在諸多行業的材料及材料制成品中，表面缺陷是影響產品質量的重要因素之一。研究具有顯微圖像實時記錄、處理和顯示功能的材料表面缺陷檢測技術，對材料的分選和材料質量的檢查及評價具有重要的意義。 本文以聚合物薄膜材料為被測對象，研究了適用于材料表面缺陷檢測的基于現場可編程門陣列(FPGA)的缺陷數據實時處理技術，可實時提供缺陷顯微圖像信息，完成了對現有材料缺陷檢測裝置的數字化改造與性能擴展。本文利用FPGA并行結構、運算速度快的特點實現了材料缺陷的實時檢測。搭建了以FPGA為核心的缺陷數據處理系統的硬件電路；重點針對聚合物薄膜材料缺陷信號的數據特征，設計了基于FPGA的缺陷圖像預處理方案：首先對通過CCD獲得的聚合物薄膜材料的缺陷信號進行處理，利用動態閾值定位缺陷區域，將高于閾值的數據即圖像背景信息舍棄，保留低于閾值的數據，即完整保留缺陷顯微圖像的有用信息；然后按照預先設計的封裝格式封裝缺陷數據；最后通過USB2.0接口將封裝數據傳輸至上位機進行缺陷顯微圖像重建。此方案大大減少了上傳數據量，緩解了上位機的壓力，提高了整個缺陷檢測裝置的檢測速度。本文對標準模板和聚合物薄膜材料進行了實驗驗證。實驗結果表明，應用了基于FPGA的缺陷數據實時處理技術的CCD掃描缺陷檢測裝置可對70μm～1000μm范圍內的缺陷進行有效檢測，實時重建的缺陷顯微圖像與實際缺陷在形狀和灰度上都有很好的一致性。
上傳時間： 2013-05-19
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LAMOST(Large Sky Area Multi-Obiect Fiber Spectroscopy Telescope，大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡)需要對焦而上的4 000個光纖定位單元進行精確定位，一個光纖定位單元需要兩個步進電機來驅動，即需要對8 000個電機進行驅動控制。如何對這8 000個電機進行有效的控制，是本文主要的研究內容。 本義引入EDA(Electronic Design Automation)，技術，以FPGA和CAN總線為硬件載體來進行設計。FPGA相比較于DSP，單片機而言，具有10管腳多，資源豐富，使用靈活等優點，可以存片內集成多個電機的摔制，這樣對于提高系統的集成度，節約成本無疑有著很大的幫助。 在電機的控制當中，其失步和過沖會直接影響到系統的精度，所以需要對電機脈沖頻率加以控制，對于在平穩狀態下能正常工作的電機，失步往往發生在啟動停止等脈沖頻率突然發生改變的時刻。具體實現方法是通過實驗找出一條理想的加減速曲線，再將曲線離散化，并把離散化后的加減速分頻系數存儲在FPGA片內ROM里而，當電機運行到對應的步數時，取出分頻系數來獲取對應的運行頻率。 在LAMOST觀測中，光纖定位單元的零位是個很重要的基準，在每次觀測之前，電機都要回零，理論上電氣零位和機械零位在同一點上，如果電氣檢測到達零位則認為已經到達機械零位位置。但是實際中由于裝配等一些原因，可能會出現零位短路和零位斷路的情況。零位斷路是指電機處于機械零位，但是電氣不能檢測到；零位短路是指電機不在機械零位，但是電氣已經檢測到處于零位。這兩種情況會造成越界和機械零位一直被擠壓的后果，有可能會損壞光纖定位單元，為了防止這些情況出現，軟件程序中加入了計數器，從而從有效地保護了光纖定位單元，同時將這些狀況向上反饋，以便維護和檢修。 在本文完成之時，能夠控制驅動336個光纖定位單元的小系統已經在北京天文臺興隆觀測站實際投入運行，并于2007年5月28日獲得首條光譜，取得了不錯的效果。
上傳時間： 2013-04-24
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串行數字接口SDI是目前使用最廣泛的數字視頻接口。它是遵循SMPTE-259M和EBtJ-Tech-3267標準制定的，己經被世界上眾多數字視頻設備生產廠家普遍采納并作為標準視頻接口，主要用在非線性編輯系統、視頻服務器、虛擬演播室以及數字切換矩陣和數字光端機等場合。 以往的SDI接口在實現方法上有成本高、靈活性低等缺點，針對這些不足，本文在研究串行數字接口工作原理的基礎上，提出了一種基于FPGA的標清串行數字接口(SD-SDI)的設計方案，并使用SOPC Builder構成一個Nios II處理器系統，將SDI接口以IP核形式嵌入到FPGA內部，從而提高系統的集成度，使之具有視頻數據處理速度快、實時性強、性價比高的特點。具體研究內容包括： 1.在分析SDI接口的硬件結構和工作原理的基礎上，提出了串行數字接口的嵌入式系統設計方法，完成了SDI接口卡的FPGA芯片內部配置以及驅動電路、均衡電路、電源電路等硬件電路設計。 2.采用軟邏輯方法實現SDI接口的傳輸功能，進行了具體的模塊化設計與仿真。 3.引入Nios II嵌入式軟核處理器對數據進行處理，設計了視頻圖像數據的采集程序。 該傳輸系統以Altera公司的Cyclone II EP2C35F672C8為核心芯片，通過發送和接收電路的共同作用，能夠完成標清數字視頻信號的傳輸，初步確立了以SDI接口為數據源的視頻信號傳輸系統的整體模式和框架。
上傳時間： 2013-04-24
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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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隨著信息產業的不斷發展,人們對數據傳輸速率要求越來越高,從而對數據發送端和接收端的性能都提出了更高的要求。接收機的一個重要任務就是在于克服各種非理想因素的干擾下,從接收到的被噪聲污染的數據信號中提取同步信息,并進而將數據正確的恢復出來。而數據恢復電路是光纖通信和其他許多類似數字通信領域中不可或缺的關鍵電路,其性能決定了接收端的總體性能。 目前,數據恢復電路的結構主要有“時鐘提取”和“過采樣”兩種結構。基于“過采樣”的數據恢復方法的關鍵是過采樣,即通過引入參考時鐘,并增加時鐘源個數的方式來代替第一種方法中的“時鐘提取”。與“時鐘提取”的數據恢復方法相比,基于“過采樣”的數據恢復方法在性能上還有較大的差距,但是后者擁有高帶寬、立即鎖存能力、較低的等待時間和更高的抖動容限,更易于通過數字的方法實現,實現更簡單,成本更低,并且這是一種數字化的模擬技術。如果能通過“過采樣”方法在普通的邏輯電路上實現622.08Mb/s甚至更高速率的數據恢復,并將它作為一個IP模塊來代替專用的時鐘恢復芯片,這無疑將是性能和成本的較好結合。 本文主要研究“過采樣”數據恢復電路的基本原理,通過全數字的設計方法,給出了在低成本可編程器件FPGA上實現數據恢復電路兩種不同的過采樣的實現方案,即基于時鐘延遲的過采樣和基于數據延遲的過采樣。基于時鐘延遲的過采樣數據恢復電路方案,通過測試驗證,其最高恢復的數據傳輸率可達到640Mb/s。測試結果表明,采用該方案實現的時鐘恢復電路可工作在光纖通信系統STM-4速率級,即622.08MHz頻率上,各方面指標基本符合要求。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著紅外探測技術和超大規模專用集成電路的發展，實時紅外成像系統得到了越來越廣泛的應用。如何針對紅外圖像的特性對紅外圖像進行實時處理，得到能真實反映探測場景、適合觀察分析的紅外圖像是目前紅外成像技術的研究熱點。針對紅外圖像在被采集后立即進行預處理，簡化后級數字信號處理單元的繁重任務，在紅外成像技術中具有重要意義。本論文主要工作如下： (1)對紅外成像的原理、紅外圖像的形成過程、紅外圖像的特征以及紅外圖像與可見光圖像的區別進行了闡述。 (2)簡要介紹了頻域中圖像的增強算法，以及圖像的灰度變換原理。 (3)通過對時域中各種算法的分析對比，以及時域處理與頻域處理的對比，選擇數種適合紅外圖像預處理的算法進行硬件實現，然后再根據硬件實現的難易程度和算法對硬件資源的占用率，以及最終對圖像的處理效果，選擇一種最佳的平滑和銳化方法。 (4)針對FPGA的特點，采用了模塊化結構設計，方便構成并行運算，充分體現了實時處理的要求。 (5)分析了紅外圖像灰度變換的硬件構成，實現了對紅外圖像的直方圖統計。 (6)闡述了I2C總線標準，使用I2C總線對SAA7115視頻圖像處理芯片的控制，對模擬的紅外圖像采集、量化成數字圖像信號；由于采用SDRAM進行數據的存儲，所以針對數據的存儲及讀取方式設計了SDRAM存儲器的控制器，將量化后的數據存儲到SDRAM存儲器。 (7)詳細闡述了圖像頻域處理的硬件實現方法，并特別說明了DFT的FPGA硬件構成方法及這種方法與DSP處理器構成方法的區別。然后針對整個系統的時序構成及時序要求，采用了PLL核構成了系統的時序部分，并對系統進行了優化，以提高運行速度及減少資源占用率。
上傳時間： 2013-07-12
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擴頻通信技術是信息時代的三大高技術通信傳輸方式之一，與常規的通信技術相比。具有低截獲率、強抗噪聲、抗干擾性，具有信息隱蔽和多址通信等特點，目前已從軍事領域向民用領域迅速發展。在民用化之后，它被迅速推廣到各種公用和專用通信網絡之中，如衛星通信、數據傳輸、定位、測距等系統中。 擴頻通信技術中，最常見的是直接序列擴頻通信(DSSS)系統，然而目前專用擴頻芯片大部分功能都已固化。缺少產品開發的靈活性。其次，目前用FPGA與DSP相結合實現的直接序列擴頻的收發系統比較多，系統復雜且成本高。另外，現代擴頻通信系統在接收和發送端需要完成許多快速復雜的信號處理，這對電路的可靠性和處理速度提出了更高的要求。因此，設計一個全部用FPGA技術實現的擴頻通信收、發系統具有較強的實際應用價值。 根據FPGA的高速并行處理能力和全硬件實現的特點，采用直接序列擴頻技術，借助QuartusⅡ6.0及Protel99se工具，完成了系統的軟件仿真和硬件電路設計。實驗結果表明，比用傳統的FPGA與DSP相結合實現方式，提高了處理速度，減少了硬件延時。同時采用了流水線技術，提高了系統并行處理的能力。并且系統功能可以通過程序來修改和升級，與專用擴頻芯片相比，具有很大的靈活性。所有模塊都集成在一個芯片中，提高了系統的穩定性和可靠性。
上傳時間： 2013-05-18
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基于彩色路徑識別的視覺導航方法是當前自動導航小車領域的研究熱點和方向。視覺導航是指根據地面路徑和被控對象之間的位置偏差控制其運行的方向，因此，地面彩色路徑圖像的攝取及其識別處理就成為視覺導航系統中的基礎和關鍵。在當前的視覺導航系統設計中，圖像處理的硬件平臺都是基于通用微處理器，嵌入式微處理器或者DSP進行設計的。這些處理器一個共同的特點就是數據串行處理，而圖像處理過程涉及大量的并行處理操作，因此傳統的串行處理方式滿足不了圖像處理的實時性要求。 鑒于微處理器這方面的不足，作者提出一種使用FPGA實現圖像識別的并行處理方案，并據此設計一個智能圖像傳感器。該傳感器采用先進的FPGA技術，將圖像采集及其顯示，路徑的識別處理以及通信控制等模塊集成在一個芯片上，形成一個片上系統(SOC)。其主要功能是對所采集的彩色路徑圖像進行識別處理，獲得彩色路徑的坐標及其方向角，并將處理結果發送給上位機，為自動導航提供控制依據。 本文將彩色路徑的識別處理過程劃分為三個階段，第一階段為顏色聚類識別，以獲得二值路徑圖像，第二階段為數學形態學運算，用于對第一階段中獲得的二值圖像進行去斑處理，第三階段為路徑中心線的定位及其方向角的測量。圖像傳感器與上位機的通信采用異步串行方式，由于上位機需要控制該傳感器執行多種任務，作者定義一種基于異步串行通信的應用層協議，用于上位機對傳感器的控制。在圖像的顯示中，為了彌補圖像采集的速率和VGA顯示速率的不匹配，作者提出一種基于單端口存儲器的圖像幀緩沖機制，通過VGA接口將采集的圖像實時地顯示出來。 根據上述思想，作者完成了系統的硬件電路設計，并對整個系統進行了現場調試。調試結果表明，傳感器系統的各個模塊都能正常工作，FPGA中的數字邏輯電路能夠實時地將路徑從圖像中準確地識別出來，.充分體現了FPGA對路徑圖像的高速處理優勢，達到了設計預期目標，在一定程度上豐富了路徑圖像識別處理的技術和方法。
上傳時間： 2013-04-24
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激光測距是一種非接觸式的測量技術，已被廣泛使用于遙感、精密測量、工程建設、安全監測以及智能控制等領域。早期的激光測距系統在激光接收機中通過分立的單元電路處理激光發、收信號以測量光脈沖往返時間，使得開發成本高、電路復雜，調試困難，精度以及可靠性相對較差，體積和重量也較大，且沒有與其他儀器相匹配的標準接口，上述缺陷阻礙了激光測距系統的普及應用。 本文針對激光測距信號處理系統設計了一套全數字集成方案，除激光發射、接收電路以外，將信號發生、信號采集、綜合控制、數據處理和數據傳輸五個部分集成為一塊專用集成電路。這樣就不再需要DA轉換和AD轉換電路和濾波處理等模塊，可以直接對信號進行數字信號處理。與分立的單元電路構成的激光測距信號處琿相比，可以大大降低激光測距系統的成本，縮短激光測距的研制周期。并且由于專用集成電路帶有標準的RS232接口，可以直接與通信模塊連接，構成激光遙測實時監控系統，通過LED實時顯示測距結果。這樣使得激光測距系統只需由激光器LD、接收PD和一片集成電路組成即可，提出了橋梁的位移監測技術方法，并設計出一種針對橋梁的位移監測的具有既便攜、有效又經濟實用的監測樣機。 本文基于xil inx公司提供的開發環境(ise8.2)、和Virtex2P系列XC2VP30的開發版來設計的，提出一種基于方波的利用DCM(數字時鐘管理器)檢相的相位式測距方法；采用三把側尺頻率分別是30MHz、3MHz、lOkHz，對應的測尺長度分別為5米、50米和15000米，對應的精度分別為±0.02米、±0.5米和±5米。設計了一套激光測距全數字信號處理系統。為了證明本系統的準確性，另外設計了一套利用延時的方法來模擬激光光路，經過測試，證明利用DCM檢相的相位式測距方法對于橋梁的位移監測是可行的，測量精度和測量結果也滿足設計方案要求。
上傳時間： 2013-06-12
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《計算機組成原理》是計算機系的一門核心課程。但是它涉及的知識面非常廣，內容包括中央處理器、指令系統、存儲系統、總線和輸入輸出系統等方面，學生在學習該課程時，普遍覺得內容抽象難于理解。但借助于該計算機組成原理實驗系統，學生通過實驗環節，可以進一步融會貫通學習內容，掌握計算機各模塊的工作原理，相互關系的來龍去脈。 為了增強實驗系統的功能，提高系統的靈活性，降低實驗成本，我們采用FPGA芯片技術來徹底更新現有的計算器組成原理實驗平臺。該技術可根據用戶要求為芯片加載由VHDL語言所編寫出的不同的硬件邏輯，FPGA芯片具有重復編程能力，使得系統內硬件的功能可以像軟件一樣被編程，這種稱為“軟”硬件的全新系統設計概念，使實驗系統具有極強的靈活性和適應性。它不僅使該系統性能的改進和擴充變得十分簡易和方便，而且使學生自己設計不同的實驗變為可能。計算機組成原理實驗的最終目的是讓學生能夠設計CPU，但首先，學生必須知道CPU的各個功能部件是如何工作，以及相互之間是如何配合構成CPU的。因此，我們必須先設計出一個教學用的以FPGA芯片為核心的硬件平臺，然后在此基礎上開發出VHDL部件庫及主要邏輯功能，并設計出一套實驗。 本文重點研究了基于FPGA芯片的VHDL硬件系統，由于VHDL的高標準化和硬件描述能力，現代CPU的主要功能如計算，存儲，I/O操作等均可由VHDL來實現。同時設計實驗內容，包括時序電路的組成及控制原理實驗、八位運算器的組成及復合運算實驗、存儲器實驗、數據通路實驗、浮點運算器實驗、多流水線處理器實驗等，這些實驗形成一個相互關聯的系統。每個實驗先由教師講解原理及原理圖，學生根據教師提供的原理圖，自己用MAX+PLUSII完成電路輸入，學生實驗實際上是編寫VHDL，不需要寫得很復雜，只要能調用接口，然后將程序燒入平臺，這樣既不會讓學生花太多的時間在畫電路圖上，又能讓學生更好的理解每個部件的工作原理和工作過程。 論文首先研究分析了FPGA硬件實驗平臺，即實驗系統的硬件組成。系統采用FPGA-XC4010EPC84，62256CPLD以及其他外圍芯片(例如74LS244，74LS275)組成。根據不同的實驗要求，規劃不同實驗控制邏輯。用戶可選擇不同的實驗邏輯，通過把實驗邏輯下載到FPGA芯片中構成自己的實驗平臺。 其次，論文詳細的闡述了VHDL模塊化設計，如何運用VHDL技術來依次實現CPU的各個功能部件。VHDL語言作為一種國際標準化的硬件描述語言，自1987年獲得IEEE批準以來，經過了1993年和2001年兩次修改，至今已被眾多的國際知名電子設計自動化(EDA)工具研發商所采用，并隨同EDA設計工具一起廣泛地進入了數字系統設計與研發領域，目前已成為電子業界普遍接受的一種硬件設計技術。再次，論文針對實驗平臺中遇到的較為棘手的多流水線等問題，也進行了深入的闡述和剖析。學生需要什么樣的實驗條件，實驗內容及步驟才能了解當今CPU所采用的核心技術，才能掌握CPU的設計，運行原理。另外，本論文的背景是需要學生熟悉基本的VHDL知識或技能，因為實驗是在編寫VHDL代碼的前提下完成的。 本文在基于實驗室的環境下，基本上較為完整的實現了一個基于FPGA的實驗平臺方案。在此基礎上，進行了部分功能的測試和部分性能方面的分析。本論文的研究，為FPGA在實際系統中的應用提供研究思路和參考方案。論文的研究結果將對FPGA與VHDL標準的進一步發展具有重要的理論和現實意義。
上傳時間： 2013-04-24
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