FPGA是一種可通過用戶編程來實現各種數字電路的集成電路器件。用FPGA設計數字系統有設計靈活、低成本，低風險、面市時間短等好處。本課題在結合國際上FPGA器件方面的各種研究成果基礎上，對FPGA器件結構進行了深入的探討，重點對FPGA的互連結構進行了分析與優化。FPGA器件速度和面積上相對于ASIC電路的不足很大程度上是由可編程布線結構造成的，FPGA一般用大量的可編程傳輸管開關和通用互連線段實現門器件的連接，而全定制電路中僅用簡單的金屬線實現，傳輸管開關帶來很大的電阻和電容參數，因而速度要慢于后者。這也說明，通過優化可編程連接方式和布線結構，可大大改善電路的性能。本文研究了基于SRAM編程技術的FPGA器件中邏輯模塊、互連資源等對FPGA性能和面積的影響。論文中在介紹FPGA器件的體系構架后，首先對開關矩陣進行了研究，結合Wilton開關矩陣和Disioint開關矩陣的特點，得到一個連接更加靈活的開關矩陣，提高了FPGA器件的可布線性，接著本課題中又對通用互連線長度、通用互連線間的連接方式和布線通道的寬度等進行了探討，并針對本課題中的FPGA器件，得出了一套適合于中小規模邏輯器件的通用互連資源結構，仿真顯示新的互連方案有較好的速度和面積性能，在互連資源的面積和性能上達到一個很好的折中。 接下來課題中對FPGA電路的可編程邏輯資源進行了研究，得到了一種邏輯規模適中的粗粒度邏輯塊簇，該邏輯塊簇采用類似Xilinx 公司的FPGA產品的LUT加觸發器結構，使邏輯塊簇內部基本邏輯單元的聯系更加緊密，提高了邏輯資源的功能和利用率。隨后我們還研究了IO模塊數目的確定和分布式SRAM結構中編程電路結構的設計，并簡單介紹了SRAM單元的晶體管級設計原理。最后，在對FPGA構架研究基礎上，完成了一款FPGA電路的設計并設計了相應的電路測試方案，該課題結合CETC58研究所的一個重要項目進行，目前已成功通過CSMC0.6μm 2P2M工藝成功流片，測試結果顯示其完全達到了預期的性能。
上傳時間： 2013-04-24
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一般由信源發出的數字基帶信號含有豐富的低頻分量，甚至直流分量，這些信號往往不宜直接用于傳輸，易產生碼間干擾進而直接影響傳輸的可靠性，因而要對其進行編碼以便傳輸。傳統的井下信號在傳輸過程中普遍采用曼徹斯特碼的編解碼方式，而該方式的地面解碼電路復雜。FPGA(現場可編程門陣列)作為一種新興的可編程邏輯器件，具有較高的集成度，能將編解碼電路集成在一片芯片上，而HDB3碼(三階高密度雙極性碼)具有解碼規則簡單，無直流，低頻成份少，可打破長連0和提取同步方便等優點。基于上述情況，本文提出了基于FPGA的}tDB3編譯碼設計方案。 該研究的總體設計方案包括用MATLAB進行HDB3編譯碼算法的驗證，基于FPGA的HDB3碼編譯碼設計與仿真，結果分析與比較三大部分。為了保證該設計的可靠性，首先是進行編譯碼的算法驗證；其次通過在FPGA的集成設計環境QuartusⅡ軟件中完成HDB3碼的編譯、綜合、仿真等步驟，通過下載電纜下載到特定的FPGA芯片上，用邏輯分析儀進行時序仿真；最后將算法驗證結果與仿真結果作一對比，分析該研究的可行性與可靠性。 研究表明，基于FPGA的HDB3編譯碼設計具有體積小，譯碼簡單，編程靈活，集成度高，可靠等優點。
上傳時間： 2013-04-24
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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的狀態控制功能。工程機械、汽車車輛中都存在諸如發動機類的旋轉機械，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動機、齒輪箱等旋轉機械進行振動頻譜分析和監測，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，實現了基于NIOS Ⅱ的32位CPU軟核，創建了相應的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，開發出了FIR和FFT等功能模塊，并且添加到SOPC系統中，使其可以由NIOS Ⅱ很容易的調用。其四，在NIOS Ⅱ系統中添加了uC/OS Ⅱ操作系統，提高了整個系統的穩定性，并且降低了開發難度，提高了系統升級的能力。由于整個設計是基于FPGA開發的，所以該系統包括了所有FPGA系統的特點，包括并行的DSP處理、在系統可編程、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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當今電子系統的設計是以大規模FPGA為物理載體的系統芯片的設計，基于FPGA的片上系統可稱為可編程片上系統(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周期。 在SOPC技術開發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語言手動編寫系統的煩瑣過程，將精力集中于算法的優化上。 基于DSP Builder的開發功能，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系統實現方案。
上傳時間： 2013-05-28
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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： 2013-07-06
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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： 2013-04-24
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本文對基于FPGA的遠程視頻傳輸系統進行了研究。主要內容如下： (1)在系統發送端將數據采集等邏輯控制和圖像壓縮集成在一片FPGA上，此方案減小了系統體積，提高了系統的集成度。 (2)系統圖像壓縮部分基于FPGA的二維小波變換的設計與實現，選用5/3整數提升小波，提升過程采用折疊結構可以節省系統的資源。采用FPGA實現小波變換與使用DSP處理器的“DSP+ASIC”方案相比，具有速度快，數據寬度可任意設置的特點，并且VHDL語言具有可移植性的特點，具有更強的通用性。 (3)數據采集時采用乒乓操作存儲輪流向兩片外部存儲器存、取采集的圖像數據，能夠保證圖像整幀采集和穩定連續的數據壓縮和數據傳輸，節約緩存空間，提高了速度，優于單存儲器的方法。
上傳時間： 2013-06-01
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視頻監控一直是人們關注的應用技術熱點之一，它以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛用于在電視臺、銀行、商場等場合。在視頻圖像監控系統中，經常需要對多路視頻信號進行實時監控，如果每一路視頻信號都占用一個監視器屏幕，則會大大增加系統成本。視頻圖像畫面分割器主要功能是完成多路視頻信號合成一路在監視器顯示，是視頻監控系統的核心部分。 傳統的基于分立數字邏輯電路甚至DSP芯片設計的畫面分割器的體積較大且成本較高。為此，本文介紹了一種基于FPGA技術的視頻圖像畫面分割器的設計與實現。 本文對視頻圖像畫面分割技術進行了分析，完成了基于ITU-RBT.656視頻數據格式的畫面分割方法設計；系統采用Xilinx公司的FPGA作為核心控制器，設計了視頻圖像畫面分割器的硬件電路，該電路在FPGA中，將數字電路集成在一起，電路結構簡潔，具有較好的穩定性和靈活性；在硬件電路平臺基礎上，以四路視頻圖像分割為例，完成了I2C總線接口模塊，異步FIFO模塊，有效視頻圖像數據提取模塊，圖像存儲控制模塊和圖像合成模塊的設計，首先，由攝像頭采集四路模擬視頻信號，經視頻解碼芯片轉換為數字視頻圖像信號后送入異步FIFO緩沖。然后，根據畫面分割需要進行視頻圖像數據抽取，并將抽取的視頻圖像數據按照一定的規則存儲到圖像存儲器。最后，按照數字視頻圖像的數據格式，將四路視頻圖像合成一路編碼輸出，實現了四路視頻圖像分割的功能。從而驗證了電路設計和分割方法的正確性。 本文通過由FPGA實現多路視頻圖像的采集、存儲和合成等邏輯控制功能，I2C總線對兩片視頻解碼器進行動態配置等方法，實現四路視頻圖像的輪流采集、存儲和圖像的合成，提高了系統集成度，并可根據系統需要修改設計和進一步擴展功能，同時提高了系統的靈活性。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著科學技術的發展，指紋識別技術被廣泛應用到各種不同的領域。對于一般的指紋識別系統，其設計要求具有很高的實時性和易用性，因此識別算法應該具有較低的復雜度，較快的運算速度，從而滿足實時性的要求。所以有必要根據不同的識別算法采用不同的實現平臺，使得指紋識別系統具有較高的可靠性、實時性、有效性等性能要求。 SOPC片上可編程系統和嵌入式系統是當前電子設計領域中最熱門的概念。NiosⅡ是Altera．公司開發的一種采用流水線技術、單指令流的RISC嵌入式處理器軟核，可以將它嵌入到FPGA內部，與用戶自定義邏輯組建成一個基于FPGA的片上專用系統。 本文在綜合考慮各種應用情況的基礎上，以網絡技術、數據庫技術、指紋識別技術和嵌入式系統技術為理論基礎，提出了一種有效可行的系統架構方案。對指紋識別技術中各個環節的算法和原理進行了深入研究，合理的改進了部分指紋識別算法；同時為了提高系統的實時性，采用NiosⅡ嵌入式處理器和FPGA硬件模塊實現指紋圖像處理主要算法。論文主要包括以下幾個方面： 1、對指紋圖像預處理、特征提取和特征匹配算法原理進行闡述，同時改進了指紋圖像的細化算法，提高了算法的性能，并設計了一套實用的指紋特征數據結構； 2、針對指紋圖像預處理模塊，包括圖像的歸一化、頻率提取、方向提取以及方向濾波，采用基于FPGA的硬件電路的方式實現。實驗結果表明，在保證系統誤識率較低、可靠性高的基礎上，大大提高了系統的執行速度； 3、改變了傳統的單枚指紋識別方法，提出采用多枚指紋唯一標識身份，大大降低了識別系統的誤識率； 4、改進了傳統的基于三角形匹配中獲取基準點的方法，同時結合可變界限盒思想進行指紋特征匹配。 5、結合COM+技術、數據庫技術和網絡技術，開發了后臺指紋特征匹配服務系統，實現了嵌入式指紋識別系統同數據庫的實時信息交換。 實驗結果表明，本文所提出的系統構架方案有效可行，基于FPGA的自動指紋識別系統在速度、功耗、擴展性等方面具有獨特的優勢，擁有廣闊的發展前景。
上傳時間： 2013-04-24
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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。 本研究通過在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，完成了音頻編解碼器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Angilent33220A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。
上傳時間： 2013-06-07
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