《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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本文應用EDA技術，基于FPGA器件設計與實現UART，并采用CRC校驗。主要工作如下： 1、在異步串行通信電路部分完全用FPGA來實現。選用Xilinx公司的SpartanⅢ系列的XC3S1000來實現異步串行通信的接收、發送和接口控制功能，利用FPGA集成度比較高，具有在線可編程能力，在其完成各種功能的同時，完全可以將串行通信接口構建其中，可根據實際需求分配資源。 2、利用VerilogHDL語言非常容易掌握，功能比VHDL更強大的特點，可以在設計時不斷修改程序，來適用不同規模的應用，而且采用Verilog輸入法與工藝性無關，利用系統設計時對芯片的要求，施加不同的約束條件，即可設計出實際電路。 3、利用ModelSim仿真工具對程序進行功能仿真和時序仿真，以驗證設計是否能獲得所期望的功能，確定設計程序配置到邏輯芯片之后是否可以運行，以及程序在目標器件中的時序關系。 4、為保證數據傳輸的正確性，采用循環冗余校驗CRC(CyclicRedundancyCheck)，該編碼簡單，誤判概率低，為了減少硬件成本，降低硬件設計的復雜度，本設計通過CRC算法軟件實現。 實驗結果表明，基于EDA技術的現場可編程門陣列FPGA集成度高，結構靈活，設計方法多樣，開發周期短，調試方便，修改容易，采用FPGA較好地實現了串行數據的通信功能，并對數據作了一定的處理，本設計中為CRC校驗。另外，可以利用FPGA的在線可編程特性，對本設計電路進行功能擴展，以滿足更高的要求。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著技術的飛速發展，電力電子裝置如變頻設備、變流設備等容量日益擴大，數量日益增多。由于非線性器件的廣泛使用，使得電網中的諧波污染日益嚴重，給電力系統和各類用電設備帶來危害，輕則增加能耗，縮短設備使用壽命，重則造成用電事故，影響安全生產，電力諧波已經成為電力系統的公害。除了傳統的濾波方法，例如，無源濾波、改變系統的拓補結構來抑制諧波外，人們已廣泛應用有源濾波器(APF)來消除注入電網的諧波，而實現有源濾波策略的前提就是能夠實時、精確地檢測出諧波電流。諧波檢測是諧波研究中的一個重要的分支，是解決其他相關諧波問題的基礎，因此進行諧波檢測的研究具有重要的理論意義和實用價值。設計一種精度高、實時性好且適用范圍寬的諧波電流檢測方法是國內外眾多學者致力研究的目標。 本文主要從諧波檢測理論和實現方法上探討了高精度、高實時性諧波檢測數字系統的相關問題。論文中闡述了電力系統諧波的相關概念和產生原理，并分析了電力諧波的特點，對國內外各種諧波檢測方法進行了分析和研究。在檢測理論上，本文采用FFT理論來計算諧波含量，研究了Radix-2 FFT在諧波檢測中的應用，綜述了可編程元器件的發展過程、工藝發展及目前的應用情況，并介紹了一種主流硬件描述語言VHDL。最后以FPGA芯片XC2S200為硬件平臺，以ISE6.0為軟件平臺，利用VHDL語言描述的方式實現了512點16Bit的快速傅立葉變換系統，并進行了仿真、綜合等工作。仿真結果表明其計算結果達到了一定的精度，運行速度可以滿足一般實時信號處理的要求。
上傳時間： 2013-06-02
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多普勒計程儀是根據聲波在水中的多普勒效應原理而制成的一種精密測速和計算航程的儀器，它是船用導航設備的重要組成之一。針對于多普勒計程儀的核心問題——頻率估計，本文提出了一種基于FPGA實現的多普勒測頻方案，它具有抗干擾能力強、運算速度快等特點。本論文主要是圍繞系統的測頻方案的設計與實現展開的。 本文主要研究工作包括：設計和調試基于FPGA的多普勒測頻系統的硬件電路；通過對測頻算法的研究，采用VHDL語言設計和實現系統的測頻算法和其它接口控制程序，并通過軟件仿真，測試設計的正確性。 測頻系統的硬件電路設計是本論文工作的主要部分之一，也是基于FPGA的多普勒測頻系統的核心部分。整個系統以FPGA作為主處理器，完成系統中所有的數字信號處理和外圍接口控制，同時，基于FPGA豐富的片內可編程邏輯資源和外部I/O資源，系統還擴展了豐富的通信接口(UART、USB和以太網接口)和顯示電路(LCD和LED)，使系統便于與PC機進行數據交換和控制。 系統的軟件實現是本文工作的另一重要部分。本文通過對測頻算法的研究，完成了基于VHDL實現的過零檢測法和FFT算法，同時也實現了對接收機信號的自動增益控制、信號采集和與計算機的通信功能等。
上傳時間： 2013-04-24
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光纖水聽器自問世以來，在巨大的軍事價值和民用價值推動下得到了迅速發展，已逐漸從實驗室研究階段走向工程應用。同時隨著光纖水聽器的不斷發展，對水聲信號的檢測技術以及數字處理能力也提出了新的要求。論文在此背景下開展了一系列研究工作，并提出了利用FPGA(Field ProgrammableGate Array，現場可編程門陣列)實現光纖3×3耦合器解調算法的新思路。 目前干涉型光纖水聽器的解調一般采用PGC(Phase Generated Carrier，相位生成載波技術)技術和基于3×3光纖耦合器干涉的解調技術。PGC技術在解調過程中引入了載波信號，它對采樣率，激光器等的要求都較高，因此我們把目光投向3×3耦合器解調技術，文中對其解調原理進行了闡述，對采樣率的確定進行了討論，并對3×3耦合器三路輸出不對稱的情況進行了分析，最后在本文的結論部分提出了基于3×3耦合器解調的改良方案。 目前，光纖信號數字化解調的硬件實現采用DSP(Digital Signal Process，可編程數字信號處理器)信號處理機，與之相比，FPGA解調具有速度快、資源占用少、易于擴展等優勢。本文對FPGA與DSP、ASIC(application-specificintegrated circuit，專用集成電路)實現方案進行了對比，分析了適合利用FPGA實現的算法所應具備的特征；介紹了3×3耦合器解調算法中各個模塊的設計情況；分析了系統的工作情況，硬件的構造及芯片的選擇，最后驗證了利用FPGA可以實現3×3耦合器解調算法。
上傳時間： 2013-07-03
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圖像采集是數字化圖像處理的第一步，開發圖像采集平臺是視覺系統開發的基礎。視覺檢測的速度是視覺檢測要解決的關鍵技術之一，也是專用圖像處理系統設計所要完成的首要目標
標簽： 高速圖像采集
上傳時間： 2013-04-24
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遙感圖像在人類生活和軍事領域的應用日益廣泛，適合各種要求的遙感圖像編碼技術具有重要的現實意義。基于小波變換的內嵌編碼技術已成為當前靜止圖像編碼領域的主流，其中就包括基于分層樹集合分割排序(Set Partitioning inHierarchical Trees，SPIHT)的內嵌編碼算法。這種算法具有碼流可隨機獲取以及良好的恢復圖像質量等特性，因此成為實際應用中首選算法。隨著對圖像編碼技術需求的不斷增長，尤其是在軍事應用領域如衛星偵察等方面，這種編碼算法亟待轉換為可應用的硬件編碼器。 在靜止圖像編碼領域，高性能的圖像編碼器設計一直是相關研究人員不懈追求的目標。本文針對靜止圖像編碼器的設計作了深入研究，并致力于高性能的圖像編碼算法實現結構的研究，提出了具有創新性的降低計算量、存儲量，提高壓縮性能的算法實現結構，并成功應用于圖像編碼硬件系統中。這個方案還支持壓縮比在線可調，即在不改變硬件框架的條件下可按用戶要求實現16倍到2倍的壓縮，以適應不同的應用需求。本文所做的工作包括了兩個部分。 1．一種基于行的實時提升小波變換實現結構：該結構同時處理行變換和列變換，并且在圖像邊界采用對稱擴展輸出邊界數據，使得圖像小波變換時間與傳統的小波變換相比提高了將近2.6倍，提高了硬件系統的實時性。該結構還合理地利用和調度內部緩沖器，不需要外部緩沖器，大大降低了硬件系統對存儲器的要求。 2．一種采用左遍歷的比特平面并行SPIHT編碼結構：在該編碼結構中，空間定位生成樹采用深度優先遍歷方式，比特平面同時處理極大地提高了編碼速度。
上傳時間： 2013-06-17
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隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展，尤其是現場可編程器件的出現，為滿足實時處理系統的要求，誕生了一種新穎靈活的技術——可重構技術。它采用實時電路重構技術，在運行時根據需要，動態改變系統的電路結構，從而使系統既有硬件優化所能達到的高速度和高效率，又能像軟件那樣靈活可變，易于升級，從而形成可重構系統。可重構系統的關鍵在于電路結構可以動態改變，這就需要有合適的可編程邏輯器件作為系統的核心部件來實現這一功能。 論文利用可重構技術和“FD-ARM7TDMLCSOC”實驗板的可編程資源實現了一個8位微程序控制的“實驗CPU”，將“實驗CPU”與實驗板上的ARMCPU構成雙內核CPU系統，并對雙內核CPU系統的工作方式和體系結構進行了初步研究。 首先，文章研究了8位微程序控制CPU的開發實現。通過設計實驗CPU的系統邏輯圖，來確定該CPU的指令系統，并給出指令的執行流程以及指令編碼。“實驗CPU”采用的是微程序控制器的方式來進行控制，因此進行了微程序控制器的設計，即微指令編碼的設計和微程序編碼的設計。為利用可編程資源實現該“實驗CPU”，需對“實驗CPU”進行VHDL描述。 其次，文章進行了“實驗CPU”綜合下載與開發。文章中使用“Synplicity733”作為綜合工具和“Fastchip3.0”作為開發工具。將“實驗CPU”的VHDL描述進行綜合以及下載，與實驗箱上的ARMCPU構成雙內核CPU，實現了基于可重構技術的雙內核CPU的系統。根據實驗板的具體環境，文章對雙內核CPU系統存在的關鍵問題，如“實驗CPU”的內存讀寫問題、微程序控制器的實現，以及“實驗CPU'’框架等進行了改進，并通過在開發工具中添加控制模塊和驅動程序來實現系統工作方式的控制。 最后，文章對雙核CPU系統進行了功能分析。經分析，該系統中兩個CPU內核均可正常運行指令、執行任務。利用實驗板上的ARMCPU監視用“實驗CPU”的工作情況，如模擬“實驗CPU”的內存，實現機器碼運行，通過串行口發送的指令來完成單步運行、連續運行、停止、“實驗CPU"指令文件傳送、“實驗CPU"內存修改、內存察看等工作，所有結果可顯示在超級終端上。該系統通過利用ARMCPU來監控可重構CPU，研究雙核CPU之間的通信，嘗試新的體系結構。
上傳時間： 2013-04-24
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現場可編程門陣列(FPGA)是一種現場可編程專用集成電路，它將門陣列的通用結構與現場可編程的特性結合于一體，如今，FPGA系列器件已成為最受歡迎的器件之一。隨著FPGA器件的廣泛應用，它在數字系統中的作用日益變得重要，它所要求的準確性也變得更高。因此，對FPGA器件的故障測試和故障診斷方法進行更全面的研究具有重要意義。隨著FPGA器件的迅速發展，FPGA的密度和復雜程度也越來越高，使大量的故障難以使用傳統方法進行測試，所以人們把視線轉向了可測性設計(DFT)問題。可測性設計的提出為解決測試問題開辟了新的有效途徑，而邊界掃描測試方法是其中一個重要的技術。 本文對FPGA的故障模型及其測試技術和邊界掃描測試的相關理論與方法進行了詳細的探討，給出了利用布爾矩陣理論建立的邊界掃描測試過程的數學描述和數學模型。論文中首先討論邊界掃描測試中的測試優化問題，總結解決兩類優化問題的現有算法，分別對它們的優缺點進行了對比，進而提出對兩種現有算法的改進思想，并且比較了改進前后優化算法的性能。另外，本文還對FPGA連線資源中基于邊界掃描測試技術的自適應完備診斷算法進行了深入研究。在研究過程中，本文基于自適應完備診斷的思想對原有自適應診斷算法的性能進行了分析，并將獨立測試集和測試矩陣的概念引入原有自適應診斷算法中，使改進后的優化算法能夠簡化原算法的實現過程，并實現完備診斷的目標。最后利用測試仿真模型證明了優化算法能夠更有效地實現完備診斷的目標，在緊湊性指標與測試復雜性方面比現在算法均有所改進，實現了算法的優化。
上傳時間： 2013-06-30
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渦流無損檢測技術作為五大常規無損檢測技術之一，不僅能夠探測導體表面的涂層厚度，材料成分，組織狀態以及某些物理量和機械量，還能檢測材料或構件中是否有缺陷并判斷缺陷的形狀、大小、分布、走向。脈沖渦流無損檢測技術因其激勵信號的頻域特點，具有有效率高，檢測準確的特性，因而有著廣泛的應用前景。 用無損檢測方法進行鋼鐵材質檢測的研究工作取得了大量成果，然而對于鋼材及其制品的混料、硬度和裂紋質量檢測還存在許多難題，如用傳統檢測方法檢測齒輪毛坯的硬度效果不夠理想，而且人工記錄方法較慢。 本文以渦流檢測技術理論為基礎，系統地分析了脈沖渦流檢測的基本理論。在此基礎上設計了一套用于檢測鋼鐵材硬度的脈沖渦流檢測儀器。該脈沖渦流檢測系統可分為硬件、軟件兩個子系統。整個系統由激勵源、渦流傳感器、數據處理、結果顯示這四個主要部分組成。在渦流探傷中，影響渦流的因素很多，產生大量噪聲使得信號分析相對困難。系統以FPGA為開發平臺，使得信號激勵和信號的采集可以在同一電路中實現，從而提高了信號處理的精確性，接著利用主成分分析方法去除噪音，提取信號的特征值，建立回歸方程，利用最小二乘法實現對鋼鐵材質硬度的測量。實驗結果表明，以FPGA為開發平臺，采用脈沖渦流激勵的方式及相關的脈沖渦流的主成分分析處理方法，使鋼鐵材質硬度的判別準確率有了很大提高。
上傳時間： 2013-04-24
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