基于现场可编程门阵列的水果识别系统设计

针对目前大多数水果识别系统实时性差和成本较高的问题,本文提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的水果识别系统。整体硬件设计包含图像采集、检测识别和显示模块。软件部分通过图像采集平台将水果图像存储至双倍数据率同步动态随机存储器(DDR3)控制模块,进行图像灰度化处理,并创造性地提出背景帧差法对水果图像进行分割。通过融合水果颜色和几何特征,实现对水果数量、颜色和种类的识别。整个水果识别系统在不同光照下对常见水果进行了测试。实验结果表明,水果平均识别准确率达到93.25%,识别速度约为16.67 ms,FPGA硬件资源消耗率仅占28.02%,可以满足实时性需求。

可编程门阵列WM-TDLAS气体检测系统设计及应用

本文基于可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)快速处理数字信号及多线程优势,结合波长调制可调谐半导体激光吸收光谱(WM-TDLAS)技术,研制可编程门阵列WM-TDLAS二氧化碳浓度检测系统。根据应用功能需求,利用FPGA芯片的逻辑门阵列可编程特性,设计了具备信号采集及调制、谐波解调功能的数字化锁相放大器(digital lock-in amplifier,DLIA)。为验证其性能进行谐波提取测试、Q值、抗噪声实验,结果表明目标频率提取线性度达99.99%,Q值可达45。在对不同信噪比信号进行谐波提取实验中,当信噪比为43 dB时,均值最大相对误差仅为0.91%。采用中心波长1572 nm分布式反馈激光器作为光源,覆盖选定的6360 cm−1处吸收线,密集多通气体吸收池有效光程14 m,开展了气体浓度检测实验。系统检测浓度与二次谐波幅值拟合线性度为99.982%,通过提升扫描波长频率,系统可在0.1 s获取浓度值。艾伦(Allan)方差结果表明,当积分时间为44 s时,系统的检测下限为1.86 ppm。实验结果表明,该可编程门阵列WM-TDLAS检测系统具有检测精度高、响应速度快、稳定性强和小型化的特点,可用于实际应用中浓度实时监测。

基于现场可编程门阵列的可重构手势交互教学机器人设计

针对传统教学机器人可重构性差、系统综合应用性不足、人机交互功能简单等缺点,本文设计开发一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的可重构动静态手势交互教学机器人。该机器人以Xilinx的Spartan6为控制器,通过OV5640摄像头对手势图像信息进行识别传输,利用I2C总线与FPGA控制芯片进行通信,利用WiFi模块进行数据传输,从而对机器人进行相应的手势指令控制,实现人机手势交互、机械臂抓物、自动循迹、超声避障、运动除障、语音播报等多种功能。同时,该手势控制机器人对测试者的数字手势和动作手势识别正确率达95.1%,实时识别响应时间小于0.5s。本文设计的基于FPGA的可重构动静态手势交互教学机器人可应用于FPGA系统设计等研究类课程教学中,具有推广价值。

基于现场可编程门阵列的质谱信号滤波器的设计与应用

低通滤波法是四极杆质谱仪信号去噪的常见方法,为了提高滤波器性能,引入一维离散平稳小波进行阈值法滤波,其不仅能够几乎完全抑制噪声,而且可以很好地保留原始信号的特征尖峰点,缩短与成熟商业化产品差距。同时针对四极杆质谱控制系统运算能力不足的问题,本研究提出了基于Zynq芯片的应用方案,大大降低了仪器得到高信噪比(Signal-To-Noise,SNR)和低均方误差(Mean-Square-Error,MSE)质谱数据的时间。基于本团队研制的四极杆质谱仪,测试使用赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)公司的调谐液样品。结果显示,小波变换法噪声衰减25 dB以上,对比240阶低通滤波法MSE整体降低20%以上,有效部分降低8%以上,并且通过可配置现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)处理,使有效信号相较低通滤波法下降15%以上,同时处理延迟小于1μs。为优化质谱数据降噪和控制系统集成化提供了设计参考。

基于国产可编程逻辑门阵列的近钻头随钻测量系统设计

在地质勘探、煤矿开采、石油钻井以及地热资源开发中,近钻头随钻测量在实时探测工具姿态等工程参数和地层的地质参数、实施导向钻井中发挥着重要的作用。本文介绍了随钻测量系统的工作原理,重点描述了姿态角的物理模型以及解算方法;同时,基于国产化耐高温的可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片、三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器,进行了近钻头随钻测量系统的设计。测试实验结果表明,系统性能指标可满足实际工程应用。

基于现场可编程门阵列的多路PWM波形发生器

研制了基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的多路PWM脉冲发生器。该脉冲发生器通过接口单元接收DSP写入的PWM脉冲宽度数据,然后产生PWM波形,其工作不受DSP影响。同时介绍了脉冲发生器的基本原理、硬件构成和实现方法。该PWM发生器既简化了电路的设计,提高了系统的可靠性,又可保证逆变器功率元件触发的同步。

基于现场可编程门阵列战术数据链中自适应轮询接入控制协议的设计与实现

在战术数据链系统中,战术单元随时都有可能被摧毁而引起网络拓扑结构动态变化,导致系统服务效率降低。为了解决这一问题,基于动态调整轮询顺序的思想,提出一种自适应轮询接入控制协议(APACP)。采用概率母函数的方法和嵌入式马尔可夫链理论对系统进行建模,得到系统平均排队队长和平均轮询周期的解析解;利用数学软件MATLAB和现场可编程门阵列仿真验证协议的正确性。仿真结果表明,APACP能够根据战术数据链网络拓扑结构的动态变化自动调整轮询顺序,明显降低系统平均排队队长和平均轮询周期,克服传统轮询接入控制协议中空轮询的问题,节约了服务时间,提高了服务效率,改善了系统性能。

基于现场可编程门阵列的高速光纤通信的实现

介绍了一种在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台上实现光纤通讯的方法.利用Xil-inx的EDK(Embedded Development Kit)开发包和Virtex-II Pro内部包含的Power PC硬核搭建起内部系统,然后利用Aurora IP核、高速串行收发器Rocket IO和SFP光模块实现高速串行光纤通信,并通过OPB-PCI桥实现系统和主机之间的数据传送.结果表明,这种实现方法简单、快捷、可靠,并且可以方便地实现数据的片上处理,具有很强的灵活性和可扩展能力,作为高速通信和数据处理的片上系统平台有良好的应用前景.

静态随机访问存储器型现场可编程门阵列辐照效应测试系统研制

在调研静态随机访问存储器型现场可编程门阵列(FPGA)器件空间辐照效应失效机理的基础上,详细论述FPGA辐照效应测试系统内部存储器测试、功能测试及功耗测试的实现原理,给出了系统的软硬件实现方法。所建立的系统可以测试FPGA器件的配置存储器翻转截面、块存储器翻转截面、功能失效截面、闭锁截面等多个参数,其长线传输距离达到50 m以上,最大可测门数达到了100万门,为FPGA辐照效应研究提供了测试平台。

基于现场可编程门阵列的高压脉冲电场设备控制器研制

为更加快速稳定有效地控制高压脉冲电场设备,提高设备的稳定性、可调性和易用性,研制了1套基于现场可编程门阵列（FPGA）的高压脉冲电场（PEF）设备控制器.控制器包括用于人机交互操作的工控计算机触摸屏终端、执行控制任务的FPGA控制器及其附属外围电路3部分.FPGA控制器采用Cyclone系列的高速处理芯片,附属电路包括触发信号电平转换、光电隔离部分以及电压电流反馈部分.控制器能够连续调节脉冲波形的频率、占空比,以及实现对于高压IGBT的触发和过流监控,控制脉冲电场的电压电流等功能.通过实验室测试证实,系统较好地实现了设计目标,研制出频率（10～104 Hz）、占空比（2～10μs）、电压（0～35kV）均可连续实时调节的高压脉冲电场发生器,同时其具有很强的扩展能力,能够配合新型脉冲发生器使用.

基于现场可编程门阵列的加速器同步控制器设计

针对加速器驱动次临界系统(ADS)注入器Ⅱ的控制中对于同步触发信号的要求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高精度同步控制器,它能为加速器设备提供同步工作所需的脉冲信号。控制器采用粗延时结合精延时的方式,FPGA实现粗延时,专用延时芯片实现精延时,提高了延时精度,同时增大了延时、脉宽及周期的调节范围。测试结果表明,该控制器输出脉冲的最小延时步距为0.25ns,延时、脉宽及周期调节范围为1μs^2s,周期抖动的标准偏差为70ps。该控制器输出信号满足要求,程序界面操作简便,通过串口RS-422远程控制稳定可靠。

基于现场可编程门阵列的分布式发电系统实时仿真相关问题研究

分布式发电系统在用户侧的大规模广泛接入对配电网的运行、控制与保护带来了革命性的影响与挑战,其暂态仿真和实时仿真的重要性日益凸显,其中实时仿真可借助现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)强大的硬件计算能力。提出并实现了基于FPGA的电气和控制系统异步通讯数据交互方法,缩短了实时仿真的计算步长;在交流源模块中,实现了基于FPGA的数值计算插值方法,在不增加较多计算资源的同时放宽了实时仿真的步长选择。通过搭建光蓄混合发电系统算例对实时仿真器进行验证,电气和控制系统的仿真步长分别为1.096?s以及1.696?s,通过与PSCAD/EMTDC的仿真结果比较,验证了设计方法的计算精度。

基于现场可编程门阵列的电能质量监测系统设计

提出了基于现场可编程门阵列(FPGA)的电能质量监测系统的设计方案。系统以FPGA为核心处理芯片,配以少量外围器件即可实现电压﹑电流﹑功率﹑频率等常规量监测,稳态谐波分析和电压上凸、下凹捕捉等功能,而且可以与上位机通信。与使用单片机进行电能质量监测相比,具有可靠性高、通用性好、成本低等优点。对设计进行了整体编译、综合与优化,将得到的配置数据下载到FPGA中,通过SignalTapⅡ逻辑分析仪对设计进行了验证。在实验室条件下,对频率、有效值和功率的监测结果表明,该监测系统能够满足电能质量监测的要求。

基于现场可编程门阵列的CCD相机自动调光

针对CCD相机在一些特殊场合成像时遇到的前后两帧图像场景不一致、应用环境多样性等问题,提出了一种基于图像直方图统计和分块均值的自动调光算法。该算法首先分析一帧图像的亮度分布,并计算出下一帧图像的最佳均值。然后根据该均值调整下一帧图像的曝光量,使其合理曝光。实验结果表明,利用此方法可以获得整体亮度合适的图像。在统计直方图后,计算最佳均值只需利用到直方图和几个均值,与图像本身的大小没有关系,所以计算量非常小;在像素时钟为60MHz时,每次计算时间为6μs。另外,此方法具备较好的场景适应能力,满足场景时刻变化时CCD相机自动调光以及实时性的要求。

基于现场可编程门阵列的束流快引出控制系统设计

为实现兰州重离子冷却储存环主环束流的快引出,采用一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的引出控制系统。在FPGA单元设计中,采用数字倍频技术来实现对Kicker磁铁在1个高频周期内充放电时间的精度控制。经测试,该控制系统对存储环中运行束流位置的跟踪可调节时间步长为5 ns。当高频频率为1.4 MHz时,在0～360°范围内可实现约2.5°相位精度的Kicker触发。

一种现场可编程门阵列门延时精确调整时序的方法

通过FPGA(现场可编程门阵列)时序模型分析得出FPGA门延时的方案,综合利用FPGA各种布局布线EDA工具,摸索出一套人工干预FPGA布局布线的方法,使FPGA门延时能够有效地用于时序调整,调整精度可达到纳秒级。该方法具有不增加任何额外器件,成本低、高效方便的特点。

基于现场可编程门阵列永磁同步电机模型的硬件在环实时仿真测试技术

为实现电机控制器的性能测试、设计验证及优化,提出基于现场可编程门阵列(FPGA)永磁同步电机(PMSM)驱动系统模型的硬件在环(HIL)实时仿真测试技术。在FPGA中建立起PMSM及逆变器的实时仿真模型,将其连接真实的数字信号处理器(DSP),实现HIL的半实物实时仿真测试。实时仿真模型在FPGA板卡上以50MHz速度运行,累计延迟(响应时间)4.14μs。将HIL平台(真实控制器和FPGA实时仿真模型)与全实物的通用平台(真实控制器、逆变器和PMSM)进行了试验比较,稳态电流幅值相差1.45%,验证了HIL平台的有效性和准确性。

基于现场可编程门阵列单探测器复合轴控制技术

为了解决空间激光通信系统中单探测器复合轴结构的粗精解耦难题,通过分析二维关联控制矩阵,得出粗精跟踪解耦的必要条件,提出了一种单探测器复合轴结构的工作方式.在跟踪过程中,相机直接配合子轴执行器完成精跟踪工作,而主轴的跟踪信息由子轴的角度偏转器来提供,同时所有的图像处理算法、位置检测算法、以及粗精伺服控制算法都在现场可编程门阵列中实现,完成了系统的轻小型化设计.实验搭建了测试系统,并对现场可编程门阵列硬件和系统跟踪性能进行测试,结果表明单探测器复合控制系统可以实现跟踪准确度优于3μrad,为工程化奠定了良好的基础.

基于龙格库塔算法和可编程门阵列技术的混沌系统实现

提出了使用硬件描述语言(HDL)在现场可编程逻辑门阵列器件(FPGA)上实现二阶龙格库塔法产生混沌信号的一种新方法.首先,根据二阶龙格库塔算法分解求解连续混沌系统,得到一个迭代求解过程;其次,使用HDL描述状态机实现该迭代过程,输出数字混沌序列;最后,将数字混沌序列输出至高速数模转换器(DAC),可观察到模拟混沌信号.给出了网格状多卷波混沌系统和经典Lorenz系统上的具体实现步骤和相应结果.结果表明,此方法具有一定的普适性,可用于其它混沌系统的混沌信号产生,且消耗FPGA资源不多,具有很强实用性.

实时识别数字和英文字母快速算法的现场可编程门阵列设计

在分析阿拉伯数字以及大写英文字母的形状特征后,提出了一种适于现场可编程门阵列(FPGA)实现的图像实时识别算法.该算法能够充分描述数字和字母图像的特征向量,然后经过预处理和定位后提取出各特征向量,最后计算出各特征向量间的距离并比较大小就能对图像进行实时识别.算法对图像平移和小角度旋转具有不变性,并且具有简单、识别准确率高、计算复杂度低、存储量小的优点.FPGA仿真结果表明,该算法只需要8 000逻辑门就能实时识别出50×75像素大小的数字和字母图像,证明了算法具有较高的可行性和高效性.