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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隨著電力電子技術、微處理器技術、控制理論及永磁材料等技術的快速發展，以永磁同步電機作為控制對象的傳動領域得到了越來越廣泛的關注，隨著FPGA的技術的普及和廣泛應用，使得各種先進的控制算法得以實現，于是數字化、智能化的永磁交流控制器成為必然的發展趨勢和當前的研究熱點。本文的主要工作就是圍繞數字化的永磁同步電機控制器研究來展開。首先深入研究了永磁同步電機的數學建模方法及電機控制策略問題。在對永磁同步電機的數學模型進行了推導的基礎上，在PSIM仿真軟件中建立了永磁同步電機的電機模型，提出了一種永磁同步電機傳統控制系統仿真建模的新方法。其次對常用的數字脈寬調制方法進行了數學推導，并對滑模控制理論和矢量控制進行了深入的研究分析，將滑模變結構控制應用于永磁同步電機的調速系統中，改善了傳統PI控制器參數整定繁瑣、系統魯棒性差的缺點，仿真結果驗證了該系統設計方案的優越性。最后在永磁同步電機建模仿真的基礎上，根據永磁同步電機控制器的設計要求及FPGA的特點，提出永磁同步電機控制器的的設計方案。按照FPGA模塊化設計思想，將整個系統進行了合理的劃分，分別對SVPWM、Park變換、SMC、反饋速度測量等重要模塊的FPGA硬件實現算法進行了深入的研究。各模塊在Modelsim平臺上完成功能仿真后并下載到Spartan-3E開發板上完成硬件驗證，驗證結果表明：永磁同步電機在低速和高速時都能穩定運行，從而證實了本設計方案的可行性。
上傳時間： 2013-04-24
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波前處理機是自適應光學系統中實時信號處理和運算的核心，隨著自適應光學系統得發展，波前傳感器的采樣頻率越來越高，這就要求波前處理機必須有更強的數據處理能力以保證系統的實時性。在整個波前處理機的工作流程中，對CCD傳來的實時圖像數據進行實時處理是第一步，也是十分重要的一步。如果不能保證圖像處理的實時性，那么后續的處理過程都無從談起。因此，研制高性能的圖像處理平臺，對波前處理機性能的提高具有十分重要的意義。 論文介紹了本研究課題的背景以及國內外圖像處理技術的應用和發展狀況，接著介紹了傳統的專用和通用圖像處理系統的結構、特點和模型，并通過分析DSP芯片以及DSP系統的特點，提出了基于DSP和FPGA芯片的實時圖像處理系統。該系統不同于傳統基于PC機模式的圖像處理系統，發揮了DSP和FPGA兩者的優勢，能更好地提高圖像處理系統實時性能，同時也最大可能地降低成本。 論文根據圖像處理系統的設計目的、應用需求確定了器件的選型。介紹了主要的器件，接著從系統架構、邏輯結構、硬件各功能模塊組成等方面詳細介紹了DSP+FPGA圖像處理系統硬件設計，并分析了包括各種參數指標選擇、連接方式在內的具體設計方法以及應該注意的問題。 論文在闡述傳輸線理論的基礎上，在制作PCB電路板的過程中，針對高速電路設計中易出現的問題，詳細分析了高速PCB設計中的信號完整性問題，包括反射、串擾等，說明了高速PCB的信號完整性、電源完整性和電磁兼容性問題及其解決方法，進行了一定的理論和技術探討和研究。 論文還介紹了基于FPGA的邏輯設計，包括了圖像采集模塊的工作原理、設計方案和SDRAM控制器的設計，介紹了SDRAM的基本操作和工作時序，重點闡述系統中可編程器件內部模塊化SDRAM控制器的設計及仿真結果。 論文最后描述了硬件系統的測試及調試流程，并給出了部分的調試結果。 該系統主要優點有：實時性、高速性。硬件設計的執行速度，在高速DSP和FPGA中實現信號處理算法程序，保證了系統實時性的實現；性價比高。自行研究設計的電路及硬件系統比較好的解決了高速實時圖像處理的需求。
上傳時間： 2013-05-30
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軟件無線電(SDR，Software Defined Radio)由于具備傳統無線電技術無可比擬的優越性，已成為業界公認的現代無線電通信技術的發展方向。理想的軟件無線電系統強調體系結構的開放性和可編程性，減少靈活性著的硬件電路，把數字化處理(ADC和DAC)盡可能靠近天線，通過軟件的更新改變硬件的配置、結構和功能。目前，直接對射頻(RF)進行采樣的技術尚未實現普及的產品化，而用數字變頻器在中頻進行數字化是普遍采用的方法，其主要思想是，數字混頻器用離散化的單頻本振信號與輸入采樣信號在乘法器中相乘，再經插值或抽取濾波，其結果是，輸入信號頻譜搬移到所需頻帶，數據速率也相應改變，以供后續模塊做進一步處理。數字變頻器在發射設備和接收設備中分別稱為數字上變頻器(DUC，Digital Upper Converter)和數字下變頻器(DDC，Digital Down Converter)，它們是軟件無線電通信設備的關鍵部什。大規模可編程邏輯器件的應用為現代通信系統的設計帶來極大的靈活性。基于FPGA的數字變頻器設計是深受廣大設計人員歡迎的設計手段。本文的重點研究是數字下變頻器(DDC)，然而將它與數字上變頻器(DUC)完全割裂后進行研究顯然是不妥的，因此，本文對數字上變頻器也作適當介紹。 第一章簡要闡述了軟件無線電及數字下變頻的基本概念，介紹了研究背景及所完成的主要研究工作。 第二章介紹了數控振蕩器(NCO)，介紹了兩種實現方法，即基于查找表和基于CORDIC算法的實現。對CORDIc算法作了重點介紹，給出了傳統算法和改進算法，并對基于傳統CORDIC算法的NCO的FPGA實現進行了EDA仿真。 第三章介紹了變速率采樣技術，重點介紹了軟件無線電中廣泛采用的級聯積分梳狀濾波器 (cascaded integratot comb， CIC)和ISOP(Interpolated Second Order Polynomial)補償法，對前者進行了基于Matlab的理論仿真和FPGA實現的EDA仿真，后者只進行了基于Matlab的理論仿真。 第四章介紹了分布式算法和軟件無線電中廣泛采用的半帶(half-band，HB)濾波器，對基于分布式算法的半帶濾波器的FPGA實現進行了EDA仿真，最后簡要介紹了FIR的多相結構。 第五章對數字下變頻器系統進行了噪聲綜合分析，給出了一個噪聲模型。 第六章介紹了數字下變頻器在短波電臺中頻數字化應用中的一個實例，給出了測試結果，重點介紹了下變頻器的：FPGA實現，其對應的VHDL程序收錄在本文最后的附錄中，希望對從事該領域設計的技術人員具有一定參考價值。
上傳時間： 2013-06-30
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隨著存儲技術的迅速發展，存儲業務需求的不斷增長，獨立的磁盤冗余陣列可利用多個磁盤并行存取提高存儲系統的性能。磁盤陣列技術采用硬件和軟件兩種方式實現，軟件RAID（Redundant Array of Independent Disks）主要利用操作系統提供的軟件實現磁盤冗余陣列功能，對系統資源利用率高，節省成本。硬件RAID將大部分RAID功能集成到一塊硬件控制器中，系統資源占用率低，可移植性好。 分析了軟件RAID的性能瓶頸，使用硬件直接完成部分計算提高軟件RAID性能。針對RAID5采用FPGA（Field Programmable Gate Array）技術實現RAID控制器硬件設計，完成磁盤陣列啟動、數據緩存（Cache）以及數據XOR校驗等功能。基于硬件RAID的理論，提出一種基于Virtex-4的硬件RAID控制器的系統設計方案：獨立微處理器和較大容量的內存；實現RAID級別遷移，在線容量擴展，在線數據熱備份等高效、用戶可定制的高級RAID功能；利用Virtex-4內置硬PowerPC完成RAID服務器部分配置和管理工作，運行Linux操作系統、RAID管理軟件等。控制器既可以作為RAID控制卡在服務器上使用，也可作為一個獨立的系統，成為磁盤陣列的調試平臺。 隨著集成電路的發展，芯片的體積越來越小，電路的布局布線密度越來越大，信號的工作頻率也越來越高，高速電路的傳輸線效應和信號完整性問題越來越明顯。RAID控制器屬于高速電路的范疇，在印刷電路板（Printed Circuit Block, PCB）實現時分別從疊層設計、布局、電源完整性、阻抗匹配和串擾等方面考慮了信號完整性問題，并基于IBIS（I/O Buffer Information Specification）模型進行了信號完整性分析及仿真。
上傳時間： 2013-04-24
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模糊控制是智能控制的重要組成部分，它能對那些不能建立精確數學模型的場合進行有效的控制；近年來，FPGA及EDA技術發展迅速。本論文就是要結合這兩種先進技術，在一塊FPGA芯片上實現一個雙輸入單輸出的模糊控制器，并嘗試將ADC和DAC集成在該芯片中，以簡化系統設計。 首先闡述了模糊控制的理論基礎，重點介紹了雙輸入單輸出的模糊控制算法；然后在簡單介紹FPGA結構和VHDL語言的基礎上，采用自項向下的設計方法，應用主流EDA工具進行模糊控制各模塊的設計，并對每個模塊進行仿真；最后將各模塊組成一完整的模糊控制器，在EDA工具上進行仿真驗證和編程下載，并用一個溫度控制實驗驗證了控制器的功能，證明該控制器滿足一般控制應用的要求。 本論文是以VHDL和FPGA為代表的現代數字系統設計技術在智能控制領域應用的一個嘗試，拓寬了模糊控制器的實現形式，相比于傳統的以單片機為載體的模糊控制器，在系統的簡單性、實時性和經濟性方面都有顯著的增強，是一種值得采用的方法。 由于在算法的處理上采取了一定的簡化，所以損失了一定的精度。今后可以在算法上進行完善，設計出高精度的模糊控制器。
上傳時間： 2013-06-07
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隨著國際互聯網絡的迅猛發展，網絡應用的不斷豐富，Intenret已經從最初以學術交流為目的而演變為商業行為，網絡安全性需求日益增加，高速網絡安全保密成為關注的焦點，在安全得到保障的情況下，為了滿足網速無限制的追求，高速網絡硬件加密設備也必將成為需求熱點。另一方面，IPSec協議被廣泛的應用于防火墻和安全網關中，但對IPSec協議的處理會大大增加網關的負載，成為千兆網實現的瓶頸。本文便是針對上述現狀，研究基于高性能FPGA實現千兆IPSec協議的設計技術。 目前，國外IPSec協議實現已經芯片化，達到幾千兆的速率，但是國內產品多以軟件實現，速度難以提高。本文采用的基于FPGA的IPSec技術方案，采用硬件實現隧道模式下的IPSec協議，為IP分組及其上層協議數據提供機密性、數據完整性驗證以及數據源驗證等安全服務。在以VPN為實施方案的基礎上，構建了以KDIPSec為設備原型以IPSec協議為出發點的千兆網絡系統環境模型，從硬件體系結構到各個模塊的劃分以及各個模塊實現的功能這幾個方面描述了KDIPSec實現技術，最后描述了一些關鍵模塊的FPGA設計和和仿真。所有處理模塊均在Xilinx公司的FPGA芯片中實現，處理速率超過1Gb/s。
上傳時間： 2013-07-03
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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： 2013-06-11
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在工業過程中，許多對象具有滯后特性，由于純滯后的存在，使得系統的超調量變大，調節時間變長。因此滯后過程被公認為較難控制的對象，而且純滯后占整個動態過程的時間越長，難控的程度越大。所以大純滯后對象的控制一直是困擾自動控制和計算機應用領域的一大難題。而這類對象又廣泛存在于石油、化工、釀造、制藥、冶金等工業生產過程中。因此對該問題的研究具有重大的實際意義。 傳統的PID配合Smith預估補償器的控制方法，對模型誤差反映比較靈敏，當存在建模誤差或干擾時，控制效果并不能取得令人滿意的效果。近年來隨著模糊控制、神經網絡控制等智能控制研究的不斷深入，有些學者將它們與Smith預估控制、PID控制及預測控制等相結合，提出了針對不確定大滯后系統的新的控制方法。雖然有些控制方案效果不錯，但系統的復雜程度和調試難度也隨之增加。因此設計簡單、快速、可靠的控制器，仍是一個重大課題。 本文首先介紹了大滯后過程的控制特點，概述了常用的大滯后過程的控制方法及其優缺點。接著概要地介紹了嵌入式系統的優點、發展歷史、現狀及前景。并針對性地介紹了ARM控制器的概況以及它的應用領域。然后本文針對大滯后對象提出了自抗擾控制器與Smith預估補償器相結合的設計方案。通過仿真對比了本方案、PID配合Smith預估補償器及單一的自抗擾控制器的控制效果，表明自抗擾控制器與Smith預估補償器的結合有效地改善了大滯后對象的控制效果，增強了系統的魯棒性和抗干擾能力。為驗證該控制方案的實際控制效果，我們以PCT-II型過程控制實驗裝置中的具有大滯后特性的盤管內部的溫度為被控對象，以JX44BO開發板作為主要的控制平臺設計并完成大滯后控制實驗。所以接下來本文介紹了實現這個嵌入式溫度大滯后控制系統所涉及到的硬件平臺、系統框圖以及實驗內容。然后本文介紹了嵌入式控制平臺的控制界面以及各個主要功能的程序的實現，以及遠程客戶端程序在以太網通訊方面的程序實現和遠程客戶端程序的操作界面。最后本文給出了本次實驗的參數設置以及最終的實驗結果。實驗結果表明在實際應用中本文所提出的方案對于大滯后對象具有較好的控制效果。
上傳時間： 2013-06-11
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電力變壓器性能的好壞直接影響著電力系統的安全穩定運行。變壓器繞組溫度是變壓器安全、經濟運行以及使用壽命的決定性因素，已經成為變壓器狀態監測中健康隱患和故障發展的重要表現形式。通過對變壓器繞組溫度進行實時監測并判斷其健康狀況，以此來進行變壓器的負荷調整和預知性維修，避免因繞組過熱導致的變壓器故障，可以提高變壓器安全、經濟運行水平，為電網安全運行帶來重要保證。 傳統的檢測電力變壓器溫度的方法主要有紅外溫度檢測、熱電阻、熱電偶溫度檢測等。紅外測溫為非接觸測量，它只能測量變壓器的表面溫度，易受環境溫度及周圍磁場的干擾，且需人工操作，無法實現在線測量。對于熱電阻、熱電偶等測量法，在高頻交變場中，導線會拾取噪聲并由于渦流效應而發熱。電導線的熱導還會導致被測溫度的擾動，測量效果不很理想。光纖光柵傳感技術以其體積小、電絕緣、抗電磁干擾、易復用、傳感信號可遠距離傳輸、便于實現實時在線測量等優點，為電力變壓器溫度的測量提供了很好的技術手段。 本文在對國內外光纖光柵傳感技術及其解調方案進行深入分析的基礎上，設計了光纖布拉格光柵傳感信號解調所需的硬件和軟件，并進行了實驗研究。論文涉及的主要工作有： 介紹了光纖的基本結構、布拉格光柵的工作機理及其制作方法，分析了光纖布拉格光柵作為傳感元件時的基本參數，推導了光纖布拉格光柵的溫度傳感模型；詳細介紹了目前常用的布拉格光纖光柵解調技術。 重點分析了監測系統的硬件電路設計及其原理，主要有微控制器相關電路的設計、光電轉換電路、前置放大及濾波電路、AD轉換電路、以太網通訊電路及液晶顯示電路等。在硬件平臺的基礎上設計并測試了相關模塊的驅動，實現溫度的實時采集和發送。主要工作包括uC/OS—Ⅱ在LPC2148上的移植，利用LwIP實現以太網通訊等。 最后，搭建了系統光路，對監測系統進行了測試，得到了有益的數據，為下一步工作打下了良好的基礎。
上傳時間： 2013-04-24
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