电力电子装置的控制技术随着电力电子技术的发展而愈来愈复杂。开关电源是现代电力电子设备中不可或缺的组成部分，其质量的优劣以及体积的大小直接影响电子设备整体性能。高频化、小型化、数字化是开关电源的发展方向。 在应用数字技术进行控制系统设计时，数字控制器的性能决定了控制系统的整体性能。数字化电力电子设备中的控制部分多以MCU/DSP为核心，以软件实现离散域的运算及控制。在很多高频应用的场合，目前常用的控制器(高性能单片机或DSP)的速度往往不能完全满足要求。FPGA具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短等优点，与单片机和DSP相比，FPGA具有更高的处理速度。同时FPGA应用在数字化电力电子设备中，还可以大大简化控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。 依据FPGA的这些突出优点，本文将FPGA应用于直流开关电源控制器设计中，以实现开关电源数字化和高频化的要求。主要研究工作如下： 介绍了基于FPGA的DC/DC数字控制器中A/D采样控制、数字PI算法的实现；重点描述了采用混合PWM方法实现高分辨率、高精度数字PWM的设计方案，并对各模块进行了仿真测试；用FPGA开发板进行了一部分系统的仿真和实际结果的检测，验证了文中的分析结论，证实了可编程逻辑器件在直流开关电源控制器设计中的应用优势。
上传时间： 2013-07-23
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随着电子工业应用领域需求的增长，要实现复杂程度较高的数字电子系统，对数据处理能力提出越来越高的要求。定点运算已经很难满足高性能数字系统的需要，而浮点数相对于定点数，具有表述范围宽，有效精度高等优点，在航空航天、遥感、机器人技术以及涉及指数运算和信号处理等领域有着广泛的应用。对浮点运算的要求主要体现在两个方面：一是速度，即如何快速有效的完成浮点运算；二是精度，即浮点运算能够提供多少位的有效数字。 计算机性价比的提高以及可编程逻辑器件的出现，对传统的数字电子系统设计方法进行了变革。FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)让设计师通过设计芯片来实现电子系统的功能，将传统的固件选用及电路板设计工作放在芯片设计中进行。FPGA可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度，如运算器、数字滤波器、二维卷积器等具有复杂算法的逻辑单元和信号处理单元的逻辑设计领域。 鉴于FPGA技术的特点和浮点运算的广泛应用，本文基于FPGA将浮点运算结合实际应用设计一个触摸式浮点计算器，主要目的是通过VHDL语言编程来实现浮点数的加减、乘除和开方等基本运算功能。 (1)给出系统的整体框架设计和各模块的实现，包括芯片的选择、各模块之间的时序以及控制、每个运算模块详细的工作原理和算法设计流程； (2)通过VHDL语言编程来实现浮点数的加减、乘除和开方等基本运算功能； (3)在Xilinx ISE环境下，对系统的主要模块进行开发设计及功能仿真，验证了基于FPGA的浮点运算。
上传时间： 2013-04-24
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数字图像处理技术是信息科学中近几十年来发展最为迅速的学科之一。目前，数字图像处理技术被广泛应用于航空航天、通信、医学及工业生产等领域中。数字图像处理的特点是处理的数据量大，处理非常耗时，本文研究了在FPGA上用硬件描述语言实现图像处理算法，通过功能模块的硬件化，解决了视频图像处理的速度问题。随着微电子技术的高速发展，FPGA为数字图像信号处理在算法、系统结构上带来了新的方法和思路。 本文设计的基于FPGA的图像处理系统，是一个具有视频图像采集、图像处理、图像显示功能的图像处理系统。该系统采用Altera公司FPGA芯片作为中央处理器，由视频解码模块、图像处理模块、视频编码模块组成。模拟视频信号由CCD传感器送入，经视频解码芯片SAA7113转换成数字视频信号后，图像处理模块完成中值滤波和边缘检测这两种图像处理算法，视频编码芯片SAA7121将数字视频信号转换成模拟视频信号输出。 整个设计及各个模块都在Altera公司的开发环境QuartusⅡ以及第三方仿真软件Modelsim上进行了仿真及逻辑综合。仿真结果表明，使用FPGA硬件处理图像数据不仅能够获得良好的处理效果，处理速度也远远高于软件法处理的方法。
上传时间： 2013-04-24
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数字视频监控技术无论是在军事领域还是在民用领域，都有着重要的作用和广泛的应用市场及前景。迫切的军用和民用需求，推动着视频监控技术持续而迅猛的发展。为了提高监控视频的图像质量，使设备小型化，以便能满足各种条件下的适用场合，目前基于FPGA的数字视频侦察监控系统已成为一种主流的解决方案。 本文设计了一种可以在战场上使用的数字视频侦察监控系统。该系统配备了12路摄像头，当侦察车或者装甲车在向前进的时候，可以做到对周围的环境全方位的侦察监控，从而对判断战场的情况起到了巨大的作用。 本文首先介绍了数字视频监控技术的发展与现状，视频数据的产生以及接收特性和FPGA技术的基本概念，在此基础上研究了视频信号的组成方式、VGA、DVI显示接口以及显示器的工作原理，分析了采用FPGA实现整个系统的可能性。接着，在充分考虑了要求达到的标准以后，选用了视频解码芯片SAA7111A、视频编码芯片ADV7125、DVI发送芯片TFP410、CY7C1061AV33型SRAM以及EP2C35FBGA672型FPGA芯片应用于硬件电路设计。然后设计出电路原理图以及PCB版图。最后，根据系统工作要求，本文设计了FPGA系统中的片内逻辑模块，包括视频采集缓冲异步FIFO（先进先出）模块、I2C总线配置模块、视频帧存控制模块、VGA视频显示模块、DVI视频显示模块等。在此基础上完成了系统软硬件调试，最终成功的实现了12路摄像头的切换显示和对周围环境的全方位监控，达到了预定的设计目标。
上传时间： 2013-07-30
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互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术(即如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪)的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。因此，对GPS核心技术的研究是非常紧迫的。 本文首先介绍了GPS的定位原理，之后阐述了GPS接收机的基本原理一直接扩频通信和GPS信号的结构与特性。从这些方面出发研究接收机基带处理器的捕获与跟踪设计方案。 设计过程中，先详细分析了滑动相关的捕获算法和基于FFT的快速捕获算法，并利用matlab进行了验证。由于前者灵活性好且可捕获到高精度的码相位和载波频率，适合于本文的硬件接收机，所以本文确定了滑动相关的捕获方案。 接着分析了跟踪环路的特点，跟踪模块采用码跟踪环和载波跟踪环耦合的方法实现。由于GPS系统通常工作在非常低的信噪比环境中，而非相干环在低信噪比下环路跟踪性能较好，所以码跟踪环采用非相干(DDLL)环实现。这种跟踪环路采用的鉴相器是能量鉴相器，对数据的调制和载波相位都不敏感，鉴相器不会产生不确定量。由于输入信号存在180°相位翻转，而COSTAS锁相环允许数据调制，对I支路和Q支路信号的180°相位翻转不敏感，所以载波跟踪环采用COSTAS锁相环实现。上述算法在matlab环境下得到了验证。 基带处理器电路的主要模块在Quartus II8.0开发平台上利用VHDL硬件描述语言实现。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g进行了逻辑仿真。本设计满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 最后，由于在弱电磁环境下，捕获失锁后32PPS信号会丢失。所以设计了一个能授时和守时的算法去得到与GPS时同步的精确授时秒信号。并且实现了这个算法。
上传时间： 2013-04-24
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PID算法自从问世以来，一直受到广泛的关注。随着现代控制理论及智能控制技术的发展，PID算法也得到了长足的发展。结合传统的PID控制算法，针对特定的控制领域，出现了一些新的控制算法，模糊PID控制算法就是在此基础上渐渐形成并凸显其控制特色。 同时随着微电子技术的发展，现场可编程逻辑器件FPGA的发展及其EDA技术的日渐成熟，为集成控制芯片开拓了广阔的发展空间。FPGA的发展为基于硬件的算法模块的实现提供了可能性，同时节省了外围的电路，使算法模块的集成度大大提高。 本文针对当前国内外在算法研究方面的热点问题，对模糊PID算法进行了深入的分析和研究。通过对汽轮机调节系统的结构分析，对其进行了数学建模。采用某汽轮机的实际设计运行参数，利用Matlab仿真软件，对该汽轮机的数学模型进行了甩负荷动态特性仿真。仿真结果表明，模糊PID可以更好地解决汽轮发电机组在甩负荷过程中由于机组转子飞升量太大而导致危急保安装置动作，使得汽轮发电机组意外停机的问题，能够保证汽轮发电机组在意外甩负荷时机组正常的机械运转。根据模糊控制理论的特点及EDA技术和FPGA可编程逻辑器件的发展现状，提出了在FPGA上实现模糊PID算法的具体实现方案。在综合分析算法特性的基础上，选择Altera公司生产的CycloneⅡ系列中的EP2C35F672C6作为目标芯片，利用分层模块化设计思想，在Altera公司提供的QuartusⅡ开发环境中，利用原理图设计输入和VHDL设计输入相结合的方式实现了模糊PID控制算法，同时分别对实现的各个功能模块和整个算法模块进行了功能时序仿真。根据仿真结果分析，该设计实现了的模糊PID控制功能。 该控制算法模块的FPGA实现很好的避免了因CPU或者其它问题导致算法程序跑飞、程序死循环、复位不可靠等问题，提高了控制的可靠性。同时加强了模块的通用性，减少了系统硬件开发周期，节省了外围设备的电路，降低了设计开发成本。
上传时间： 2013-07-21
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现代的计算机追求的是更快的速度、更高的数据完整性和灵活性。无论从物理性能，还是从电气性能来看，现今的并行总线都已出现了某些局限，无法提供更高的数据传输率。而SATA以其传输速率快、支持热插拔、可靠的数据传输等特点，得到各行业越来越多的支持。 目前市场上的SATA IP CORE都是面向IC设计的，不利于在FPGA上集成，因此，本文在Xilinx公司的Virtex5系列FPGA上实现SATAⅡ协议，对SATA技术的推广、国内逻辑IP核的发展都有一定的意义。 本文将SATAⅡ协议的FPGA实现划分成物理层、链路层、传输层和应用层四个模块。提出了物理层串行收/发器设计以及物理链路初始化方案。分析了链路层模块结构，给出了作为SATAⅡ链路层核心的状态机的设计。为满足SATAⅡ协议3．0Gbps的速率，采用扩大数据处理位宽的方法，设计完成了链路层的16b/20b编码模块，同时为提高数据传输可靠性和信号的稳定性，分别实现了链路层CRC校验模块和并行扰码模块。在描述协议传输层的模块结构的基础上，给出了作为传输层核心的状态机的设计，并以DMA DATA OUT命令的操作为例介绍了FIS在传输层中的处理过程。完成了命令层协议状态机的设计，并实现了SATAⅡ新增功能NCQ技术，从而使得数据传输更加有效。最后为使本设计应用更加广泛，设计了基于AHB总线的用户接口。 本设计采用Verilog HDL语言对需要实现的电路进行描述，并使用Modelsim软件仿真。仿真结果表明，本文设计的逻辑电路可靠稳定，与SATAⅡ协议定义功能一致。
上传时间： 2013-06-16
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3D加速引擎是3D图形加速系统的重要组成部分，以往在软件平台上对3D引擎的研究，实现了复杂的渲染模型和渲染算法，但这些复杂算法与模型在FPGA上综合实现具有一定难度，针对FPGA的3D加速引擎设计及其平台实现需要进一步研究。 本文在研究3D加速引擎结构的基础上，实现了基于FPGA的图像处理平台，使用模块化的思想，利用IP核技术分析设计实现了3D加速管道及其他模块，并进行了仿真、验证、实现。 图像处理平台选用Virtex-Ⅳ FPGA为核心器件，并搭载了Hynix HY5DU573222F-25、AT91FR40162S、XCF32P VO48及其他组件。 为满足3D加速引擎的实现与验证，设计搭建的图像处理平台还实现了DDR-SDRAM控制器模块、VGA输出模块、总线控制器模块、命令解释模块、指令寄存器模块及控制寄存器模块。 3D加速引擎设计包含3D加速渲染管道、视角变换管道、基元读取、顶点FIFO、基元FIFO、写内存等模块。针对FPGA的特性，简化、设计、实现了光照管道、纹理管道、着色管道和Alpha融合管道。 最后使用Modelsim进行了仿真测试和图像处理平台上的验证，其结果表明3D加速引擎设计的大部分功能得到实现，结果令人满意。
上传时间： 2013-07-30
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卷积码是广泛应用于卫星通信、无线通信等多种通信系统的信道编码方式。Viterbi算法是卷积码的最大似然译码算法，该算法译码性能好、速度快，并且硬件实现结构比较简单，是最佳的卷积码译码算法。随着可编程逻辑技术的不断发展，使用FPGA实现Viterbi译码器的设计方法逐渐成为主流。不同通信系统所选用的卷积码不同，因此设计可重配置的Viterbi译码器，使其能够满足多种通信系统的应用需求，具有很重要的现实意义。 本文设计了基于FPGA的高速Viterbi译码器。在对Viterbi译码算法深入研究的基础上，重点研究了Viterbi译码器核心组成模块的电路实现算法。本设计中分支度量计算模块采用只计算可能的分支度量值的方法，节省了资源；加比选模块使用全并行结构保证处理速度；幸存路径管理模块使用3指针偶算法的流水线结构，大大提高了译码速度。在Xilinx ISE8.2i环境下，用VHDL硬件描述语言编写程序，实现(2，1，7)卷积码的Viterbi译码器。在(2，1，7)卷积码译码器基础上，扩展了Viterbi译码器的通用性，使其能够对不同的卷积码译码。译码器根据不同的工作模式，可以对(2，1，7)、(2，1，9)、(3，1，7)和(3，1，9)四种广泛运用的卷积码译码，并且可以修改译码深度等改变译码器性能的参数。 本文用Simulink搭建编译码系统的通信链路，生成测试Viterbi译码器所需的软判决输入。使用ModelSim SE6.0对各种模式的译码器进行全面仿真验证，Xilinx ISE8.2i时序分析报告表明译码器布局布线后最高译码速度可达200MHz。在FPGA和DSP组成的硬件平台上进一步测试译码器，译码器运行稳定可靠。最后，使用Simulink产生的数据对本文设计的Viterbi译码器的译码性能进行了分析，仿真结果表明，在同等条件下，本文设计的Viterbi译码器与Simulink中的Viterbi译码器模块的译码性能相当。
上传时间： 2013-06-24
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在现代电子系统中，数字化已经成为发展的必然趋势，接收机数字化是电子系统数字化中的一项重要内容，对数字化接收机的研究具有重要的意义。随着数字化理论和微电子技术的迅速发展，高速的中频数字化接收机的实现已经成为可能。本文研究了一种基于FPGA的软件无线电数字接收平台的设计，并着重研究了其中数字中频处理单元的设计和实现。FPGA器件具有设计灵活、开发周期短和开发成本低等优点，所以广泛应用于各种通信系统中。相比于传统的DSP串行结构，FPGA能够进行流水线性设计，对数据进行并行处理，所以FPGA在进行数据量大，要求实时处理的系统设计时有很大的优势。 本文首先首先分析了软件无线电当前的发展趋势及技术现状，针对存在的处理速度跟不上的DSP瓶颈问题，提出了中频软件无线电的FPGA实现方案。本文以FPGA实现为重点，在深入分析软件无线电相关理论的基础上，着重研究和完成了中频软件无线电数字接收平台两大模块的FPGA实现：数字下变频相关模块和数字调制解调模块。其中，在深入研究数字下变频实现结构的基础上，首先对数字下变频模块的数控振荡器(NCO)采用了直接频率合成技术(DDS)实现，其频率分辨率高，灵活，易于实现；高效抽取滤波器组由积分梳状滤波器(CIC)，半带滤波器(HB)，FIR滤波器组成。对积分梳状滤波器(CIC)本文采用了Hogenaur“剪除”理论对内部寄存器的位宽进行改进，极大地节约了资源，提高了运行速率。对FIR滤波器和半带滤波器采用了(DA)分布式算法，它的运行速度只与数据的宽度有关，只有加减法运算和二进制除法，既缩减了系统资源又大大节省了运算时间，实现了高效的实时处理。对数字调制解调模块，重点研究和完成了2ASK和2FSK的调制解调的FPGA实现，模块有很好的通用性，能方便地移植到其它的系统中。在文章的最后还对整个系统进行了Matlab仿真，验证了系统设计思想的正确性。在系统各个关键模块的设计过程中，都是先依据一定的设计指标进行verilog编程，然后再在Quartus软件中编译，时序仿真测试，并与Matlab仿真结果进行对比，验证设计的正确性。
上传时间： 2013-05-18
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