隨著科學技術的快速發展和數據采集系統的廣泛應用，人們對數據采集系統的速度、精度、易操作性以及實時性的要求也在不斷地提高。通用串行總線USB作為一種新型的微機總線接口規范，以其使用方便、易于擴展、速度快等優點而被廣泛地應用于數據采集系統中。現場可編程門陣列最大的特點是結構靈活，開發周期較短，適合于實時信號處理，已被廣泛應用于通信、數據采集、圖像處理等諸多領域。 @@ 本文充分利用USB和FPGA的上述優點，設計了一種基于USB2.0技術和FPGA技術相結合的高速數據采集系統。 @@ 首先，對數據采集基本理論及系統相關技術進行了簡單地介紹。 @@ 其次，對以ADC轉換器(TLC5510)、FPGA芯片(EP1C6Q240C8)為控制器和USB接口芯片(CY7C68013A-56，簡稱FX2)為主的數據采集系統進行了硬件設計和分析，并在此設計的基礎上給出相應的原理圖、PCB。硬件設計主要包括FPGA與ADC和FX2之間的接口電路設計以及硬件邏輯設計。 @@ 再次，根據系統需求，對系統軟件部分進行了設計，分三部分：一是為滿足FX2在USB上的最大傳輸速率而編寫的固件程序；二是在PC機中的WindowsXP系統下利用GPD編寫USB設備驅動程序；三是充分了解FX2的主要功能特點，并編寫出應用程序。 @@ 最后，對系統的軟硬件進行了調試，給出了調試結果和分析，對出現的問題給出了解決方案。結果表明，系統符合設計要求。 @@關鍵詞：USB2.0；FPGA；SOPC；數據采集；固件；
上傳時間： 2013-06-21
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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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本課題是在課題組已實現的高速串行通信平臺的基礎上，進一步引伸，設計開源的PCI軟核通信模塊替代Xilinx公司提供的LogiCORE PCI核，力求在從模式下，做到占用資源更少，傳輸速度更快，也為以后實現更完整的功能提供平臺。 本文以此為背景，基于FPGA平臺，搭建以開源的PCI軟核為核心的串行通信接口平臺，使其成為PCI總線與用戶邏輯之間的橋梁，使用戶邏輯避開與復雜的PCI總線協議。本課題采用Spartan-II FPGA芯片XC2S200-6FG456C系統開發板作為串行通信接口的硬件實驗平臺，實現了支持配置讀/寫交易、單數據段讀/寫、突發模式讀/寫、命令/地址譯碼功能和數據傳送錯誤檢測與處理功能的PCI軟核。 本文主要闡述了以PCI軟核為核心的串行通信平臺的實現，首先介紹了PCI軟核的編程語言、軟件工具和硬件實驗平臺Spartan-II FPGA芯片XC2S200-6FG456C系統開發板。然后，介紹了PCI總線命令、PCI軟核所支持的功能、PCI軟核兩側信號的定義、PCI軟核配置模塊以及探討了PCI軟核的狀態機接收、發送數據等過程，分析了PCI軟核的數據收發功能仿真，主要包括配置讀/寫交易、單數據段模式讀/寫和突發模式讀/寫的仿真圖形，并闡述了管腳約束的操作流程。最后介紹PCI軟核模塊的WDM驅動，內容包括驅動程序簡介、驅動程序的開發、中斷處理、驅動程序與應用程序之間的通信以及應用程序操作。最后，對PCI軟核的各種性能進行了比較分析。整個模塊設計緊湊，完成在實驗平臺上的數據發送。 設計選用硬件描述語言VerilogHDL，在開發工具Xilinx ISE7.1中完成整個系統的設計、綜合、布局布線，利用Modelsim進行功能及時序仿真，使用DriverWorks為PCI軟核編寫WinXP下的驅動程序，用VC++6.0編寫相應的測試應用程序。之后，將FPGA設計下載到Spanan-II FPGA芯片XC2S200-6FG456C系統開發板中運行。 文章最后指出工作中的不足之處和需要進一步完善的地方。
上傳時間： 2013-04-24
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互聯網、移動通信、星基導航是21世紀信息社會的三大支柱產業，而GPS系統的技術水平和發展歷程代表著全世界衛星導航系統的發展狀況。目前，我國已經成為GPS的使用大國，衛星導航產業鏈也已基本形成。然而，我們對GPS核心技術(即如何捕獲衛星信號并保持對信號的跟蹤)的研究還不夠深入，我國GPS產品的核心部分多數還是靠進口。因此，對GPS核心技術的研究是非常緊迫的。 本文首先介紹了GPS的定位原理，之后闡述了GPS接收機的基本原理一直接擴頻通信和GPS信號的結構與特性。從這些方面出發研究接收機基帶處理器的捕獲與跟蹤設計方案。 設計過程中，先詳細分析了滑動相關的捕獲算法和基于FFT的快速捕獲算法，并利用matlab進行了驗證。由于前者靈活性好且可捕獲到高精度的碼相位和載波頻率，適合于本文的硬件接收機，所以本文確定了滑動相關的捕獲方案。 接著分析了跟蹤環路的特點，跟蹤模塊采用碼跟蹤環和載波跟蹤環耦合的方法實現。由于GPS系統通常工作在非常低的信噪比環境中，而非相干環在低信噪比下環路跟蹤性能較好，所以碼跟蹤環采用非相干(DDLL)環實現。這種跟蹤環路采用的鑒相器是能量鑒相器，對數據的調制和載波相位都不敏感，鑒相器不會產生不確定量。由于輸入信號存在180°相位翻轉，而COSTAS鎖相環允許數據調制，對I支路和Q支路信號的180°相位翻轉不敏感，所以載波跟蹤環采用COSTAS鎖相環實現。上述算法在matlab環境下得到了驗證。 基帶處理器電路的主要模塊在Quartus II8.0開發平臺上利用VHDL硬件描述語言實現。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g進行了邏輯仿真。本設計滿足系統功能和性能的要求，可以直接用于實時GPS接收機系統的設計中，為自主設計GPS接收機奠定了基礎。 最后，由于在弱電磁環境下，捕獲失鎖后32PPS信號會丟失。所以設計了一個能授時和守時的算法去得到與GPS時同步的精確授時秒信號。并且實現了這個算法。
上傳時間： 2013-04-24
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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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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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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，以FPGA為代表的數字系統現場集成技術取得了快速的發展，FPGA不但解決了信號處理系統小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且基于大規模FPGA單片系統的片上可編程系統(SOPC)的靈活設計方式使其越來越多的取代ASIC的市場。傳統的通用信號處理系統使用DSP作為處理核心，系統的可重構型不強，FPGA解決了這一問題，并且現有的FPGA中，多數已集成DSP模塊，結合FPGA較強的信號并行處理特性使其與DSP信號處理能力差距很小。因此，FPGA作為處理核心的通用信號處理系統具有很強的可實施性。 @@ 基于上述要求，作者設計和完成了一個基于多FPGA的通用實時信號處理系統。該系統采用4片XC3SD1800A作為處理核心，使用DDR2 SDRAM高速存儲實時數據。作者通過全面的分析，設計了核心板、底板和應用板分離系統架構。該平臺能夠根據實際需求進行靈活的搭配，核心板之間的數據傳輸采用了LVDS(低電壓差分信號)技術，從而使得數據能夠穩定的以非常高的速率進行傳輸。 @@ 本系統屬于高速數字電路的設計范疇，因此必須重視信號完整性的設計與分析問題，作者根據高速電路的設計慣例和軟件輔助設計的方法，在分析和論證了阻抗控制、PCB堆疊、PCB布局布線等約束的基礎上，順利地完成了PCB繪制與調試工作。 @@ 作為系統設計的重要環節，作者還在文中研究了在系統設計過程中出現的電源完整性問題，并給出了解決辦法。 @@ LVDS高速數據通道接口和DDR2存儲器接口設計決定本系統的使用性能，本文基于所選的FPGA芯片進行了詳細的闡述和驗證。并結合系統的核心板和底板，完成了應用板，視頻圖像采集、USB、音頻、LCD和LED矩陣模塊顯示等接口的設計工作，對其中的部分接口進行了邏輯驗證。 @@ 經過測試，該通用的信號處理平臺具有實時性好、通用性強、可擴展和可重構等特點，能夠滿足當前一些信號處理系統對高速、實時處理的要求，可以廣泛應用于實時信號處理領域。通過本平臺的研究和開發工作，為進一步研究和設計通用、實時信號處理系統打下了堅實的基礎。 @@關鍵詞：通用實時信號處理；FPGA；信號完整性；DDR2；LVDS
上傳時間： 2013-05-27
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直接序列擴頻通信技術，具有抗干擾、保密性強、可實現碼分多址通信和高精度測量的優點，其中信號的快速捕獲是擴頻體制的關鍵。擴頻系統雖然本身具有抗干擾能力，但在強干擾情況下，系統性能將嚴重惡化，大大影響捕獲的精度，甚至無法捕獲。因此，在接收機接收到信號以后，在捕獲前可以利用自適應天線陣進行抗干擾濾波，增強系統的抗干擾能力。同時，抗干擾濾波可能會對擴頻信號的捕獲帶來一定的影響，對這個問題也需要進行分析。 本文取材于“GPS空域抗干擾接收機”研究課題，以該課題為背景，從擴頻信號捕獲的角度出發，利用仿真數據，針對自適應天線陣抗干擾濾波和捕獲進行Matlab仿真，研究分析不同的抗干擾濾波方案對擴頻信號捕獲產生的影響，確定FPGA設計方案，在ISE中將設計方案實現為具體的VHDL程序，并通過Modelsim仿真比對，為“GPS空域抗干擾接收機”課題研究中方案的確定提供了技術支撐。
上傳時間： 2013-04-24
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現代數字信號處理對實時性提出了很高的要求，當最快的數字信號處理器(DSP)仍無法達到速度要求時，唯一的選擇是增加處理器的數目，或采用客戶定制的門陣列產品。隨著可編程邏輯器件技術的發展，具有強大并行處理能力的現場可編程門陣列(FPGA)在成本、性能、體積等方面都顯示出了優勢。本文以此為背景，研究了基于FPGA的快速傅立葉變換、數字濾波、相關運算等數字信號處理算法的高效實現。 首先，針對圖像聲納實時性的要求和FPGA片內資源的限制，設計了級聯和并行遞歸兩種結構的FFT處理器。文中詳細討論了利用流水線技術和并行處理技術提高FFT處理器運算速度的方法，并針對蝶形運算的特點提出了一些優化和改進措施。 其次，分析了具有相同結構的數字濾波和相關運算的特點，采用了有乘法器和無乘法器兩種結構實現乘累加(MAC)運算。無乘法器結構采用分布式算法(DA)，將乘法運算轉化為FPGA易于實現的查表和移位累加操作，顯著提高了運算效率。此外，還對相關運算的時域多MAC方法及頻域FFT方法進行了研究。 最后，完成了圖像聲納預處理模塊。在一片EP2S60上實現了對160路信號的接收、濾波、正交變換以及發送等處理。實驗表明，本論文所有算法均達到了設計要求。
上傳時間： 2013-06-09
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