在机器人学的研究领域中，如何有效地提高机器人控制系统的控制性能始终是研究学者十分关注的一个重要内容。在分析了工业机器人的发展历程和机器人控制系统的研究现状后，本论文的主要目标是针对四关节实验室机器人特有的机械结构和数学模型，建立一个新型全数字的基于DSP和FPGA的机器人位置伺服控制系统的软、硬件平台，实现对四关节实验室机器人的精确控制。 本论文从实际情况出发，首先分析了所研究的四关节实验室机器人的本体结构，并对其抽象简化得到了它的运动学数学模型。在明确了实现机器人精确位置伺服控制的控制原理后，我们对机器人控制系统的诸多可行性方案进行了充分论证，并最终决定采用了三级CPU控制的控制体系结构：第一级CPU为上位计算机，它实现对机器人的系统管理、协调控制以及完成机器人实时轨迹规划等控制算法的运算；第二级CPU为高性能的DSP处理器，它辅之以具有高速并行处理能力的FPGA芯片，实现了对机器人多个关节的高速并行驱动；第三级CPU为交流伺服驱动处理器，它实现了机器人关节伺服电机的精确三闭环误差驱动控制，以及电机的故障诊断和自动保护等功能。此外，我们采用比普通UART速度快得多的USB来实现上位计算机．与下位控制器之间的数据通信，这样既保证了两者之间连接方便，又有效的提高了控制系统的通信速度和可靠性。 机器人系统的软件设计包括两个部分：一是采用VC++实现的上位监控软件系统，它主要负责机器人实时轨迹规划等控制算法的运算，同时完成用户与机器人系统之间的信息交互；二是采用C语言实现的下位DSP控制程序，它主要负责接收上位监控系统或者下位控制箱发送的控制信号，实现对机器人的实时驱动，同时还能够实时的向上位监控系统或者下位控制箱反馈机器人的当前状态信息。 研究开发出来的四关节实验室机器人控制器具有控制实时性好、定位精度高、运行稳定可靠的特点，它允许用户通过上位控制计算机实现对机器人的各种设定作业的控制，也可以让用户通过机器人控制箱现场对机器人进行回零、示教等各项操作。
上传时间： 2013-04-24
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DFT(Discrete Fourier Transformation)是数字信号分析与处理如图形、语音及图像等领域的重要变换工具,直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比.当N较大时,因计算量太大,直接用DFT算法进行谱分析和喜好的实时处理是不切实际的.快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,简称FFT)使DFT运算效率提高1~2个数量级.本文的目的就是研究如何应用FPGA这种大规模可编程逻辑器件实现FFT的算法.本设计主要采用先进的基-4DIT算法研制一个具有实用价值的FFT实时硬件处理器.在FFT实时硬件处理器的设计实现过程中,利用递归结构以及成组浮点制运算方式,解决了蝶形计算、数据传输和存储操作协调一致问题.合理地解决了位增长问题.同时,采用并行高密度乘法器和流水线(pipeline)工作方式,并将双端口RAM、只读ROM全部内置在FPGA芯片内部,使整个系统的数据交换和处理速度得以很大提高,实际合理地解决了资源和速度之间相互制约的问题.本设计采用Verilog HDL硬件描述语言进行设计,由于在设计中采用Xilinx公司提供的称为Core的IP功能块极大地提高了设计效率.
上传时间： 2013-06-20
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常用的实时数字信号处理的器件有可编程的数字信号处理(DSP)芯片(如AD系列、TI系列)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。在工程实践中,往往要求对信号处理要有高速性、实时性和灵活性,而已有的一些软件和硬件实现方式则难以同时达到这几方面的要求。随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展,使用FPGA来实现数字信号处理,既具有实时性,又兼顾了一定的灵活性。FPGA具有的灵活的可编程逻辑可以方便的实现高速数字信号处理,突破了并行处理、流水级数的限制,有效地利用了片上资源,加上反复的可编程能力,越来越受到国内外从事数字信号处理的研究者所青睐。 FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用,属于数字信号处理的基本模块之一。本论文对基于FPGA的FIR数字滤波器实现进行了研究,所做的主要工作如下： 1.介绍了FIR数字滤波器的基本理论和FPGA的基本概况,以及FPGA设计流程、设计指导原则和常用的设计指导思想与技巧。 2.以FIR数字滤波器的基本理论为依据,使用分布式算法为滤波器的硬件实现算法,并对其进行了详细的讨论。针对分布式算法中查找表规模过大的缺点,采用优化分布式算法的多块查找表方式使得硬件规模极大的减小。 3.设计出一个192阶的FIR滤波器实例。其系统要求为：定点16位输入、定点12位系数、定点16位输出,采样率为75MHz。设计用Quartus II软件进行仿真,并将其仿真结果与Matlab仿真结果进行对比分析。 仿真结果表明,本论文设计的滤波器硬件规模较小,采样率达到了75MHz。同时只要将查找表进行相应的改动,就能分别实现低通、高通、带通FIR滤波器,体现了设计的灵活性。
上传时间： 2013-06-06
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如今IC设计进入了SOC(System-on-chip)设计时代。SOC是指在单一芯片上集成了微控制器、数字信号处理器、存储器、I/O接口等，可以实现信号采集、转换、存储、处理等功能的芯片。SOC设计是基于IP可重用性的设计过程。现在已有不少公司成功地开发了各种SOC总线规范，以便于IP核的可复用性设计。其中，ARM公司开发的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Arehitecture)规范已经成为嵌入式应用的行业标准。嵌入式SOC芯片广泛应用于消费电子产品中，近年来随着彩屏手机、PDA等移动终端的普及，液晶电视等平板显示器件的推广，液晶显示器已经逐渐取代CRT成为主流的显示器件。LCD Driver IC作为液晶显示器的重要部件，需求量也日益增大。嵌入式液晶显示系统的设计是当今SOC设计中不可缺少的部分，而基于AMBA总线规范的LCD显示系统更是具备良好的性能和较大的潜力。 本文提出了一种基于AMBA总线规范的彩色TFT-LCD数字图像显示解决方案，硬件设计上包括APB存储接口模块、LCD控制模块，并用VHDL硬件描述语言进行了功能仿真，采用Mentor公司Modelsim5.8完成了系统功能验证；软件设计上完成了基于SAMSUNG公司S6D0110 TFT-LCD驱动芯片的测试程序的编写和系统测试。本设计不需要掌握TFT-LCD内部构造，复杂的内部驱动原理，只需要掌握AMBA总线规范和LCD的MPU并行接口时序，采用本课题设计出的LCD显示控制模块简单实用，便于推广应用。 本课题基于Xilinx公司的VirtexⅡ FF1152 PROTO开发平台完成了软件调试，实现了TFT-LCD图像显示。调试结果表明硬件和软件设计正确且取得了较为满意的结果。
上传时间： 2013-06-02
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随着频率合成理论和高速大规模集成电路的发展，信号发生器作为一类重要的仪器，在通信、检测、导航等领域有着广泛的应用。特别是在高压电力系统的检测领域，常常需要模拟电网谐波的标准信号源对检测设备的性能进行校验，例如高压电力线路的相位检测，避雷器的性能检测，用户电能表的性能校验等。为此，本文围绕一种新型的参数可调谐波信号发生器进行了研究和设计，课题得到了常州市科技攻关项目的资助。 本文首先论述了频率合成技术的发展，并将直接数字频率合成技术与传统的频率合成技术进行了比较。然后深入研究了DDS的工作原理和基本结构，从频域角度分析了理想参数和实际参数两种情况下DDS的输出频谱。在此基础上，详细分析了引起输出杂散的三个主要因素，并对DDS的杂散抑制方法进行了仿真研究。最后对参数可调谐波信号发生器进行了软硬件设计。 在系统设计的过程中，本文以Altera公司的FPGA芯片EPF10K70RC240-2为核心，利用开发工具MAX+PLUSⅡ并结合硬件描述语言VHDL设计了一种频率、相位、幅度、谐波比例可调的谐波信号发生器。详细阐述了该信号发生器的体系结构，并进行了软硬件的设计和具体电路的实现。实验结果表明，系统的性能指标均达到了设计要求，且具有使用简单、集成度高等特点。
上传时间： 2013-05-20
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波前处理机是自适应光学系统中实时信号处理和运算的核心，随着自适应光学系统得发展，波前传感器的采样频率越来越高，这就要求波前处理机必须有更强的数据处理能力以保证系统的实时性。在整个波前处理机的工作流程中，对CCD传来的实时图像数据进行实时处理是第一步，也是十分重要的一步。如果不能保证图像处理的实时性，那么后续的处理过程都无从谈起。因此，研制高性能的图像处理平台，对波前处理机性能的提高具有十分重要的意义。 论文介绍了本研究课题的背景以及国内外图像处理技术的应用和发展状况，接着介绍了传统的专用和通用图像处理系统的结构、特点和模型，并通过分析DSP芯片以及DSP系统的特点，提出了基于DSP和FPGA芯片的实时图像处理系统。该系统不同于传统基于PC机模式的图像处理系统，发挥了DSP和FPGA两者的优势，能更好地提高图像处理系统实时性能，同时也最大可能地降低成本。 论文根据图像处理系统的设计目的、应用需求确定了器件的选型。介绍了主要的器件，接着从系统架构、逻辑结构、硬件各功能模块组成等方面详细介绍了DSP+FPGA图像处理系统硬件设计，并分析了包括各种参数指标选择、连接方式在内的具体设计方法以及应该注意的问题。 论文在阐述传输线理论的基础上，在制作PCB电路板的过程中，针对高速电路设计中易出现的问题，详细分析了高速PCB设计中的信号完整性问题，包括反射、串扰等，说明了高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性问题及其解决方法，进行了一定的理论和技术探讨和研究。 论文还介绍了基于FPGA的逻辑设计，包括了图像采集模块的工作原理、设计方案和SDRAM控制器的设计，介绍了SDRAM的基本操作和工作时序，重点阐述系统中可编程器件内部模块化SDRAM控制器的设计及仿真结果。 论文最后描述了硬件系统的测试及调试流程，并给出了部分的调试结果。 该系统主要优点有：实时性、高速性。硬件设计的执行速度，在高速DSP和FPGA中实现信号处理算法程序，保证了系统实时性的实现；性价比高。自行研究设计的电路及硬件系统比较好的解决了高速实时图像处理的需求。
上传时间： 2013-04-24
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文章开篇提出了开发背景。认为现在所广泛应用的开关电源都是基于传统的分立元件组成的。它的特点是频率范围窄、电力小、功能少、器件多、成本较高、精度低，对不同的客户要求来“量身定做”不同的产品，同时几乎没有通用性和可移植性。在电子技术飞速发展的今天，这种传统的模拟开关电源已经很难跟上时代的发展步伐。 随着DSP、ASIC等电子器件的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。由于数字化，使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能，同时由于它的智能化、零件的共通化使得它能够灵活地应对不同客户的需求，这就降低了开发周期和成本。依靠现代数字化控制和数字信号处理新技术，数字化开关电源有着广阔的发展空间。 在数字化领域的今天，最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。近年来，数字电源的研究势头与日俱增，成果也越来越多。虽然目前中国制造的开关电源占了世界市场的80％以上，但都是传统的比较低端的模拟电源。高端市场上几乎没有我们份额。 本论文研究的主要内容是在传统开关电源模拟调节器的基础上，提出了一种新的数字化调节器方案，即基于DSP和FPGA的数字化PID调节器。论文对系统方案和电路进行了较为具体的设计，并通过测试取得了预期结果。测试证明该方案能够适合本行业时代发展的步伐，使系统电路更简单，精度更高，通用性更强。同时该方案也可用于相关领域。 本文首先分析了国内外开关电源发展的现状，以及研究数字化开关电源的意义。然后提出了数字化开关电源的总体设计框图和实现方案，并与传统的开关电源做了较为详细的比较。本论文的设计方案是采用DSP技术和FPGA技术来做数字化PID调节，通过数字化PID算法产生PWM波来控制斩波器，控制主回路。从而取代传统的模拟PID调节器，使电路更简单，精度更高，通用性更强。传统的模拟开关电源是将电流电压反馈信号做PID调节后--分立元器件构成，采用专用脉宽调制芯片实现PWM控制。电流反馈信号来自主回路的电流取样，电压反馈信号来自主回路的电压采样。再将这两个信号分别送至电流调节器和电压调节器的反相输入端，用来实现闭环控制。同时用来保证系统的稳定性及实现系统的过流过压保护、电流和电压值的显示。电压、电流的给定信号则由单片机或电位器提供。再次，文章对各个模块从理论和实际的上都做了仔细的分析和设计，并给出了具体的电路图，同时写出了软件流程图以及设计中应该注意的地方。整个系统由DSP板和ADC板组成。DSP板完成PWM生成、PID运算、环境开关量检测、环境开关量生成以及本地控制。ADC板主要完成前馈电压信号采集、负载电压信号采集、负载电流信号采集、以及对信号的一阶数字低通滤波。由于整个系统是闭环控制系统，要求采样速率相当高。本系统采用FPGA来控制ADC，这样就避免了高速采样占用系统资源的问题，减轻了DSP的负担。DSP可以将读到的ADC信号做PID调节，从而产生PWM波来控制逆变桥的开关速率，从而达到闭环控制的目的。 最后，对数字化开关电源和模拟开关电源做了对比测试，得出了预期结论。同时也提出了一些需要改进的地方，认为该方案在其他相关行业中可以广泛地应用。模拟控制电路因为使用许多零件而需要很大空间，这些零件的参数值还会随着使用时间、温度和其它环境条件的改变而变动并对系统稳定性和响应能力造成负面影响。数字电源则刚好相反，同时数字控制还能让硬件频繁重复使用、加快上市时间以及减少开发成本与风险。在当前对产品要求体积小、智能化、共通化、精度高和稳定度好等前提条件下，数字化开关电源有着广阔的发展空间。本系统来基本上达到了设计要求。能够满足较高精度的设计要求。但对于高精度数字化电源，系统还有值得改进的地方，比如改进主控器，提高参考电压的精度，提高采样器件的精度等，都可以提高系统的精度。 本系统涉及电子、通信和测控等技术领域，将数字PID算法与电力电子技术、通信技术等有机地结合了起来。本系统的设计方案不仅可以用在电源控制器上，只要是相关的领域都可以采用。
上传时间： 2013-06-21
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频率合成技术广泛应用于通信、航空航天、仪器仪表等领域。目前，常用的频率合成技术有直接式频率合成、锁相频率合成和直接数字频率合成(DDS)。DDS系统可以很方便地获得频率分辨率很精细且相位连续的信号，也可以通过改变相位字改变信号的相位，因此也广泛用于数字通信领域。 本论文是利用FPGA完成一个DDS系统。DDS是把一系列数字量形式的信号通过D/A转换形成模拟量形式的信号的合成技术。主要是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速D/A转换器产生已经用数字形式存入的正弦波(或其他任意波形)。一个典型的DDS系统应包括：相位累加器，可在时钟的控制下完成相位的累加(一般由ROM实现)；DA转换电路，将数字形式的幅度码转换成模拟信号。 本文根据设计指标，进行了DDS系统分析和设计，包括DDS系统框图的设计，相位控制字和频率控字的设计，以及软件和硬件设计，重点在于利用FPGA改进设计，包括控制系统(频率控制器和初始相位控制器)，寻址系统(相位累加器和数据存储器)，以及转换系统(D/A转换器和滤波器)的设计。介绍了利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现数控振荡器(DNO，即DDS)的原理、电路结构，重点介绍了DDS技术在FPGA中的实现方法，给出了采用ALTERA公司的FIEX1OK系列FPGA芯片EPF10K20TC144-4芯片进行直接数字频率合成的VHDL源程序。
上传时间： 2013-04-24
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现场可编程门阵列(FPGA)是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,它结合了微电子技术、电路技术和EDA(Electronics Design Automation)技术。随着它的广泛应用和快速发展,使设计电路的规模和集成度不断提高,同时也带来了电子系统设计方法和设计思想的不断推陈出新。 随着数字电子技术的发展,数字信号处理的理论和技术广泛的应用于通讯、语音处理、计算机和多媒体等领域。离散傅立叶变换(DFT)作为数字信号处理中的基本运算,发挥着重要作用。而快速傅里叶变换(FFT)算法的提出,使离散傅里叶变换的运算量减小了几个数量级,使得数字信号处理的实现变得更加容易。FFT已经成为现代数字信号处理的核心技术之一,因此对FFT算法及其实现方法的研究具有很强的理论和现实意义。 本文主要研究如何利用FPGA实现FFT算法,研制具有自主知识产权的FFT信号处理器。该设计采用高效基-16算法实现了一种4096点FFT复数浮点运算处理器,其蝶形处理单元的基-16运算核采用两级改进的基-4算法级联实现,仅用8个实数乘法器就可实现基-16蝶形单元所需的8次复数乘法运算,在保持处理速度的优势下,比传统的基-16算法节省了75％的乘法器逻辑资源。 在重点研究处理器蝶形单元设计的基础上,本文完成了整个FFT处理器电路的FPGA设计。首先基于对处理器功能和特点的分析,研究了FFT算法的选取和优化,并完成了处理器体系结构的设计；在此基础上,以提高处理器处理速度和减小硬件资源消耗为重点研究了具体的实现方案,完成了1.2万行RTL代码编程,并在XILINX公司提供的ISE 9.1i集成开发环境中实现了处理器各个模块的RTL设计：随后,以XILINX Spartan-3系列FPGA芯片xc3S1000为硬件平台,完成了整个FFT处理器的电路设计实现。 经过仿真验证,本文所设计的FFT处理器芯片运行速度达到了100MHz,占用的FPGA门数为552806,电路的信噪比可以达到50dB以上,达到了高速高性能的设计要求。
上传时间： 2013-04-24
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基于MATLAB 7.0的信号调制与解调分析
上传时间： 2013-07-21
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