現場可編程門陣列(FPGA)的發展已經有二十多年，從最初的1200門發展到了目前數百萬門至上千萬門的單片FPGA芯片。現在，FPGA已廣泛地應用于通信、消費類電子和車用電子類等領域，但國內市場基本上是國外品牌的天下。 在高密度FPGA中，芯片上時鐘分布質量變的越來越重要，時鐘延遲和時鐘偏差已成為影響系統性能的重要因素。目前，為了消除FPGA芯片內的時鐘延遲，減小時鐘偏差，主要有利用延時鎖相環(DLL)和鎖相環(PLL)兩種方法，而其各自又分為數字設計和模擬設計。雖然用模擬的方法實現的DLL所占用的芯片面積更小，輸出時鐘的精度更高，但從功耗、鎖定時間、設計難易程度以及可復用性等多方面考慮，我們更愿意采用數字的方法來實現。 本論文是以Xilinx公司Virtex-E系列FPGA為研究基礎，對全數字延時鎖相環(DLL)電路進行分析研究和設計，在此基礎上設計出具有自主知識產權的模塊電路。 本文作者在一年多的時間里，從對電路整體功能分析、邏輯電路設計、晶體管級電路設計和仿真以及最后對設計好的電路仿真分析、電路的優化等做了大量的工作，通過比較DLL與PLL、數字DLL與模擬DLL，深入的分析了全數字DLL模塊電路組成結構和工作原理，設計出了符合指標要求的全數字DLL模塊電路，為開發自我知識產權的FPGA奠定了堅實的基礎。 本文先簡要介紹FPGA及其時鐘管理技術的發展，然后深入分析對比了DLL和PLL兩種時鐘管理方法的優劣。接著詳細論述了DLL模塊及各部分電路的工作原理和電路的設計考慮，給出了全數字DLL整體架構設計。最后對DLL整體電路進行整體仿真分析，驗證電路功能，得出應用參數。在設計中，用Verilog-XL對部分電路進行數字仿真，Spectre對進行部分電路的模擬仿真，而電路的整體仿真工具是HSIM。 本設計采用TSMC0.18μmCMOS工藝庫建模，設計出的DLL工作頻率范圍從25MHz到400MHz，工作電壓為1.8V，工作溫度為-55℃～125℃，最大抖動時間為28ps，在輸入100MHz時鐘時的功耗為200MW，達到了國外同類產品的相應指標。最后完成了輸出電路設計，可以實現時鐘占空比調節，2倍頻，以及1.5、2、2.5、3、4、5、8、16時鐘分頻等時鐘頻率合成功能。
上傳時間： 2013-06-10
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在現代電子系統中，數字化已經成為發展的必然趨勢，接收機數字化是電子系統數字化中的一項重要內容，對數字化接收機的研究具有重要的意義。隨著數字化理論和微電子技術的迅速發展，高速的中頻數字化接收機的實現已經成為可能。本文研究了一種基于FPGA的軟件無線電數字接收平臺的設計，并著重研究了其中數字中頻處理單元的設計和實現。FPGA器件具有設計靈活、開發周期短和開發成本低等優點，所以廣泛應用于各種通信系統中。相比于傳統的DSP串行結構，FPGA能夠進行流水線性設計，對數據進行并行處理，所以FPGA在進行數據量大，要求實時處理的系統設計時有很大的優勢。 本文首先首先分析了軟件無線電當前的發展趨勢及技術現狀，針對存在的處理速度跟不上的DSP瓶頸問題，提出了中頻軟件無線電的FPGA實現方案。本文以FPGA實現為重點，在深入分析軟件無線電相關理論的基礎上，著重研究和完成了中頻軟件無線電數字接收平臺兩大模塊的FPGA實現：數字下變頻相關模塊和數字調制解調模塊。其中，在深入研究數字下變頻實現結構的基礎上，首先對數字下變頻模塊的數控振蕩器(NCO)采用了直接頻率合成技術(DDS)實現，其頻率分辨率高，靈活，易于實現；高效抽取濾波器組由積分梳狀濾波器(CIC)，半帶濾波器(HB)，FIR濾波器組成。對積分梳狀濾波器(CIC)本文采用了Hogenaur“剪除”理論對內部寄存器的位寬進行改進，極大地節約了資源，提高了運行速率。對FIR濾波器和半帶濾波器采用了(DA)分布式算法，它的運行速度只與數據的寬度有關，只有加減法運算和二進制除法，既縮減了系統資源又大大節省了運算時間，實現了高效的實時處理。對數字調制解調模塊，重點研究和完成了2ASK和2FSK的調制解調的FPGA實現，模塊有很好的通用性，能方便地移植到其它的系統中。在文章的最后還對整個系統進行了Matlab仿真，驗證了系統設計思想的正確性。在系統各個關鍵模塊的設計過程中，都是先依據一定的設計指標進行verilog編程，然后再在Quartus軟件中編譯，時序仿真測試，并與Matlab仿真結果進行對比，驗證設計的正確性。
上傳時間： 2013-05-18
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隨著信息時代的到來，用戶對數據保護和傳輸可靠性的要求也在不斷提高。由于信道衰落，信號經信道傳輸后，到達接收端不可避免地會受到干擾而出現信號失真。因此需要采用差錯控制技術來檢測和糾正由信道失真引起的信息傳輸錯誤。RS（Reed—Solomon）碼是差錯控制領域中一類重要的線性分組碼，由于它編解碼結構相對固定，性能強，不但可以糾正隨機差錯，而且對突發錯誤的糾錯能力也很強，被廣泛應用在數字通信、數據存儲系統中，以滿足對數據傳輸通道可靠性的要求。因此設計一款高性能的RS編解碼器不但具有很大的應用意義，而且具有相當大的經濟價值。 本文首先介紹了線形分組碼及其子碼循環碼、BCH碼的基礎理論知識，重點介紹了BCH碼的重要分支RS碼的常用編解碼算法。由于其算法在有限域上進行，接著介紹了有限域的有關理論。基于RS碼傳統的單倍結構，本文提出了一種八倍并行編碼及九倍并行解碼方案，并用Verilog HDL語言實現。其中編碼器基于傳統的線性反饋移位寄存器除法電路并進行八倍并行擴展，譯碼器關鍵方程求解模塊基于修正的歐幾里德算法設計了一種便于硬件實現的脈動關鍵方程求解結構，其他模塊均采用九倍并行實現。由于進行了超前運算、流水線及并行處理，使編解碼的數據吞吐量大為提高，同時延時更小。 本論文設計了C++仿真平臺，并與HDL代碼結果進行了對比驗證。Verilog HDL代碼經過modelsim仿真驗證，并在ALTERA STRATIX3 EP3SL15OF1152C2 FPGA上進行綜合驗證以及靜態時序分析，綜合軟件為QUATURSⅡ V8．0。驗證及測試表明，本設計在滿足編解碼基本功能的基礎上，能夠實現數據的高吞吐量和低延時傳輸，達到性能指標要求。本論文在基于FPGA的RS（255，223）編解碼器的高速并行實現方面的研究成果，具有通用性、可移植性，有一定的理論及經濟價值。
上傳時間： 2013-04-24
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無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量傳感器節點組成，這些節點部署在監測區域內通過無線通信方式，形成的一個多跳自組織的網絡。整個網絡的作用是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中監測對象的信息，并發送給觀察者，可廣泛應用于環境監測、醫療護理、軍事、商業等多個領域。 媒體訪問控制（Medium Access Control，MAC）協議處于無線傳感器網絡協議的物理層和路由層之間，用于在傳感器節點間公平有效地共享通信媒介，對傳感器網絡的性能有較大影響。與傳統無線網絡不同，提高能量效率和可擴展性是無線傳感器網絡MAC協議設計的主要目標。 本文主要闡述基于FPGA對IEEE802．15．4 MAC層功能的實現。首先介紹了無線傳感器網絡的體系結構、MAC協議的設計要求以及已有的MAC層協議，討論了無線傳感器網絡MAC層的主要要求和功能。然后詳細介紹和分析了IEEE802．15．4的MAC協議，并在此基礎上，通過NS2平臺對MAC層協議進行了仿真，研究不同網絡負荷下信道訪問機制的各個參數對吞吐量，丟包率，傳輸延時的影響，分析了隱蔽站問題、確認幀機制。 本文對MAC層中的主要功能，諸如數據收發、幀處理、信道接入方式以及幀檢驗等提出了基于FPGA的硬件解決方法。設計選用硬件描述語言VerilogHDL，在QuartusⅡ中完成模塊的綜合和布局布線，在QuartusⅡ和Modelsim中進行時序仿真驗證，最終下載到自主設計Altera公司的Cyclone開發板中。 對設計的驗證采取的是由里及外的方式，先對系統主模塊的功能進行驗證，然后下載到與CC2430開發板相連接的FPGA中對設計進行驗證測試。驗證流程是功能仿真、時序仿真和板級調試，最終通過測試，驗證了該設計的功能。測試結果表明，該模塊能滿足無線傳感器網絡低速率應用環境的需要，具有優良的擴展性能，達到了預期的設計目標。
上傳時間： 2013-06-14
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近年來，語音識別研究大部分集中在算法設計和改進等方面，而隨著半導體技術的高速發展，集成電路規模的不斷增大與各種研發技術水平的不斷提高，新的硬件平臺的推出，語音識別實現平臺有了更多的選擇。語音識別技術在與DSP、FPGA、ASIC等器件為平臺的嵌入式系統結合后，逐漸向實用化、小型化方向發展。 本課題通過對現有各種語音特征參數與孤立詞語音識別模型進行研究的基礎上，重點探索基于動態時間規整算法的DTW模型在孤立詞語音識別領域的應用，并結合基于FPGA的SOPC系統，在嵌入式平臺上實現具有較好精度與速度的孤立詞語音識別系統。 本系統整體設計基于DE2開發平臺,采用基于Nios II的SOPC技術。采用這種解決方案的優點是實現了片上系統，減少了系統的物理體積和總體功耗；同時系統控制核心都在FPGA內部實現，可以極為方便地更新和升級系統，大大地提高了系統的通用性和可維護性。 此外，由于本系統需要大量的高速數據運算，在設計中作者充分利用了Cyclone II芯片的豐富的硬件乘法器，實現了語音信號的端點檢測模塊，FFT快速傅立葉變換模塊，DCT離散余弦變換模塊等硬件設計模塊。為了提高系統的整體性能，作者充分利用了FPGA的高速并行的優勢，以及配套開發環境中的Avalon總線自定義硬件外設，使系統處理數字信號的能力大大提高，其性能優于傳統的微控制器和普通DSP芯片。 本論文主要包含了以下幾個方面： （1）結合ALTERA CYCLONE II芯片的特點，確定了基于FPGA語音識別系統的總體設計，在此基礎上進行了系統的軟硬件的選擇和設計。 （2）自主設計了純硬件描述語言的驅動電路設計，完成了高速語音采集的工作，并且對存儲數據芯片SRAM中的原始語音數據進行提取導入MATLAB平臺測試數據的正確性。整個程序測試的方式對系統的模塊測試起到重要的作用。 （3）完成高速定點256點的FFT模塊的設計，此模塊是系統成敗的關鍵，實現高速實時的運算。 （4）結合SOPC的特性，設計了人機友好接口，如LCD顯示屏的提示反饋信息等等，以及利用ALTERA提供的一些驅動接口設計完成用戶定制的系統。 （5）進行了整體系統測試，系統可以較穩定地實現實時處理的目的，具有一定的市場潛在價值。
上傳時間： 2013-05-23
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高速大容量數據采集存儲技術在通信、航天、氣象、雷達等多個領域中擁有著廣泛應用。各領域科技與信息技術不斷發展，對數據的采集和傳輸速率要求越來越高，對數據存儲的速度和容量要求也越來越高。高速數據存儲主要包括存儲介質選取、存儲器控制、數據存儲和總線應用等，如何實時、高速、連續大量地采集存儲數據是一個關鍵性問題。 本文設計了一種基于FPGA控制的高速數據采集存儲系統。該系統選用符合ATA-6規范的IDE硬盤作為數據存儲介質，采用RAID0配置的磁盤陣列形式，并配合板載的128MB內存實現對數據的高速大容量穩定存儲。 該磁盤陣列同時管理五個IDE硬盤，平均數據流達到250MB/s，峰值傳輸速率達到500MB/s，也可以擴展更多硬盤構成大容量的磁盤陣列。系統采用PCI-9054橋芯片與計算機連接，可同時存儲四路AD數據，可以通過人機交互界面實時監控數據采集情況，在計算機上實現整個磁盤陣列的實時控制。
上傳時間： 2013-06-14
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近年來，瓦斯事故在煤礦生產事故中所占比例越來越高，給礦工的生產生活帶來了極大的災難，必須加強對瓦斯的監測監控，避免瓦斯爆炸事故。因此對瓦斯氣體進行快速、實時檢測對于煤礦安全生產及環境保護有特別重要的意義。便攜式甲烷檢測報警儀是各國應用最早最普遍的一種甲烷濃度檢測儀表，可隨時檢測作業場所的甲烷濃度，也可使用甲烷傳感器對甲烷濃度進行連續實時地監測。大體上當前應用的便攜式甲烷檢測儀器，按檢測原理分為光學甲烷檢測儀、熱導型甲烷檢測儀、熱催化型甲烷檢測報警儀、氣敏半導體式甲烷檢測儀等幾種。 光干涉甲烷檢測儀性能穩定、使用壽命長，測量準確，是我國煤礦主要的便攜式甲烷檢測儀器。但現有的光干涉甲烷檢測儀存在自動化程度低、測量方法繁瑣、讀數不直觀，人為誤差較大、不能存儲數據等缺點。為此本文在干涉型甲烷檢測儀實現的原理上提出利用線陣型電荷耦合器件(CCD)對干涉條紋進行非接觸式的自動測量，獲得條紋信息，通過CCD驅動、高速模數轉換、數據采集等關鍵技術，實現了干涉條紋位移的精確測量，由單片機對量化后的測量信號進行智能處理，數字化顯示甲烷含量的測量結果。 光干涉甲烷檢測的關鍵是對干涉條紋中白基線以及黑色條紋位置的檢測，本設計采用線陣CCD成像獲取條紋信息判別其位置。CCD是一種性能獨特的半導體光電器件，近年來在攝像、工業檢測等科技領域里得到了廣泛的應用。將CCD技術應用于位置測量可以實現高精度和非接觸測量的要求；運用FPGA實現CCD芯片的驅動具有速度快、穩定高等優點：模數轉換之后的數據沒有采用專用存儲芯片進行存儲，而采用FPGA硬件開發平臺和Verilog HDL硬件描述語言編寫代碼實現數據采集模塊系統，同時提高數據采集精準度，既降低成本又提高了存儲效率。 本文設計的新系統使用方便、精度高、數據可儲存，克服了傳統光干涉甲烷檢測儀的缺點，技術指標和功能都得到較大改善。
上傳時間： 2013-06-08
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隨著圖像處理技術和投影技術的不斷發展，人們對高沉浸感的虛擬現實場景提出了更高的要求，這種虛擬顯示的場景往往由多通道的投影儀器同時在屏幕上投影出多幅高清晰的圖像，再把這些單獨的圖像拼接在一起組成一幅大場景的圖像。而為了給人以逼真的效果，投影的屏幕往往被設計為柱面屏幕，甚至是球面屏幕。當圖像投影在柱面屏幕的時候就會發生幾何形狀的變化，而避免這種幾何變形的就是圖像拼接過程中的幾何校正和邊緣融合技術。 一個大場景可視化系統由投影機、投影屏幕、圖像融合機等主要模塊組成。在虛擬現實應用系統中，要實現高臨感的多屏幕無縫拼接以及曲面組合顯示，顯示系統還需要運用幾何數字變形及邊緣融合等圖像處理技術，實現諸如在平面、柱面、球面等投影顯示面上顯示圖像。而關鍵設備在于圖像融合機，它實時采集圖形服務器，或者PC的圖像信號，通過圖像處理模塊對圖像信息進行幾何校正和邊緣融合，在處理完成后再送到顯示設備。 本課題提出了一種基于FPGA技術的圖像處理系統。該系統實現圖像數據的AiD采集、圖像數據在SRAM以及SDRAM中的存取、圖像在FPGA內部的DSP運算以及圖像數據的D/A輸出。系統設計的核心部分在于系統的控制以及數字信號的處理。本課題采用XilinxVirtex4系列FPGA作為主處理芯片，并利用VerilogHDL硬件描述語言在FPGA內部設計了A/D模塊、D/A模塊、SRAM、SDRAM以及ARM處理器的控制器邏輯。 本課題在FPGA圖像處理系統中設計了一個ARM處理器模塊，用于上電時對系統在圖像變化處理時所需參數進行傳遞，并能實時從上位機更新參數。該設計在提高了系統性能的同時也便于系統擴展。 本文首先介紹了圖像處理過程中的幾何變化和圖像融合的算法，接著提出了系統的設計方案及模塊劃分，然后圍繞FPGA的設計介紹了SDRAM控制器的設計方法，最后介紹了ARM處理器的接口及外圍電路的設計。
上傳時間： 2013-04-24
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信號與信息處理是信息科學中近幾年來發展最為迅速的學科之一,隨著片上系統(SOC,System On Chip)時代的到來,FPGA正處于革命性數字信號處理的前沿。基于FPGA的設計可以在系統可再編程及在系統調試,具有吞吐量高,能夠更好地防止授權復制、元器件和開發成本進一步降低、開發時間也大大縮短等優點。然而,FPGA器件是基于SRAM結構的編程工藝,掉電后編程信息立即丟失,每次加電時,配置數據都必須重新下載,并且器件支持多種配置方式,所以研究FPGA器件的配置方案在FPGA系統設計中具有極其重要的價值,這也給用于可編程邏輯器件編程的配置接口電路和實驗開發設備提出了更高的要求。 本論文基于IEEE1149.1標準和USB2.0技術,完成了FPGA配置接口電路及實驗開發板的設計與實現。作者在充分理解IEEE1149.1標準和USB技術原理的基礎上,針對Altcra公司專用的USB數據配置電纜USB-Blaster,對其內部工作原理及工作時序進行測試與詳細分析,完成了基于USB配置接口的FPGA芯片開發實驗電路的完整軟硬件設計及功能時序仿真。作者最后進行了軟硬件調試,完成測試與驗證,實現了對Altera系列PLD的配置功能及實驗開發板的功能。 本文討論的USB下載接口電路被驗證能在Altera的QuartusII開發環境下直接使用,無須在主機端另行設計通信軟件,其兼容性較現有設計有所提高。由于PLD(Programmable Logic Device)廠商對其知識產權嚴格保密,使得基于USB接口的配置電路應用受到很大限制,同時也加大了自行對其進行開發設計的難度。 與傳統的基于PC并口的下載接口電路相比,本設計的基于USB下載接口電路及FPGA實驗開發板具有更高的編程下載速率、支持熱插拔、體積小、便于攜帶、降低對PC硬件傷害,且具備其它下載接口電路不具備的SignalTapII嵌入式邏輯分析儀和調試NiosII嵌入式軟核處理器等明顯優勢。從成本來看,本設計的USB配置接口電路及FPGA實驗開發板與其同類產品相比有較強的競爭力。
上傳時間： 2013-04-24
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根據交通部公布的數據，交通事故呈逐年上升趨勢，交通事故不僅給公民的財產造成了損失，而且給公民的人身安全也會造成威脅。因此如何更好地避免交通事故成為一個焦點課題，汽車安全系統更是成為汽車生產商和研究機構的研究熱點。 當前汽車安全系統有兩大種類：一是被動式安全系統。例如：安全帶，安全氣囊等。二是主動式安全系統。主動安全系統又分為主動被動式和主動自動式。前者有ABS等。后者有汽車自動防撞系統和倒車雷達等。 本文采用激光測距系統，開發一種汽車在高速公路上行駛的主動式防撞系統，本文的重點是開發測距預警系統，采用專門的激光測距芯片和接收芯片，并采用FPGA(Filed Programmable Gate Array)作為主控芯片，對前車進行有效的監控，根據檢測得到的數據，實時提出建議和報警，提醒駕駛員減速或者采取制動措施，從而達到預防追尾碰撞的目的。本文工作主要有以下幾個方面： 1) 在比較分析激光、雷達和毫米波等測距方法的基礎上，根據市場需求及潛在用戶分析，確定采用激光脈沖測距方式。針對激光脈沖測距存在的技術難題，提出以FPGA作為系統核心控制模塊的測距系統設計方案。 2) 根據對車載動態測距系統測量精度、測量頻率和測量范圍的基本要求，結合脈沖激光測距的特點，提出采用多頭脈沖激光測距和多周期脈沖測量的技術方案。該方案可有效提高系統測距精度和測量范圍，降低系統成本。 3) 基于上述方案，完成了基于FPGA的多頭脈沖激光測距系統的各功能模塊的詳細設計、功能仿真、綜合優化及板級測試實驗。實驗表明，各主要功能模塊基本達到預期設計要求，為測距系統的后期開發奠定了基礎。 4) 完成了激光測距傳感器外圍光電轉換電路、電源轉換電路及通訊接口的設計、制作、安裝及實驗室調試。 5) 最后對論文研究工作進行了總結，提出了系統的不足之處和進一步研究工作的方向。
上傳時間： 2013-05-24
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