調試成功后，經過QuartusⅡ將編譯生成的編程文件下載到ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列的FPGA芯片EP2C5F256C6，完成器件編程，從而給出了一種調制解調器的SOPC系統(tǒng)實現方案。
上傳時間： 2013-05-28
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數字濾波器是現代數字信號處理系統(tǒng)的重要組成部分之一。ⅡR數字濾波器又是其中非常重要的一類慮波器，因其可以較低的階次獲得較高的頻率選擇特性而得到廣泛應用。 本文研究了ⅡR數字濾波器的常用設計方法，在分析各種ⅡR實現結構的基礎上，利用MATLAB針對并聯(lián)型結構的ⅡR數字濾波器做了多方面的仿真，從理論分析和仿真情況確定了所要設計的ⅡR數字濾波器的實現結構以及中間數據精度。然后基于FPGA的結構特點，研究了ⅡR數字濾波器的FPGA設計與實現，提出應用流水線技術和并行處理技術相結合的方式來提高ⅡR數字濾波器處理速度的方法，同時又從ⅡR數字濾波器的結構特性出發(fā)，提出利用ⅡR數字濾波器的分解技術來改善ⅡR濾波器的設計。在ⅡR實現方面，本文采用Verilog HDL語言編寫了相應的硬件實現程序，將內置SignalTap Ⅱ邏輯分析器的ⅡR設計下載到FPGA芯片，并利用Altera公司的SignalTap Ⅱ邏輯分析儀進行了定性測試，同時利用HP頻譜儀進行定性與定量的觀測，仿真與實驗測試結果表明設計方法正確有效。
上傳時間： 2013-04-24
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回波抵消器在免提電話、無線產品、IP電話、ATM語音服務和電話會議等系統(tǒng)中，都有著重要的應用。在不同應用場合對回波抵消器的要求并不完全相同，本文主要研究應用于電話系統(tǒng)中的電回波抵消器。電回波是由于語音信號在電話網中傳輸時由于阻抗不匹配而產生的。 傳統(tǒng)回波抵消器主要是基于通用DSP處理器實現的，這種回波抵消器在系統(tǒng)實時性要求不高的場合能很好的滿足回波抵消的性能要求，但是在實時性要求較高的場合，其處理速度等性能方面已經不能滿足系統(tǒng)高速、實時的需要。現代大容量、高速度的FPGA的出現，克服了上訴方案的諸多不足。用FPGA來實現數字信號處理可以很好地解決并行性和速度問題，且其靈活的可配置特性使得FPGA構成的DSP系統(tǒng)非常易于修改、測試和硬件升級。 本文研究目標是如何在FPGA芯片上實現回波抵消器，完成的主要工作有： (1)深入研究了回波抵消器各模塊算法，包括自適應濾波算法、遠端檢測算法、雙講檢測算法、NLP算法、舒適噪聲產生算法，并實現了這些算法的C程序。 (2)深入研究了回波抵消器基于FPGA的設計流程與實現方法，并利用硬件描述語言Verilog HDL實現了各部分算法。 (3)在OuartusⅡ和ModelSim仿真環(huán)境下對該系統(tǒng)進行模塊級和系統(tǒng)級的功能仿真、時序仿真和驗證。并在FPGA硬件平臺上實現了該系統(tǒng)。 (4)根據ITU-T G．168的標準和建議，對設計進行了大量的主、客測試，各項測試結果均達到或優(yōu)于G．168的要求。
上傳時間： 2013-06-23
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在工業(yè)控制領域，多種現場總線標準共存的局面從客觀上促進了工業(yè)以太網技術的迅速發(fā)展，國際上已經出現了HSE、Profinet、Modbus TCP/IP、Ethernet/IP、Ethernet Powerlink、EtherCAT等多種工業(yè)以太網協(xié)議。將傳統(tǒng)的商用以太網應用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現場設備層的最大障礙是以太網的非實時性，而實現現場設備間的高精度時鐘同步是保證以太網高實時性的前提和基礎。 IEEE 1588定義了一個能夠在測量和控制系統(tǒng)中實現高精度時鐘同步的協(xié)議——精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol)。PTP協(xié)議集成了網絡通訊、局部計算和分布式對象等多項技術，適用于所有通過支持多播的局域網進行通訊的分布式系統(tǒng)，特別適合于以太網，但不局限于以太網。PTP協(xié)議能夠使異質系統(tǒng)中各類不同精確度、分辨率和穩(wěn)定性的時鐘同步起來，占用最少的網絡和局部計算資源，在最好情況下能達到系統(tǒng)級的亞微級的同步精度。 基于PC機軟件的時鐘同步方法，如NTP協(xié)議，由于其實現機理的限制，其同步精度最好只能達到毫秒級；基于嵌入式軟件的時鐘同步方法，將時鐘同步模塊放在操作系統(tǒng)的驅動層，其同步精度能夠達到微秒級。現場設備間微秒級的同步精度雖然已經能滿足大多數工業(yè)控制系統(tǒng)對設備時鐘同步的要求，但是對于運動控制等需求高精度定時的系統(tǒng)來說，這仍然不夠。基于嵌入式軟件的時鐘同步方法受限于操作系統(tǒng)中斷響應延遲時間不一致、晶振頻率漂移等因素，很難達到亞微秒級的同步精度。 本文設計并實現了一種基于FPGA的時鐘同步方法，以IEEE 1588作為時鐘同步協(xié)議，以Ethernet作為底層通訊網絡，以嵌入式軟件形式實現TCP/IP通訊，以數字電路形式實現時鐘同步模塊。這種方法充分利用了FPGA的特點，通過準確捕獲報文時間戳和動態(tài)補償晶振頻率漂移等手段，相對于嵌入式軟件時鐘同步方法實現了更高精度的時鐘同步，并通過實驗驗證了在以集線器互連的10Mbps以太網上能夠達到亞微秒級的同步精度。
上傳時間： 2013-07-28
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基于FPGA的靜止圖像壓縮系統(tǒng)的研究-JPEG編碼器的設計電力電子與電力傳動數字圖像在人們生活中的應用越來越廣泛，由于原始圖像數據量比較大，因此數字圖像壓縮技術逐漸成為圖像應用的一個核心環(huán)節(jié)。在數字圖像壓縮領域，國際標準化組織于1992年推出的JPEG標準應用最為廣泛。 本文基于FPGA設計了JPEG圖像壓縮系統(tǒng)，通過改進算法，優(yōu)化結構，在合理的利用硬件資源的條件下，有效的挖掘出算法內部的并行性。改進了DCT變換算法，設計了并行查找表結構的乘法器，采用了流水線優(yōu)化算法來解決時間并行性問題，提高了DCT模塊的運算速度。依據Huffman編碼表的規(guī)律性，采用并行查找表結構，用較少的存儲單元完成了Huffman編碼運算，同時提高了編碼速度。整個設計通過EDA軟件進行了邏輯綜合及功能與時序仿真。綜合和仿真結果表明，本文提出的算法在速度和資源利用方面均達到了較好的狀態(tài)，可滿足實時JPEG圖像壓縮的要求。 設計了一個硬件開發(fā)平臺，對JPEG圖像壓縮系統(tǒng)進行了驗證。硬件平臺上使用ADV7181B來實現AD轉換；使用TI公司TMS320C6416型DSP芯片實現了系統(tǒng)配置以及通過PCI接口與上位機PC的實現數據交換；使用Microsoft VC++6．0開發(fā)平臺開發(fā)了系統(tǒng)控制軟件平臺，實現對整個壓縮系統(tǒng)的控制。
標簽： FPGA 圖像壓縮系統(tǒng)
上傳時間： 2013-05-24
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密集型的矩陣運算在信號處理和圖像處理中被廣泛應用，而且往往需要系統(tǒng)進行實時運算，這就需要系統(tǒng)具有很高的吞吐率。因此尋找矩陣運算的高速實現方法是很有意義的。FPGA的運算速度快并且可以并行運算，和其它矩陣運算的實現方式相比，FPGA有其獨特的優(yōu)勢。本文主要設計并實現了基于FPGA的各種矩陣運算模塊。 本文首先介紹了矩陣運算的特點和原理，接著討論了FPGA浮點運算單元的VHDL設計方法，在此基礎上，設計了矩陣相乘累加、三角矩陣求逆和一般矩陣分解求逆的運算模塊，給出矩陣階數擴大時各種矩陣運算的分塊實現方法。然后在ModelSim環(huán)境下仿真了一般矩陣的求逆模塊，與Maflab仿真結果比較，分析了運算精度、時間復雜度和資源占用情況，在Virtex-4系列FPGA硬件平臺上進行了調試和測試，并通過USB接口將矩陣運算結果送入PC機，驗證了基于FPGA矩陣運算的正確性和可行性。最后對矩陣求逆模塊在雷達信號中的應用作了簡單介紹。
上傳時間： 2013-07-20
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在數字通信中，采用差錯控制技術(糾錯碼)是提高信號傳輸可靠性的有效手段，并發(fā)揮著越來越重要的作用。糾錯碼主要有分組碼和卷積碼兩種。在碼率和編碼器復雜程度相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。 卷積碼的譯碼方法主要有代數譯碼和概率譯碼。代數譯碼是基于碼的代數結構；而概率譯碼不僅基于碼的代數結構，還利用了信道的統(tǒng)計特性，能充分發(fā)揮卷積碼的特點，使譯碼錯誤概率達到很小。 卷積碼譯碼器的設計是由高性能的復雜譯碼器開始的，對于概率譯碼最初的序列譯碼，隨著譯碼約束長度的增加，其譯碼錯誤概率可達到非常小。后來慢慢地向低性能的簡單譯碼器演化，對不太長的約束長度，維特比(Viterbi)算法是非常實用的。維特比算法是一種最大似然的譯碼方法。當編碼約束度不太大(小于等于10)或者誤碼率要求不太高(約10-5)時，Viterbi譯碼算法效率很高，速度很快，譯碼器也較簡單。 目前，卷積碼在數傳系統(tǒng)，尤其是在衛(wèi)星通信、移動通信等領域已被廣泛應用。 本論文對卷積碼編碼和Viterbi譯碼的設計原理及其FPGA實現方案進行了研究。同時，將交織和解交織技術應用于編碼和解碼的過程中。 首先，簡要介紹了卷積碼的基礎知識和維特比譯碼算法的基本原理，并對硬判決譯碼和軟判決譯碼方法進行了比較。其次，討論了交織和解交織技術及其在糾錯碼中的應用。然后，介紹了FPGA硬件資源和軟件開發(fā)環(huán)境Quartus Ⅱ，包括數字系統(tǒng)的設計方法和設計規(guī)則。再有，對基于FPGA的維特比譯碼器各個模塊和相應算法實現、優(yōu)化進行了研究。最后，在Quartus Ⅱ平臺上對硬判決譯碼和軟判決譯碼以及有無交織等不同情況進行了仿真，并根據仿真結果分析了維特比譯碼器的性能。 分析結果表明，系統(tǒng)的誤碼率達到了設計要求，從而驗證了譯碼器設計的可靠性，所設計基于FPGA的并行Viterbi譯碼器適用于高速數據傳輸的場合。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著信號處理技術的進步和電子技術的發(fā)展，雷達信號偵察接收機逐漸從模擬體制向數字體制轉變。軟件無線電概念的提出，促使雷達偵察接收機朝大帶寬、全截獲方向發(fā)展，現有的串行信號處理體制已經很難滿足系統(tǒng)要求。FPGA器件的出現，為實現寬帶雷達信號偵察數字接收機提供了硬件支持。 本文結合FPGA芯片特點，在前人研究基礎上，從算法和硬件實現兩方面，對雷達信號偵察數字接收機若干關鍵技術進行了研究和創(chuàng)新，主要研究內容包括以下幾個方面。 1)給出了基于QuartusII/Matlab和ISE/ModelSim/Matlab的兩種FPGA設計聯(lián)合仿真技術。這種聯(lián)合仿真技術，大大提高了基于FPGA的雷達信號偵察數字接收機的設計效率。 2)給出了一種基于FFT/IFFT的寬帶數字正交變換算法，并將該算法在FPGA中進行了硬件實現，設計可對600MHz帶寬內的輸入信號進行實時正交變換。 3)提出了一種全并行結構FFT的FPGA實現方案，并將其在FPGA芯片中進行了硬件實現，設計能夠在一個時鐘周期內完成32點并行FFT運算，滿足了數字信道化接收機對數據處理速度的要求。 4)提出了一種自相關信號檢測FPGA實現方案，通過改變FIFO長度改變自相關運算點數，實現了弱信號檢測。提出通過二次門限處理來消除檢測脈沖中的毛刺和凹陷，降低了虛警概率，提高了檢測結果的可靠性。 5)在單通道自相關信號檢測算法基礎上，提出采用三路并行檢測，每路采用不同的相關點數和檢測門限，再綜合考慮三路檢測結果，得到最終檢測結果。給出了算法FPGA實現過程，并對設計進行了聯(lián)合時序仿真，提高了檢測性能。 6)給出了一種利用FFT變換后的兩根最大譜線進行插值的快速高精度頻率估計方法，并將該算法在FPGA硬件中進行了實現。通過利用FFT運算后的實/虛部最大值進行插值，降低了硬件資源消耗、縮短了運算延遲。 7)結合4)、5)、6)中的研究成果，完成了對雷達脈沖信號到達時間、終止時間、脈沖寬度和脈沖頻率的估計，最終在一塊FPGA芯片內實現了一個精簡的雷達信號偵察數字接收機，并在微波暗室中進行了測試。
上傳時間： 2013-06-13
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