在機器人學的研究領域中，如何有效地提高機器人控制系統的控制性能始終是研究學者十分關注的一個重要內容。在分析了工業機器人的發展歷程和機器人控制系統的研究現狀后，本論文的主要目標是針對四關節實驗室機器人特有的機械結構和數學模型，建立一個新型全數字的基于DSP和FPGA的機器人位置伺服控制系統的軟、硬件平臺，實現對四關節實驗室機器人的精確控制。 本論文從實際情況出發，首先分析了所研究的四關節實驗室機器人的本體結構，并對其抽象簡化得到了它的運動學數學模型。在明確了實現機器人精確位置伺服控制的控制原理后，我們對機器人控制系統的諸多可行性方案進行了充分論證，并最終決定采用了三級CPU控制的控制體系結構：第一級CPU為上位計算機，它實現對機器人的系統管理、協調控制以及完成機器人實時軌跡規劃等控制算法的運算；第二級CPU為高性能的DSP處理器，它輔之以具有高速并行處理能力的FPGA芯片，實現了對機器人多個關節的高速并行驅動；第三級CPU為交流伺服驅動處理器，它實現了機器人關節伺服電機的精確三閉環誤差驅動控制，以及電機的故障診斷和自動保護等功能。此外，我們采用比普通UART速度快得多的USB來實現上位計算機．與下位控制器之間的數據通信，這樣既保證了兩者之間連接方便，又有效的提高了控制系統的通信速度和可靠性。 機器人系統的軟件設計包括兩個部分：一是采用VC++實現的上位監控軟件系統，它主要負責機器人實時軌跡規劃等控制算法的運算，同時完成用戶與機器人系統之間的信息交互；二是采用C語言實現的下位DSP控制程序，它主要負責接收上位監控系統或者下位控制箱發送的控制信號，實現對機器人的實時驅動，同時還能夠實時的向上位監控系統或者下位控制箱反饋機器人的當前狀態信息。 研究開發出來的四關節實驗室機器人控制器具有控制實時性好、定位精度高、運行穩定可靠的特點，它允許用戶通過上位控制計算機實現對機器人的各種設定作業的控制，也可以讓用戶通過機器人控制箱現場對機器人進行回零、示教等各項操作。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來，隨著生物識別技術的興起，虹膜識別技術被日益關注。由于虹膜識別技術對個體識別具有高度的可靠性，已成為目前生物識別中最有發展前景的識別技術之一。與其它生物識別技術相比，虹膜識別技術具有唯一性、穩定性、非侵犯性、不易偽造性和活體特性等優勢。因此，虹膜識別技術具有廣闊的使用前景和很好的經濟效益，越來越受到國內外有關研究人員的重視。 目前，虹膜識別產品大多都是基于PC平臺的，在便攜性、穩定性和安全性方面還存在一些問題。為了克服以上的缺點，本文構架了基于DSP和FPGA的嵌入式虹膜識別硬件平臺，使虹膜識別技術可應用與更多的領域。 本文的主要工作如下： 1．設計了一個嵌入式硬件系統，包括DSP處理器、FPGA、COMS圖像傳感器、人機交互接口和通信接口。同時，還編寫了各硬件模塊的驅動程序。另外，由于系統中DSP工作頻率為300Mhz，另外有些器件工作在100Mhz，因此本文還給出了一些信號完整性分析和PCB設計經驗。 2．在FPGA設計中，編寫Verilog程序，完成了虹膜圖像采集模塊、乒乓存儲器切換模塊、圖像采樣模塊以及將采樣后的圖像顯示在TFT彩色液晶上的模塊，最終實現了虹膜圖像實時顯示系統。此外，還設計實現了用于和DSP通信的HPI接口模塊。 3．完成了部分系統應用程序設計。在使用DSP/BIOS實時操作系統的基礎上設計了各系統任務，通過調用驅動程序控制和協調各硬件模塊，實現了虹膜識別功能。 最終，本文實現了系統設計，本設計可以快速有效的進行虹膜識別。同時，由于本系統采用模塊化的軟硬件設計技術，使系統便于快速應用于各種場合。
上傳時間： 2013-04-24
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在航空航天，遙感測量，安全防衛以及家用影視娛樂等領域，要求能及時保存高清晰度的視頻信號供后期分析、處理、研究和欣賞。因此，研究一套處理速度快，性能可靠，使用方便，符合行業相關規范的高清視頻編解碼系統是十分必要的。 本文首先介紹了高清視頻的發展歷史。并就當前相關領域的發展闡述了高清視頻編解碼系統的設計思路，提出了可行的系統設計方案。基于H.264的高清視頻編碼系統對處理器的要求非常高，一般的DSP和通用處理器難以達到性能要求。本系統選擇富士通公司最新的專用視頻編解碼芯片MB86H51，實時編解碼分辨率達到1080p的高清視頻。芯片具有壓縮率高，功耗低，體積小等優點。系統的控制設備由三塊FPGA芯片和ARM控制器共同完成。FPGA芯片分別負責視頻輸入輸出，碼流輸入輸出和主編解碼芯片的控制。ARM作為上層人機交互的控制器，向系統使用者提供操作界面，并與主控FPGA相連。方案實現了高清視頻的輸入，實時編碼和碼流存儲輸出等功能于一體，能夠編碼1080p的高清視頻并存儲在硬盤中。系統開發的工作難點在于FPGA的程序設計與調試工作。其次，詳細介紹了FPGA在系統中的功能實現，使用的方法和程序設計。使用VHDL語言編程實現I2C總線接口和接口控制功能，利用stratix系列FPGA內置的M4K快速存儲單元實現128K的命令存儲ROM，并對設計元件模塊化，方便今后的功能擴展。編程實現了PIO模式的硬盤讀寫和SDRAM接口控制功能，實現高速的數據存儲功能。利用時序狀態機編程實現主芯片編解碼控制功能，完成編解碼命令的發送和狀態讀取，并對設計思路，調試結果和FPGA資源使用情況進行分析。著重介紹設計中用到的最新芯片及其工作方式，分析設計過程中使用的最新技術和方法。有很強的實用價值。最后，論文對系統就不同的使用情況提出了可供改進的方案，并對與高清視頻相關的關鍵技術作了分析和展望。
上傳時間： 2013-07-26
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人臉識別技術繼指紋識別、虹膜識別以及聲音識別等生物識別技術之后，以其獨特的方便、經濟及準確性而越來越受到世人的矚目。作為人臉識別系統的重要環節—人臉檢測，隨著研究的深入和應用的擴大，在視頻會議、圖像檢索、出入口控制以及智能人機交互等領域有著重要的應用前景，發展速度異常迅猛。 FPGA的制造技術不斷發展，它的功能、應用和可靠性逐漸增加，在各個行業也顯現出自身的優勢。FPGA允許用戶根據自己的需要來建立自己的模塊，為用戶的升級和改進留下廣闊的空間。并且速度更高，密度也更大，其設計方法的靈活性降低了整個系統的開發成本，FPGA 設計成為電子自動化設計行業不可缺少的方法。 本文從人臉檢測算法入手，總結基于FPGA上的嵌入式系統設計方法，使用IBM的Coreconnect掛接自定義模塊技術。經過訓練分類器、定點化、以及硬件加速等方法后，能夠使人臉檢測系統在基于Xilinx的Virtex II Pro開發板上平臺上，達到實時的檢測效果。本文工作和成果可以具體描述如下： 1. 算法分析：對于人臉檢測算法，首先確保的是檢測率的準確性程度。本文所采用的是基于Paul Viola和Michael J.Jones提出的一種基于Adaboost算法的人臉檢測方法。算法中較多的是積分圖的特征值計算，這便于進一步的硬件設計。同時對檢測算法進行耗時分析確定運行速度的瓶頸。 2. 軟硬件功能劃分：這一步考慮市場可以提供的資源狀況，又要考慮系統成本、開發時間等諸多因素。Xilinx公司提供的Virtex II Pro開發板，在上面有可以供利用的Power PC處理器、可擴展的存儲器、I/O接口、總線及數據通道等，通過分析可以對算法進行細致的劃分，實現需要加速的模塊。 3. 定點化：在Adaboost算法中，需要進行大量的浮點計算。這里采用的方法是直接對數據位進行操作它提取指數和尾數，然后對尾數執行移位操作。 4. 改進檢測用的級聯分類器的訓練，提出可以迅速提高分類能力、特征數量大大減小的一種訓練方法。 5. 最后對系統的整體進行了驗證。實驗表明，在視頻輸入輸出接入的同時，人臉檢測能夠達到17fps的檢測速度，并且獲得了很好的檢測率以及較低的誤檢率。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著數字電視技術的飛速發展，數字機頂盒已成為現在模擬電視收看數字電視節目必不可少的設備。而數字機頂盒需要在解碼后的模擬視頻信號上加入屏幕顯示信息(如亮度、色度、信息服務菜單等)以提供給觀眾良好的界面和靈活的人機交互。 v屏幕顯示系統(OSG，On-Screen-Graphics)解決了現有模擬電視無法實現的疊加屏幕顯示信息的問題，提供同步輸出疊加有各種圖形、文字的電視節目圖像的功能，其中最主要的部分是OSD(On-Screen-Display)，即屏幕顯示單元。OSD將疊加的位圖圖像分為多個OSD塊，一般定義為矩形區域。每個矩形區域，例如臺標、參數調節框、字幕等，都有獨立的4色、16色或256色顏色查找表。同時OSG系統也支持真彩模式。OSD塊經由編碼/混合器與視頻圖像進行alpha混合后輸出到電視屏幕上。 本文詳細介紹了應用FPGA設計包括屏幕顯示單元在內的OSG系統的思路和設計過程，描述了模塊的劃分與功能仿真。在論文前半部分，本文給出了圖文屏幕顯示系統各子單元的工作流程，接著論文的后半部分，給出了詳細的模塊接口說明和硬件實現。
上傳時間： 2013-07-27
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感應加熱電源以其環保、節能等優點在工業生產中得到了廣泛的應用，逆變控制電路是直接影響感應加熱電源能否安全、高效運行的關鍵因素。目前的感應加熱裝置很多采用模擬電路控制，而模擬控制電路觸點多，焊點多，系統可靠性低，對一些元件的工藝性要求高，電路中控制參數不容易進行修改，靈活性較差。近年來隨著微處理機的發展，數字式控制精確，軟件設計靈活，因而整個控制系統容易實現，在感應加熱領域中運用數字式控制已是一個發展方向。 本文在模擬逆變控制系統的基礎上，在可編程邏輯器件(FPGA)上進行了數字式并聯逆變控制系統的研究。 首先，本文針對感應加熱并聯逆變控制的數字化進行了詳細的研究。在參閱國內外相關文獻的基礎上，結合已有模擬并聯逆變控制電路的工作原理，設計了全數字鎖相環、它激轉自激掃頻啟動模塊等逆變控制功能模塊，并對各個模塊進行了相關的數學分析和功能仿真，結果證明可以達到預定的功能指標和設計要求。 然后，分析了感應加熱電源的整體工作流程，針對模擬控制電路中控制參數不易進行修改、靈活性較差等問題，設計了數據采集、存儲、顯示等功能模塊，有利于系統的調試，參數修改等實際操作。 最后，以模擬逆變控制策略為基礎，分析了數字控制器的控制要求和策略。由硬件狀態機實現數字控制器的設計，完成對整個逆變控制系統的整體控制操作。通過自上而下的總體設計，將各個部分組合起來，構成一個SOC系統。在FPGA集成軟件中進行了各部分和整體的仿真驗證，結果證明該設計可以完成逆變控制的各項需求和預定的人機交互操作。
上傳時間： 2013-07-09
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數據采集系統是信號與信息處理系統中不可缺少的重要組成部分，同時也是軟件無線電系統中的核心模塊，在現代雷達系統以及無線基站系統中的應用越來越廣泛。為了能夠滿足目前對軟件無線電接收機自適應性及靈活性的要求，并充分體現在高性能FPGA平臺上設計SOC系統的思路，本文提出了由高速高精度A/D轉換芯片、高性能FPGA、PCI總線接口、DB25并行接口組成的高速數據采集系統設計方案及實現方法。其中FPGA作為本系統的控制核心和傳輸橋梁，發揮了極其重要的作用。通過FPGA不僅完成了系統中全部數字電路部分的設計，并且使系統具有了較高的可適應性、可擴展性和可調試性。 在時序數字邏輯設計上，充分利用FPGA中豐富的時序資源，如鎖相環PLL、觸發器，緩沖器FIFO、計數器等，能夠方便的完成對系統輸入輸出時鐘的精確控制以及根據系統需要對各處時序延時進行修正。 在存儲器設計上，采用FPGA片內存儲器。可根據系統需要隨時進行設置，并且能夠方便的完成數據格式的合并、拆分以及數據傳輸率的調整。 在傳輸接口設計上，采用并行接口和PCI總線接口的兩種數據傳輸模式。通過FPGA中的宏功能模塊和IP資源實現了對這兩種接口的邏輯控制，可使系統方便的在兩種傳輸模式下進行切換。 在系統工作過程控制上，通過VB程序編寫了應用于PC端的上層控制軟件。并通過并行接口實現了PC和FPGA之間的交互，從而能夠方便的在PC機上完成對系統工作過程的控制和工作模式的選擇。 在系統調試方面，充分利用QuartuslI軟件中自帶的嵌入式邏輯分析儀SignalTaplI，實時準確的驗證了在系統整個傳輸過程中數據的正確性和時序性，并極大的降低了用常規儀器觀測FPGA中眾多待測引腳的難度。 本文第四章針對FPGA中各功能模塊的邏輯設計進行了詳細分析，并對每個模塊都給出了精確的仿真結果。同時，文中還在其它章節詳細介紹了系統的硬件電路設計、并行接口設計、PCI接口設計、PC端控制軟件設計以及用于調試過程中的SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀的使用方法，并且也對系統的仿真結果和測試結果給出了分析及討論。最后還附上了系統的PCB版圖、FPGA邏輯設計圖、實物圖及注釋詳細的相關源程序清單。
上傳時間： 2013-06-09
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偽隨機序列 (Pseudo-Random Sequence，PRS)廣泛應用于密碼學、擴頻通信、雷達、導航等領域，其設計和分析一直是國際上的研究熱點。混沌序列作為一種性能優良的偽隨機序列，近年來受到越來越多的關注。尋找一種性能更為良好的混沌偽隨機序列(ChaosPseudo Random Sequence，CPRS)并且完成其硬件實現，在理論研究與工程應用上都是十分有價值的。基于切延遲橢圓反射腔映射混沌系統(Tangent-Delay Ellipse Reflecting Cavity map System，TD-ERCS)已被理論分析和測試證明具有良好的密碼學性質。本文介紹了一種基于TD-ERCS構造偽隨機序列發生器 (Pseudo Random SequenceGenerator，PRSG)的新方法；并基于這種方法，提出了以現場可編程門陣列 (Field Programmable Gate Array，FPGA)為平臺的硬件設計實現方案，采用硬件描述語言 (VHSIC Hardware DescriptionLanguage，VHDL )完成了整個系統的設計，通過了仿真與適配，完成了硬件調試；詳細地論述了系統總體框架及內部模塊設計，重點介紹了TD-ERCS算法實現單元的設計，并在系統中設計加入了異步串行接口，完善了整個系統的模塊化，可使系統嵌入到現有的各類密碼系統與設備中；基于FDELPHI編程環境，完成了計算機應用軟件的設計，為使用基于TD-ERCS開發的PRSG硬件產品提供了人機交互界面，也為分析與測試硬件系統產生的CPRS提供了方便；同時依據美國國家標準與技術研究院 (National Institute of Standards andTechnology，NIST)提出的偽隨機序列性能指標，對軟件與硬件系統產生的CPRS進行了標準測試，軟件方法所得序列各項性能指標完全合格，硬件FPGA所得序列僅三項測試未能通過，其原因有待進一步研究。
上傳時間： 2013-06-20
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隨著電子技術的快速發展，計算機的性能得到了極大的提高，使得利用計算機實現人類的視覺功能成為目前計算機領域中最熱門的課題之一。基于視頻的目標檢測與跟蹤技術是計算機視覺領域中最主要的研究方向之一，它是智能監控、人機交互、移動機器人視覺導航、工業機器人手眼系統等應用的基礎和關鍵技術。在科學研究和工程應用上都有十分誘人的前景。 論文提出了以FPGA為核心的思想，設計出一套應用于背景靜止視頻序列的動態目標檢測與跟蹤系統。通過位置固定的攝像頭監控某一區域，分析攝像頭采集到的動態視頻序列，計算出目標的運動參數。與傳統的基于PC機的視頻動態目標跟蹤系統相比，適應了目標跟蹤系統對圖像處理速度的實時性與數據帶寬越來越高的要求，同時成本較低、設計更靈活，而且硬件重構性好、處理速度快、系統易于升級。 論文的主要工作包括：構建目運動標跟蹤系統軟件平臺和硬件平臺。應用MATLAB對目標檢測算法進行仿真分析比較。采用Synplifty Pro、ModelSim和TimingDesigner等各種EDA軟件工具對系統中各個層次的模塊進行時序設計、代碼編寫、仿真驗證等。最后使用QuartusⅡ將整個系統工程文件綜合、布局布線。在察看時序報告無誤后，將系統配置文件下載至FPGA開發板中。 實現結果表明：所設計的系統能很好地工作在FPGA中，實現了設計要求，為視覺智能監控打下基礎。
上傳時間： 2013-08-05
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隨著嵌入式技術和網絡技術的發展，通過嵌入Web服務器來管理和控制設備成為嵌入式設備管理的一種發展趨勢。越來越多的嵌入式系統將Web服務器引入其中，可方便有效地管理這些掛接在網絡上的嵌入式設備，用戶可以使用瀏覽器通過互聯網來控制它們。本文所設計的嵌入式Web服務器就是基于HTTP協議和TCP／IP協議上的一種界面友好的Web服務器。 本文首先介紹了嵌入式Web系統的基本概念、歷史和發展狀況，同時闡述了設計及實現嵌入式Web服務器的關鍵技術和相關的理論基礎。然后介紹了本系統的軟硬件開發平臺及其建立：選擇了一款具有優秀網絡性能并且開源的操作系統—uClinux，為其在宿主機上搭建開發和編譯環境，并介紹了如何進行內核配置；確定使用以S3C44BOX為處理器的開發平臺為系統硬件平臺，并提出了嵌入式Web服務器的實現方案。本系統在boa服務器的基礎上實現了動態Web技術，完成了真正的人機交互功能，用戶可以通過Web瀏覽器監控嵌入式設備。為了實現用戶對嵌入式產品數據進行更有效的管理，在基于ARM的嵌入式Web服務器中內嵌一小型數據庫sqlite，用戶能夠借此在嵌入式產品中方便地插入、刪除或修改數據，在服務器端應用程序中調用數據庫提供的API函數完成服務器對數據庫的訪問與更新，進一步擴展嵌入式Web服務器的功能。為了使所設計的嵌入式Web服務器能動態保存少量的數據，本文對uClinux系統進行了適當的改動，實現了一個可讀寫的文件系統，使JFFS2文件系統在嵌入式Web服務器中得到應用。文章最后將該嵌入式Web服務器應用于智能家居管理，給出了智能家居管理數據庫的設計及實現，并探討了該嵌入式Web服務器潛在的應用前景。
上傳時間： 2013-07-29
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