基于FPGA的MobileNetV1目标检测加速器设计

卷积神经网络是目标检测中的常用算法,但由于卷积神经网络参数量和计算量巨大导致检测速度慢、功耗高,且难以部署到硬件平台,故文中提出一种采用CPU与FPGA融合结构实现MobileNetV1目标检测加速的应用方法。首先,通过设置宽度超参数和分辨率超参数以及网络参数定点化来减少网络模型的参数量和计算量;其次,对卷积层和批量归一化层进行融合,减少网络复杂性,提升网络计算速度;然后,设计一种八通道核间并行卷积计算引擎,每个通道利用行缓存乘法和加法树结构实现卷积运算;最后,利用FPGA并行计算和流水线结构,通过对此八通道卷积计算引擎合理的复用完成三种不同类型的卷积计算,减少硬件资源使用量、降低功耗。实验结果表明,该设计可以对MobileNetV1目标检测进行硬件加速,帧率可达56.7 f/s,功耗仅为0.603 W。

基于高速串行总线的DSP+FPGA架构图像处理系统设计

采用高性能DSP+FPGA架构可满足嵌入式图像处理系统对大数据量、复杂算法的实时处理需求,传统的DSP+FPGA架构使用并行外部存储器接口作为数据传输接口,走线条数较多,布线难度大,故障点多。采用高速串行总线可解决以上问题,本文提出一种基于高速串行总线的DSP+FPGA架构图像处理系统,采用PCIe总线作为DSP与FPGA之间的图像数据传输通道,SRIO总线作为DSP与DSP之间的数据传输通道,SGMII总线作为DSP与PHY芯片的数据传输通道。高速串行总线使得数据传输率更高,布线更容易,减小了电磁干扰,提高了抗干扰能力。本文设计的系统已在实际场所中部署并稳定运行,验证了设计的可行性和系统的可靠性。

基于三维超混沌映射的图像加密及其FPGA实现

随着信息技术的不断发展,确保信息安全已成为重要问题,而图像作为被广泛使用的多媒体工具,时常面临着泄露的风险,针对该问题提出一种基于三维超混沌映射的图像加密算法。该算法首先构造一个离散三维超混沌系统,此系统相较于传统的混沌系统拥有更好的混沌特性,所生成的序列具有更强的随机性。然后在此序列的基础上对图片进行置乱和扩散:在置乱阶段,通过混沌序列对原始图片的像素点进行索引排序,实现像素置乱;在扩散阶段,使用处理后的混沌序列对置乱图像的像素值进行分层异或,实现像素扩散。软件仿真和性能分析表明,该算法具有较高的安全性和较强的抗干扰能力,最后通过FPGA硬件平台完成图像加密。整个算法包括软件仿真和硬件实现两个部分,能够有效提升学生将理论和实践相结合的能力,增强学生对非线性理论的理解。

国产FPGA上通信基带发端算法设计和系统实现

该文针对国产FPGA上通信基带算法及相关信号处理算法IP核匮乏现状,设计了基于紫光Logos系列FPGA器件的通信基带发端算法;在紫光FPGA缺乏FIR IP核的情况下,经优化设计实现了仅用7个乘法器的60阶FIR成型滤波器;搭建收发测试环境对设计的发端系统进行了测试。测试结果表明,所设计的基于正交调制的发端基带算法和基带系统性能达到主流水平的技术指标要求,实现了首批通信算法和通信系统在国产FPGA器件上的应用。

基于DSP28335的FPGA软件在线升级方法

在DSP+FPGA架构的嵌入式系统中,一些产品不具备拆卸外壳通过JTAG接口进行软件升级的条件。针对这一问题,提出了一种基于TMS320F28335的FPGA软件在线升级方法。该方法通过上位机将FPGA代码发送给TMS320F28335,TMS320F28335通过GPIO模拟JTAG时序,完成对配置PROM芯片的擦除、编程和校验操作,重新上电后FPGA从配置PROM加载新程序。在理论分析的基础上,给出了所提方法的硬件原理图和软件实现流程。大量实验结果表明,该方法具有较好的可行性、稳定性和可靠性,可以实现DSP+FPGA架构下不拆产品就可升级FPGA软件的目的。

基于FPGA的小目标识别分类系统的设计与实现

为了提高小目标识别和分类的实时性,同时降低识别系统的资源消耗,本文提出了一种简易、高效的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)小目标识别分类系统。该系统首先通过图像预处理消除图像噪点,并采用并行计算提升系统实时性。然后将处理后的图像与模板进行匹配计算得到识别结果,设计的模板匹配电路具有较小的硬件复杂度和较快的处理速度。实验结果表明,本文所提出的识别系统在680×480图像分辨下,可达137.5帧/s的处理速度,实时性强,同时仅消耗了9个块随机存储器(Block Random Access Memory,BRAM)和2个数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP),硬件资源消耗较少,在处理小目标识别和分类问题上有较好的实用价值。

基于FPGA的自滑动同步法TFT-LCD屏TCON的实现

不同厂家、不同尺寸、不同分辨率的TFT-LCD屏与时序控制器TCON的接口不同,对应不同的差分信号格式。为了适应不同屏的图像显示,需要一种可编程的时序控制器TCON。通过在FPGA芯片上采用自滑动同步法,实现了TFT-LCD屏的TCON系统。该系统从视频处理主板输出的差分信号中提取视频数据,提出通过自滑动同步法使之与同步控制信号对齐;将提取的视频数据转换为源驱动器的输入信号,即mini-LVDS或RSDS格式的差分信号,同时产生门驱动器的时序信号;由源驱动器和门驱动器输出的信号驱动TFT-LCD屏显示图像信号。为了测试TCON的性能,使用两块FPGA电路板进行实验。一块FPGA电路板实现TCON时序控制器;另一块作为TCON的输入测试信号源,用于测试所设计的TCON性能。实验结果显示,所设计的TCON能够从LVDS视频差分数据中正确解析出视频数据,并转换为屏的源驱动器和门驱动器信号,驱动TFT-LCD屏显示视频信号。通过对比分析可知,使用自滑动同步法具有资源消耗少,功耗较低等优点。

基于学习共同体模式的FPGA技术课程教学改革

课题组针对高等教育大众化造成的过度教育和教学模式单一等问题,基于学习共同体模式,对FPGA技术课程的教学方法进行了研究与探索。课题组以学习者、知识、共同体为中心构建学习环境,探索出一种尊重学生的主体性、激发学生的创造性、开发学生的潜力、便于学生和他人交际与合作的崭新的教育方法和学习模式。

自适应滤波器的FPGA硬件实现

采用LMS算法和FIR框架结构,对一种基于FPGA硬件的自适应滤波器系统的实现方法展开探讨。系统采用自顶向下的模块化方案设计16阶自适应滤波器。顶层文件包含两个接口、FIR滤波、误差计量和抽头系数共5个模块。系统参数前期均由MATLAB仿真验证选取最优值。硬件测试平台选用以ZYNQ-7000系列芯片为核心的开发板。加噪正弦波信号经系统滤波处理后通过示波器观测,显示去噪效果良好,且通过逻辑分析仪抓取的结果与MATLAB理论仿真结果符合度较好。系统可以封装成一个自适应反复调用的功放IP核,适用于音频、图像、视频等信号滤波处理领域,具有一定的工程应用价值。

基于卷积神经网络的岩渣分类算法及其FPGA加速

全断面岩石掘进机在道路掘进过程中,刀盘挤压切削岩体容易产生刀盘磨损及损坏,从而造成经济损失,因此需要检测刀盘磨损的理论和技术来指导施工。岩渣是掘进过程的直接产物,携带丰富的信息,能够反映当前的施工状况,因此可以通过岩渣识别利用这些信息间接实现对刀盘的监测。提出了一种基于卷积神经网络的岩渣识别算法,在岩渣数据集上实现了96.5%的分类准确率。随后为了便于FPGA硬件部署,提出一种网络压缩方法,将网络规模压缩到原始网络的2.28%,同时分类准确率相比原网络仅下降了0.9%。最后使用OpenCL技术在Intel Arria 10 GX1150平台上实现了算法部署,达到了224.54 GOP/s的吞吐率以及11.23 GOP/s/W的能效比。

快速视频去雾改进算法的FPGA实现

内窥镜去雾算法在医疗领域具有广泛应用,为临床医生提供清晰、实时的图像。去雾技术虽然已经取得较大的进步,但去雾算法的复杂度较高,在内窥镜等复杂情况下硬件实现较为困难。为了在硬件上实现内窥镜实时去雾效果,对暗通道先验算法进行改进,降低硬件资源消耗和时间复杂度。该改进算法选择适合硬件的大气光照强度估计值、透射率补偿值以及采用流水线结构实现有雾图像的处理。采用Xilinx的ZYNQ7020实现该算法硬件电路,实时处理分辨率为640×480的视频图像,速度可达到260 fps,消耗LUT仅为1.28 K,寄存器619个单元。实验结果表明,相比于传统算法,改进算法具有处理速度快、功耗低、可移植性强的特点,满足内窥镜需要实时处理视频的要求。

基于FPGA的Edwards曲线标量乘法改进与实现

点加是Edwards曲线标量乘法的基本运算,当点加算法确定后,通过减少点加运算次数来提高标量乘法运算效率是一种有效的方法。首先,根据标量乘法在椭圆曲线公钥密码中的使用特点,将标量乘法分成固定点标量乘法、随机点标量乘法和多点标量乘法;其次,采用预计算和窗口法来减少标量乘法中的点加运算次数;最后,在复旦微的JFM7K325T的现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)中进行了实现和测试。结果表明,与原有实现方法相比,改进算法计算256比特固定点标量乘法速度提升了450%,计算随机点标量乘法速度提升了39%,计算多点标量乘法速度提升了66%。

基于FPGA的LVDS转以太网接口的测试工装

在应用风洞试验对某结构模型进行动态测试时,需要用数据记录仪对多次试验过程的状态信息进行存储记录以及回读分析。数据记录仪的接口为LVDS接口,为了方便在地面阶段用上位机对记录仪进行指令下发以及回读测试,设计了一款LVDS转以太网的测试工装。此装置采用FPGA作为主控芯片,以8B/10B编解码的方式对LVDS线路的信号进行传输稳定性处理,通过以太网接口与上位机进行通信。记录仪的数据经LVDS传输至FPGA中的RAM,采用双RAM缓存提高传输效率,随后将RAM中的数据封装为以太网UDP/IP帧格式,在UDP协议的基础之上通过双RAM交替缓存实现指令-数据的“握手”操作,并使用CRC校验以及数据重传的方式降低传输过程中的误码率,最后通过物理层芯片发送至上位机。经验证,LVDS+FPGA+以太网的数据传输是可行的,具有良好的稳定性和可靠性,可应用于实际工程。

基于FPGA的图像去雾算法优化设计

针对传统去雾算法的不足,且还需要满足去雾系统的实时性要求,提出了一种改进后去雾算法并结合FPGA进行设计。首先,采用高斯低通滤波器保留图像低频信息;其次,结合暗通道先验理论求取有雾图像的粗糙透射率图并对其进行双边滤波获取细化透射率图;最后,通过雾天成像模型进行计算得到去雾后的图像。同时,结合FPGA对改进后的算法进行优化设计。实验结果表明,改进后的去雾算法相较于其他去雾算法,对含有高亮区域图像的去雾效果有明显增强。在FPGA平台上进行视频图像去雾处理时,速度可以达到60 f/s,能够满足实时性要求。

一种基于FPGA的SVPWM硬件架构及其计算速度优化

为了提高七段式两电平SVPWM算法的调制速度并减少逻辑资源的使用量,提出了一种基于FPGA的SVPWM硬件架构。在该硬件架构输入参考电压后,首先,进行基于Clarke逆变换的坐标变换,通过一系列加法运算构建出含有三相占空比的3组中间变量,同时通过2个异或运算从上述硬件布线中得到简化后的2 bit扇区判断条件;然后,根据简化后的2 bit扇区判断条件从以上3组中间变量中筛选出三相占空比,并进行钳位保护,按照自然采样法输出PWM。以上过程形成一个整体,在FPGA中只需3次触发,便能在2个时钟周期内完成从参考电压输入到三相PWM输出的整个过程,有效提高了计算速度。此外,还给出了该硬件架构在不同的FPGA平台下的资源使用情况,与其他方法相比,LUT使用量由至少500个缩减至300个左右,逻辑资源使用量降低。通过仿真与实物试验,验证了所提硬件架构的有效性。

基于FPGA的LVDS总线控制器的设计与实现

为保证在高速、多负载条件下LVDS总线的运行状态和传输速率满足应用需求,基于FPGA设计LVDS总线控制器,协议上优化了LVDS的总线占用方式、信号传输逻辑,并在物理层优化了总线结构以及节点接口。为防止低压差分信号失真以及接口失锁问题,采取信号编码和失锁预防措施,保证信号的稳定,增强总线的可靠性。经验证,该方案可提高总线带负载能力,保持高速率下的可靠传输。

竞赛驱动的“FPGA系统设计技术”课程改革与实践

在新一轮科技革命与产业变革的引领下,高等工程教育应着重培养德才兼备的卓越工程科技人才。针对广东工业大学“FPGA系统设计技术”课程在培养学生解决复杂工程问题及塑造理想信念价值方面与产业发展人才需求存在的差距,提出以学生为中心、以项目为导向、以竞赛为驱动,科教融合发展的创新改革方法,深入探索实践类课程“三位一体”的新工科人才培养模式。

改进四帧差分运动目标检测算法的FPGA实现

针对传统的帧间差分运动目标检测算法易出现虚假边缘及边缘缺失等现象,设计了一种改进的四帧差分运动目标检测系统,将图像边缘信息与四帧差分算法相融合对运动目标进行检测,并在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台上构建了视频图像处理系统。该系统主要由图像采集模块、图像缓存模块、图像处理模块和图像显示模块4个部分组成。通过OV5640摄像头采集1 024×768分辨率的图像数据,将采集的图像数据存入DDR3中,并采用改进的四帧差分算法对运动目标进行检测与标记,最终传输至高清多媒体接口(High-Definition Multimedia Interface,HDMI)外接显示器实时输出结果。实验结果表明,该系统可以准确检测出摄像头采集的视频源中的多个运动目标,并满足实时检测要求。

基于FPGA的单光子时间数字转换器设计

针对单光子计数器对高速飞行光子时间测量的高分辨率要求,传统的TDC在时间测量上存在误差较大的不足。本文设计了一种利用FPGA内部逻辑延迟单元Carry4级联构建延迟链的TDC。该方法首先使用子链平均的方式进行数据采样,避免数据“气泡”。其次,结合码密度测试和bin-by-bin校准将各级延迟单元宽度校准至接近均匀宽度,提高系统的测量精度。最后,通过Vivado软件仿真并烧录至ZYNQ7000进行板级测试,实验结果表明,该TDC能够在3 ns的动态时间范围内实现时间分辨率10.91 ps,差分非线性(DNL)范围为[-0.75,1.01]LSB,积分非线性(INL)范围为[-1.74,2.19]LSB。

基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真研究

对新能源低压直流配电系统开展暂态实时仿真研究对优化其运行控制具有重要作用。由于现场可编程门阵列(FPGA)内部集成了大量具有不同功能的电路,FPGA正成为电力系统暂态实时仿真领域主要的计算载体之一。该文面向新能源低压直流配电系统的暂态实时仿真需求,开发了一种基于FPGA的包含小型分布式风力发电、光伏发电以及蓄电池储能单元的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器。首先,研究构建了分布式发电单元和典型控制回路的计算模块,利用FPGA的并行计算特性并结合“算法-结构-有效匹配(AAA)”理念建立了底层模块串并联混合求解结构;然后,在节点分析法的框架下,建立了一种结合矩阵LDU分解和有向无环图(DAG)的电气系统节点电导矩阵并行求解方法;最后,在建立电气系统与控制系统并行求解架构的基础上,开发了一种基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器,通过将其仿真结果与PSCAD/EMTDC离线仿真平台的计算结果进行对比,验证了所开发暂态实时仿真器的有效性和准确性。