隨著電子工業應用領域需求的增長，要實現復雜程度較高的數字電子系統，對數據處理能力提出越來越高的要求。定點運算已經很難滿足高性能數字系統的需要，而浮點數相對于定點數，具有表述范圍寬，有效精度高等優點，在航空航天、遙感、機器人技術以及涉及指數運算和信號處理等領域有著廣泛的應用。對浮點運算的要求主要體現在兩個方面：一是速度，即如何快速有效的完成浮點運算；二是精度，即浮點運算能夠提供多少位的有效數字。 計算機性價比的提高以及可編程邏輯器件的出現，對傳統的數字電子系統設計方法進行了變革。FPGA(Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)讓設計師通過設計芯片來實現電子系統的功能，將傳統的固件選用及電路板設計工作放在芯片設計中進行。FPGA可以完成極其復雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度，如運算器、數字濾波器、二維卷積器等具有復雜算法的邏輯單元和信號處理單元的邏輯設計領域。 鑒于FPGA技術的特點和浮點運算的廣泛應用，本文基于FPGA將浮點運算結合實際應用設計一個觸摸式浮點計算器，主要目的是通過VHDL語言編程來實現浮點數的加減、乘除和開方等基本運算功能。 (1)給出系統的整體框架設計和各模塊的實現，包括芯片的選擇、各模塊之間的時序以及控制、每個運算模塊詳細的工作原理和算法設計流程； (2)通過VHDL語言編程來實現浮點數的加減、乘除和開方等基本運算功能； (3)在Xilinx ISE環境下，對系統的主要模塊進行開發設計及功能仿真，驗證了基于FPGA的浮點運算。
上傳時間： 2013-04-24
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數字視頻監控技術無論是在軍事領域還是在民用領域，都有著重要的作用和廣泛的應用市場及前景。迫切的軍用和民用需求，推動著視頻監控技術持續而迅猛的發展。為了提高監控視頻的圖像質量，使設備小型化，以便能滿足各種條件下的適用場合，目前基于FPGA的數字視頻偵察監控系統已成為一種主流的解決方案。 本文設計了一種可以在戰場上使用的數字視頻偵察監控系統。該系統配備了12路攝像頭，當偵察車或者裝甲車在向前進的時候，可以做到對周圍的環境全方位的偵察監控，從而對判斷戰場的情況起到了巨大的作用。 本文首先介紹了數字視頻監控技術的發展與現狀，視頻數據的產生以及接收特性和FPGA技術的基本概念，在此基礎上研究了視頻信號的組成方式、VGA、DVI顯示接口以及顯示器的工作原理，分析了采用FPGA實現整個系統的可能性。接著，在充分考慮了要求達到的標準以后，選用了視頻解碼芯片SAA7111A、視頻編碼芯片ADV7125、DVI發送芯片TFP410、CY7C1061AV33型SRAM以及EP2C35FBGA672型FPGA芯片應用于硬件電路設計。然后設計出電路原理圖以及PCB版圖。最后，根據系統工作要求，本文設計了FPGA系統中的片內邏輯模塊，包括視頻采集緩沖異步FIFO（先進先出）模塊、I2C總線配置模塊、視頻幀存控制模塊、VGA視頻顯示模塊、DVI視頻顯示模塊等。在此基礎上完成了系統軟硬件調試，最終成功的實現了12路攝像頭的切換顯示和對周圍環境的全方位監控，達到了預定的設計目標。
上傳時間： 2013-07-30
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矩陣運算是描述許多工程問題中不可缺少的數學關系，矩陣運算具有執行效率好、速度快、集成度高等優點，并且隨著動態可配置技術的發展，靈活性也有了很大的提高。因此，尋找矩陣運算的高速實現方法是具有很大的現實意義，能夠為高速運算應用提供技術支持。 為了提高研究成果的實用性與商用性，本文主要針對某種體積小、運算速度和性能要求很高的特殊場合設計并實現基于FPGA的矩陣運算功能。通過系統地研究FPGA功能結構、設計原理、DSP接口、IEEE-754標準，深入學習浮點數及矩陣的基礎運算以及硬件編程語言等內容，根據矩陣運算的特點和原理，討論了硬件設計方面重點對具體核心器件結構、特點以及有關FPGA的設計流程和控制器Verilog HDL硬件編程語言代碼方面內容，確定了基于FPGA浮點運算及矩陣運算單元的Verilog HDL設計方法，在Quartus II平臺上對其仿真、記錄運算結果，并對采集到的數據結果進行了深入分析與總結。 本設計通過幾種矩陣算法利用FPGA和MATLAB分別進行了實現測試，驗證了設計結果的正確性，證明了本設計中矩陣運算速率的實用性與高效性，提高了系統資源利用率和系統可靠性，為今后在工程、軍事、通訊等生產生活各個領域應用打下良好基礎。
上傳時間： 2013-07-07
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PID算法自從問世以來，一直受到廣泛的關注。隨著現代控制理論及智能控制技術的發展，PID算法也得到了長足的發展。結合傳統的PID控制算法，針對特定的控制領域，出現了一些新的控制算法，模糊PID控制算法就是在此基礎上漸漸形成并凸顯其控制特色。 同時隨著微電子技術的發展，現場可編程邏輯器件FPGA的發展及其EDA技術的日漸成熟，為集成控制芯片開拓了廣闊的發展空間。FPGA的發展為基于硬件的算法模塊的實現提供了可能性，同時節省了外圍的電路，使算法模塊的集成度大大提高。 本文針對當前國內外在算法研究方面的熱點問題，對模糊PID算法進行了深入的分析和研究。通過對汽輪機調節系統的結構分析，對其進行了數學建模。采用某汽輪機的實際設計運行參數，利用Matlab仿真軟件，對該汽輪機的數學模型進行了甩負荷動態特性仿真。仿真結果表明，模糊PID可以更好地解決汽輪發電機組在甩負荷過程中由于機組轉子飛升量太大而導致危急保安裝置動作，使得汽輪發電機組意外停機的問題，能夠保證汽輪發電機組在意外甩負荷時機組正常的機械運轉。根據模糊控制理論的特點及EDA技術和FPGA可編程邏輯器件的發展現狀，提出了在FPGA上實現模糊PID算法的具體實現方案。在綜合分析算法特性的基礎上，選擇Altera公司生產的CycloneⅡ系列中的EP2C35F672C6作為目標芯片，利用分層模塊化設計思想，在Altera公司提供的QuartusⅡ開發環境中，利用原理圖設計輸入和VHDL設計輸入相結合的方式實現了模糊PID控制算法，同時分別對實現的各個功能模塊和整個算法模塊進行了功能時序仿真。根據仿真結果分析，該設計實現了的模糊PID控制功能。 該控制算法模塊的FPGA實現很好的避免了因CPU或者其它問題導致算法程序跑飛、程序死循環、復位不可靠等問題，提高了控制的可靠性。同時加強了模塊的通用性，減少了系統硬件開發周期，節省了外圍設備的電路，降低了設計開發成本。
上傳時間： 2013-07-21
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軟件無線電（Software Defined Radio）是無線通信系統收發信機的發展方向，它使得通信系統的設計者可以將主要精力集中到收發機的數字處理上，而不必過多關注電路實現。在進行數字處理時，常用的方案包括現場可編程門陣列（FPGA）、數字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）。FPGA以其相對較低的功耗和相對較低廉的成本，成為許多通信系統的首先方案。正是在這樣的前提下，本課題結合軟件無線電技術，研究并實現基于FPGA的數字收發信機。 @@ 本論文主要研究了發射機和接收機的結構和相關的硬件實現問題。首先，從理論上對發射機和接收機結構進行研究，找到收發信機設計中關鍵問題。其次，在理論上有深刻認識的基礎上，以FPGA為手段，將反饋控制算法、反饋補償算法和前饋補償算法落實到硬件電路上。同步一直是數字通信系統中的關鍵問題，它也是本文的研究重點。本文在研究了已有各種同步方法的基礎上，設計了一種新的同步方法和相應的接收機結構，并以硬件電路將其實現。最后，針對所設計的硬件系統，本文還進行了充分的硬件系統測試。硬件測試的各項數據結果表明系統設計方案是可行的，基本實現了數字中頻收發機系統的設計要求。 @@ 本文中發射機系統是以Altera公司EP2C70F672C6為硬件平臺，接收機系統以Altera公司EP2S180F1020C3為硬件平臺。收發系統均是在Ouartus Ⅱ 8．0環境下，通過編寫Verilog HDL代碼和調用Altera IP core加以實現。在將設計方案落實到硬件電路實現之前，各種算法均使用MATLAB進行原理仿真，并在MATLAB仿真得到正確結果的基礎上，使用Quartus Ⅱ 8．0中的功能仿真工具和時序仿真工具進行了前仿真和后仿真。所有仿真結果無誤后，可下載至硬件平臺進行調試，通過Quartus Ⅱ 8．0中集成的SignalTap邏輯分析儀，可以實時觀察電路中各點信號的變化情況，并結合示波器和頻譜儀，得到硬件測試結果。 @@關鍵詞：SDR；數字收發機；FPGA；載波同步；符號同步
上傳時間： 2013-04-24
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隨著我國國民經濟的高速發展，國內高速公路、城市道路、停車場建設越來越多，對交通控制、安全管理的要求也日益提高，智能交通系統( IntelligentTransportation Systems，簡稱ITS)已成為當前交通管理發展的主要方向，而車牌識別系統(License Plate Recognition System，簡稱LPRS)技術作為智能交通系統的核心，起著舉足輕重的作用，可以被廣泛地應用于高速公路自動收費(ElectronicToll Collection，簡稱ETC)、停車場安全管理、被盜車輛的追蹤、車流統計等。 目前，車牌識別系統大多都是基于PC平臺的，其優勢是實現容易，但是成本高、實時性不強、穩定性不高等缺點使其不能廣泛推廣。為了克服以上的缺點，且滿足識別速度和識別率的要求，本文在原有車牌識別硬件系統設計的基礎上做了一定的改進(原系統在圖像采集、接口通信、系統穩定、脫機工作等方面存在一定問題)，與團隊成員一起設計出了新的車牌識別硬件系統，采用單DSP+FPGA和雙DSP+FPGA雙板子的方式來共同實現(本人負責單DSP+FPGA的原理圖和PCB繪制，另一成員負責雙DSP+FPGA的原理圖和PCB繪制)。 本文所涉及的該車牌硬件系統，主要工作由以下幾個部分組成： 1.團隊共同完成了新車牌識別系統的硬件設計，采用兩個板子實現。其中，本人負責單DSP+FPGA板子繪制。 2.團隊一起完成了整個系統的硬件電路調試。主要分為如下模塊進行調試：電源，DSP，FPGA，SAA7113H視頻解碼器，LCD液晶顯示和UART接口等。 3.負責完成了整個系統的DSP應用程序設計。采用DSP/BIOS操作系統來構建系統的框架，添加了多個任務對象進行管理系統的調度；用CSL編寫了DSP上的底層驅動：完成了車牌識別算法在DSP上的移植與優化。 4.參與完成了部分FPGA程序的開發，主要包括圖像采集、存儲、傳輸幾個模塊等。 最終，本系統實現了高效、快速的車牌識別，各模塊工作穩定，能脫機實現圖像采集、傳輸、識別、結果輸出和顯示為一體化的功能；為以后進行高性能的車牌識別算法開發提供了一個很好的硬件平臺。
上傳時間： 2013-04-24
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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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FPGA作為新一代集成電路的出現，引起了數字電路設計的巨大變革。隨著FPGA工藝的不斷更新與改善，越來越多的用戶與設計公司開始使用FPGA進行系統開發，因此，PFAG的市場需求也越來越高，從而使得FPGA的集成電路板的工藝發展也越來越先進，在如此良性循環下，不久的將來，FPGA可以主領集成電路設計領域。正是由于FPGA有著如此巨大的發展前景與市場吸引力，因此，本文采用FPGA作為電路設計的首選。 @@ 隨著FPGA的開發技術日趨簡單化、軟件化，從面向硬件語言的VHDL、VerilogHDL設計語言，到現在面向對象的System Verilog、SystemC設計語言，硬件設計語言開始向高級語言發展。作為一個軟件設計人員，會很容易接受面向對象的語言。現在軟件的設計中，算法處理的瓶頸就是速度的問題，如果采用專用的硬件電路，可以解決這個問題，本文在第一章第二節詳細介紹了軟硬結合的開發優勢。另外，在第一章中還介紹了知識產權核心（IP Core）的發展與前景，特別是IP Core中軟核的設計與開發，許多FGPA的開發公司開始爭奪軟核的開發市場。 @@ 數字電路設計中最長遇到的就是通信的問題，而每一種通信方式都有自己的協議規范。在CPU的設計中，由于需要高速的處理速度，因此其內部都是用并行總線進行通信，但是由于集成電路資源的問題，不可能所有的外部設備都要用并行總線進行通信，因此其外部通信就需要進行串行傳輸。又因為需要連接的外部設備的不同，因此就需要使用不同的串行通信接口。本文主要介紹了小型CPU中常用的三種通信協議，那就是SPI、I2C、UART。除了分別論述了各自的通信原理外，本文還特別介紹了一個小型CPU的內部構造，以及這三個通信協議在CPU中所處的位置。 @@ 在硬件的設計開發中，由于集成電路本身的特殊性，其開發流程也相對的復雜。本文由于篇幅的問題，只對總的開發流程作了簡要的介紹，并且將其中最復雜但是又很重要的靜態時序分析進行了詳細的論述。在通信協議的開發中，需要注意接口的設計、時序的分析、驗證環境的搭建等，因此，本文以SPI數據通信協議的設計作為一個開發范例，從協議功能的研究到最后的驗證測試，將FPGA 的開發流程與關鍵技術等以實例的方式進行了詳細的論述。在SPI通信協議的開發中，不僅對協議進行了詳細的功能分析，而且對架構中的每個模塊的設計都進行了詳細的論述。@@關鍵詞：FPGA；SPI；I2C；UART；靜態時序分析；驗證環境
上傳時間： 2013-04-24
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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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隨著數碼技術的不斷發展，數字圖像處理的應用領域不斷擴大，其實時處理技術成為研究的熱點。VLSI技術的迅猛發展為數字圖像實時處理技術提供了硬件基礎。其中FPGA(現場可編程門陣列)的特點使其非常適用于進行一些基于像素級的圖像處理。 傳統的圖像顯示系統必須連接到PC才能觀察圖像視頻，存在著高速實時性、穩定性問題。本設計脫離高清晰工業相機必須與PC連接才可以觀看到高清晰圖像的束縛，實現系統的小型化。針對130萬像素彩色1/2英寸鎂光CMOS圖像傳感器，提出用硬件實現Bayer格式到RGB格式轉換的設計方案，完成由黑白圖像到高清彩色圖像的轉換，用SDRAM作緩存，輸出標準VGA信號，可直接連接VGA顯示器、投影儀等設備進行實時的視頻圖像觀看，與模擬相機740X576分辨率(480線)圖像相比，設計圖像畫質相當于1280X1024分辨率(750線)，最高幀率25fps，整個結構應用FPGA作為主控制器，用少量的緩存代替傳統的大容量存儲，加快了運算速率，減小了電路規模，滿足圖像實時處理的要求，使展現出來的視頻圖像得到質的飛躍。可以廣泛應用于工業控制和遠程監控等領域。 論文研究的重點是采用altera公司EP2C芯片前端驅動CMOS圖像傳感器，實時采集Bayer圖像象素，分析研究CFA圖像插值算法，實現了基于FPGA的實時線性插值算法，能夠對輸入是每像素8bit、分辨率為1280×1204的Bayer模式圖像數據進行實時重構，輸出彩色RGB圖像。由端口FIFO作為數據緩沖，存儲一幀圖像到高速SDRAM，構建VGA顯示控制器，實現對輸入是每像素24bit(RGB101010)、分辨率為640×480、幀頻25HZ彩色圖像進行實時顯示。 整個模塊結構包括電源模塊單元等、CMOS成像單元、FPGA數據處理單元、SDRAM控制單元、VGA顯示接口單元。 最后，對系統進行了調試。經實驗驗證，系統達到了實時性，能正確和可靠的工作。整個設計模塊能夠滿足高幀率和高清晰的實時圖像處理，占用系統資源很少，用較少的時間完成了圖像數據的轉換，提高了效率。
上傳時間： 2013-06-08
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