在特定的工业测控应用中对处理器的功耗有严格的要求,类似X86处理器芯片系列由于继承了原有8086的构架,功耗很大,不能满足要求。当前应用广泛的ARM系列处理器有低功耗、高处理器能力的优点,非常适合于此类应用。由于ARM处理器并没有对PC/104总线有支持,所以本设计使用CPLD可编程逻辑完成ARM本地总线与PC/104总线的转换。文章完成了以下工作: 1.介绍了工业控制计算机的发展情况和当前使用广泛的PC/104计算机,描述了嵌入式系统的发展历史和软硬件组成,分析了X86与ARM处理器构架的特点与优缺点; 2.从PC/104总线规范出发,对基于ARM处理器的PC/104工业控制嵌入式工控机进行了总体设计,软硬件选型部分对当前流行的软硬件系统进行了详细地描写,硬件处理器选用SAMSUNG公司的S3C2410,软件系统采用嵌入式Linux操作系统; 3.对系统硬件各个部分实现细节进行了描写,包括最小系统、CAN网络、以太网络和PC/104总线控制器;其中着重对PC/104总线控制器的实现方案进行了讨论,分析了ARM本地总线时序和PC/104总线时序,最后使用VHDL语言实现了了总线控制器逻辑; 4.移植了嵌入式Linux操作系统,Linux操作系统移植分为配置、编译和下载运行调试三个步骤;基于Linux操作系统编写了PC/104总线驱动,驱动完成映射PC/104地址到系统虚拟地址和中断绑定;编写了基于PC/104的CAN总线驱动,分析了驱动初始化、中断处理流程、数据缓冲区管理和文件操作接口,描写了驱动的编译和下载过程;最后给出了应用程序接口; 5.根据机车工业控制领域的具体要求,开发了实际系统,给出了系统主要参数指标;对系统的运算性能进行了测试,测试表明定点运算能力与X86相当,符合设计要求:系统通过铁标高低温测试和射频干扰测试,并进行了为期3个月的装车试运行,试运行过程中系统工作正常,完全能够满足设计要求。
上传时间: 2013-07-10
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大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路(ASIC),电子设计工程师用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路,从而大大缩短了产品上市时间,降低了开发成本.此外,可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态系统重构的特性,使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改,这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性.该设计完成了在一片可编程逻辑器件上开发简易计算机的设计任务,将单片机与单片机外围电路集成化,能够输入指令、执行指令、输出结果,具有在电子系统中应用的普遍意义,另外,也可以用于计算机组成原理的教学试验.该文第一章简要介绍了可编程ASIC和EDA技术的历史、现状、未来并对本课题作了简要陈述.第二章在芯片设计的两种输入法即原理图输入法和HDL输入法之间做出比较,决定选用HDL输入法.第三章描述了具体的设计过程和设计手段,首先将简易计算机划分为运算器、CPU控制器、存储器、键盘接口和显示接口以及系统控制器,然后再往下分为下层子模块.输入法的语言使用的是Verilog HDL,鉴于篇幅所限,源代码部分不在论文之中.第四章对设计的综合与实现做了总结,给出了时序仿真波形图.该文针对FPGA和RISC这两大课题,对RISC在FPGA上的实现进行了初浅的探索与尝试.从计算机体系结构入手,剖析了精简指令集计算机的原理,通过该设计的实践对ASIC和EDA的设计潜力有了更进一步的领悟.
上传时间: 2013-05-21
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ASIC对产品成本和灵活性有一定的要求.基于MCU方式的ASIC具有较高的灵活性和较低的成本,然而抗干扰性和可靠性相对较低,运算速度也受到限制.常规ASIC的硬件具有速度优势和较高的可靠性及抗干扰能力,然而不是灵活性较差,就是成本较高.与传统硬件(CHW)相比,具有一定可配置特性的场可编程门阵列(FPGA)的出现,使建立在可再配置硬件基础上的进化硬件(EHW)成为智能硬件电路设计的一种新方法.作为进化算法和可编程器件技术相结合的产物,可重构FPGA的研究属于EHW的研究范畴,是研究EHW的一种具体的实现方法.论文认为面向分类的专用类可重构FPGA(ASR-FPGA)的研究,可使可重构电路粒度划分的针对性更强、设计更易实现.论文研究的可重构FPGA的BCH通讯纠错码进化电路是一类ASR-FPGA电路的具体方法,具有一定的实用价值.论文所做的工作主要包括:(1)BCH编译码电路的设计——求取实验用BCH码的生成多项式和校验多项式及其相应的矩阵并构造实验用BCH码;(2)建立基于可重构FPGA的基核——构造具有可重构特性的硬件功能单元,以此作为可重构BCH码电路的设计基础;(3)构造实现可重构BCH纠错码电路的方法——建立可重构纠错码硬件电路算法并进行实验验证;(4)在可重构纠错码电路基础上,构造进化硬件控制功能块的结构,完成各进化RLA控制模块的验证和实现.课题是将可重构BCH码的编译码电路的实现作为一类ASR-FPGA的研究目标,主要成果是根据可编程逻辑电路的特点,选择一种可编程树的电路模型,并将它作为可重构FPGA电路的基核T;通过对循环BCH纠错码的构造原理和电路结构的研究,将基核模型扩展为能满足纠错码电路需要的纠错码基本功能单元T;以T作为再划分的基本单元,对FPGA进行"格式化",使T规则排列在FPGA上,通过对T的控制端的不同配置来实现纠错码的各个功能单元;在可重构基核的基础上提出了纠错码重构电路的嵌套式GA理论模型,将嵌套式GA的染色体串作为进化硬件描述语言,通过转换为相应的VHDL语言描述以实现硬件电路;采用RLA模型的有限状态机FSM方式实现了可重构纠错码电路的EHW的各个控制功能块.在实验方面,利用Xilinx FPGA开发系统中的VHDL语言和电路图相结合的设计方法建立了循环纠错码基核单元的可重构模型,进行循环纠错BCH码的电路和功能仿真,在Xilinx公司的Virtex600E芯片进行了FPGA实现.课题在研究模型上选取的是比较基本的BCH纠错码电路,立足于解决基于可重构FPGA核的设计的基本问题.课题的研究成果及其总结的一套ASR-FPGA进化硬件电路的设计方法对实际的进化硬件设计具有一定的实际指导意义,提出的基于专用类基核FPGA电路结构的研究方法为新型进化硬件的器件结构的设计也可提供一种借鉴.
上传时间: 2013-07-01
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可编程逻辑芯片特别是现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)芯片的快速发展,使得新的芯片能够根据具体应用动态地调整结构以获得更好的性能,这类芯片称为动态可重构FPGA芯片(Dynamically ReconfigurableFPGA,DRFPGA)。然而,使用这类芯片构建的可重构系统在实际应用前还有许多问题需要解决。一个基本的问题就是动态可重构FPGA芯片中的可重构功能单元(Reconfigurable Functional Unit,RFU)的模块布局问题和模块间的布线问题。 本文从基本的FPGA芯片结构和CAD算法谈起,介绍了可重构计算的概念,建立了可重构计算系统模型和动态可重构FPGA芯片模型,在此模型上提出一个基于划分和时延驱动的在线布局算法,和一个基于Pathfinder协商拥塞算法的布线算法,来解决动态可重构FPGA芯片的布局和布线问题。由硬件描述语言(Hardware Description Language,HDL)描述的电路首先被划分成有限数目的层,然后将这些电路层布局到芯片的每一层,同时确保关键路径的时延最小。实验结果表明,布局算法与传统的布局算法(或者文献[37]中的算法)相比,在时延上平均减少27%,在线长上平均减少34%(或者11%),在运行时间上平均减少42%(或者97%)。布线算法与传统的布线算法相比,能够将线长降低26%,将水平通道宽度降低27%,显示出较高的性能。
上传时间: 2013-05-24
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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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PWM(脉冲宽度调制)是一种利用数字信号来控制模拟电路的控制技术,广泛应用于电源、电机、伺服系统、通信系统、电子控制器、功率控制等电力电子设备。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛,也是变频技术的核心,同时在机床,液压位置控制系统等机械装置中也发挥着重要的作用。PWM技术已经成为控制领域的一个热点,因此研究PWM发生器对于基础理论的发展和技术的改进都有十分重要的意义。 论文研究的主要内容是用任意波形作为调制信号通过特定的方法来产生所需要的PWM波形,任意波形的合成和PWM波形的生成是两个主要任务。任意波形的合成是课题设计的一个难点,也是影响系统性能的关键因素之一。论文中波形合成采用直接数字频率合成(DDS)技术来实现。DDS技术以相位为地址,通过查找离散幅度数据进行波形合成,具有输出波形相位变化连续、分辨率高、频率转换速率快的优点,而且通过设置控制字可灵活方便地改变输出频率,是目前波形合成的主流方法。 实现PWM发生器的设计方法有多种。在综合比较了单片机、DSP、ARM等常用开发工具特点的基础上,本文提出了一种以可编程逻辑器件(PLD)为主体,单片机辅助配合的设计方法。随着计算机技术和微电了技术的迅速发展,可编程逻辑器件的集成度和容量越来越大,基于PLD的设计方法正逐步成为一种主流于段,是近些年来电子系统设计的一个热点。整个系统分为模拟波形产生、单片机控制电路、FPGA内部功能模块三大部分。FPGA部分的设计是以Altera公司的Quartus Ⅱ软件为开发平台,采用VHDL语言为主要输入手段来完成内部各功能模块的设计输入、编译、仿真等调试工作,目标载体选用性价比比较高的Altera公司的CycloneⅡ系列的器件;单片机控制电路主要负责控制字的设置和显示,波形数据的接受与发送;用MATLAB软件完成仟意波形的绘制和模拟任务。 论文共分五章,详细介绍了课题的背景、PWM发生器的发展和应用以及选题的目的和意义等,论述了系统设计方案的可行性,对外围电路和FPAG内部功能模块的设计方法进行了具体说明,并对仿真结果、系统的性能、存在的问题和改进方法等进行了分析和阐述。整个设计满足PWM发生器的任务和功能要求,设计方法可行。
上传时间: 2013-06-03
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基于AD9833的高精度可编程波形发生器系统设计:介绍一种基于AD9833的高精度可编程波形发生器系统解决方案,该系统具有可编程设置、波形频率和峰峰值等功能,从而解决DDS输出波形峰峰值不能直接
上传时间: 2013-04-24
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感应加热电源以其环保、节能等优点在工业生产中得到了广泛的应用,逆变控制电路是直接影响感应加热电源能否安全、高效运行的关键因素。目前的感应加热装置很多采用模拟电路控制,而模拟控制电路触点多,焊点多,系统可靠性低,对一些元件的工艺性要求高,电路中控制参数不容易进行修改,灵活性较差。近年来随着微处理机的发展,数字式控制精确,软件设计灵活,因而整个控制系统容易实现,在感应加热领域中运用数字式控制已是一个发展方向。 本文在模拟逆变控制系统的基础上,在可编程逻辑器件(FPGA)上进行了数字式并联逆变控制系统的研究。 首先,本文针对感应加热并联逆变控制的数字化进行了详细的研究。在参阅国内外相关文献的基础上,结合已有模拟并联逆变控制电路的工作原理,设计了全数字锁相环、它激转自激扫频启动模块等逆变控制功能模块,并对各个模块进行了相关的数学分析和功能仿真,结果证明可以达到预定的功能指标和设计要求。 然后,分析了感应加热电源的整体工作流程,针对模拟控制电路中控制参数不易进行修改、灵活性较差等问题,设计了数据采集、存储、显示等功能模块,有利于系统的调试,参数修改等实际操作。 最后,以模拟逆变控制策略为基础,分析了数字控制器的控制要求和策略。由硬件状态机实现数字控制器的设计,完成对整个逆变控制系统的整体控制操作。通过自上而下的总体设计,将各个部分组合起来,构成一个SOC系统。在FPGA集成软件中进行了各部分和整体的仿真验证,结果证明该设计可以完成逆变控制的各项需求和预定的人机交互操作。
上传时间: 2013-07-09
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目前,数字信号处理广泛应用于通信、雷达、声纳、语音与图像处理等领域,信号处理算法理论己趋于成熟,但其具体硬件实现方法却值得探讨。FPGA是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件,由于其具有高集成度、高速、可编程等优点,大大推动了数字系统设计的单片化、自动化,缩短了单片数字系统的设计周期、提高了设计的灵活性和可靠性,在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。本文对FPGA的数据采集与处理技术进行研究,基于FPGA在数据采样控制和信号处理方面的高性能和单片系统发展的新热点,把FPGA作为整个数据采集与处理系统的控制核心。主要研究内容如下: FPGA的单片系统研究。针对数据采集与处理,对FPGA进行选型,设计了基于FPGA的单片系统的结构。把整个控制系统分为三个部分:多通道采样控制模块,数据处理模块,存储控制模块。 多通道采样控制模块的设计。利用4片AD7506和一片AD7862对64路模拟量进行周期采样,分别设计了通道选择控制模块和A/D转换控制模块,并进行了仿真,完成了基于FPGA的多通道采样控制。 数据处理模块的设计。FFT算法在数字信号处理中占有重要的地位,因此本文研究了FFT的硬件实现结构,提出了用FPGA实现FFT的一种设计思想,给出了总体实现框图。分别设计了旋转因子复数乘法器,碟形运算单元,存储器,控制器,并分别进行了仿真。重点设计实现了FFT算法中的蝶形处理单元,采用了一种高效乘法器算法设计实现了蝶形处理单元中的旋转因子乘法器,从而提高了蝶形处理器的运算速度,降低了运算复杂度。理论分析和仿真结果表明,状态机控制器成功地对各个模块进行了有序、协调的控制。 存储控制模块的设计。利用闪存芯片K9K1G08UOA对采集处理后的数据进行存储,设计了FPGA与闪存的硬件连接,设计了存储控制模块。 本文对FFT算法的硬件实现进行了研究,结合单片系统的特点,把整个系统分为多通道采样控制模块,数据处理模块,存储控制模块进行设计和仿真。设计采用VHDL编写程序的源代码。仿真测试结果表明,此FPGA单片系统可完成对实时信号的高速采集与处理。
上传时间: 2013-07-06
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随着Internet的不断发展,人们希望日常生活中所用到的嵌入式设备都能够很方便地实现Intemet接入,这对嵌入式系统设计提出了新的挑战,要求低成本、多功能、高性能。这些是目前嵌入式系统设计的热点。 可编程逻辑器件FPGA在过去的几十年中取得了飞速发展,从最初的几千门到现在的几百万门,可靠性与集成度不断提高,而功耗和成本却在不断降低,具有很高的性价比。再加上开发周期短、对开发人员的要求相对较低的优点,因此被大量应用于嵌入式系统设计中。 本文是基于FPGA高性价比、可灵活配置的特点,也是当前流行的“微控制器+FPGA”的嵌入式系统设计方式,所以我们提出了基于FPGA的实现方案。本文通过在FPGA中硬件实现嵌入式TCP/IP协议(包括UDP、IP、ARP、TCP等网络协议)以及以太网MAC协议,并提供标准MII接口,通过外接PHY实现网络连接。最终成功地通过了验证。 基于FPGA的实现可以有效地降低成本,同时可以在其中集成其他功能模块,提高整个系统的集成度,减小PCB版图面积和布线复杂度,有利于提高系统可靠性。因此,本研究课题对嵌入式系统设计有很大的实用价值。
上传时间: 2013-07-08
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