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。

基于现场可编程逻辑门阵列的多优先级改进型载波感知多址协议在Ad Hoc网络中的实现和性能

Ad Hoc网络因为无需架设网络设施、抗毁性强等特点,常用于军事领域和一些极端自然环境中。媒体访问控制层的随机多址协议在Ad Hoc网络中有着重要的应用,而多址协议的时延和可靠性是制约Ad Hoc网络传输质量的关键性因素。针对这两个关键性因素,改进传统的随机多址接入控制协议,设计改进型三维概率载波感知多址(CSMA)协议模型,可保证在到达率较高情况下依然具有较好的吞吐量,并进一步改善协议可靠性。为不同的发送节点设定不同的优先级,实现区分服务,进而增强信道资源的有效利用。结果表明:与传统的1坚持CSMA协议比较,改进型三维概率CSMA协议减少了时延且吞吐量最大值增长24.34%;根据协议原理设计基于现场可编程逻辑门阵列的多优先级改进型三维概率CSMA协议的硬件系统,可以提高Ad Hoc网络传输的可靠性。

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。

磁控二氧化钛忆阻混沌系统及现场可编程逻辑门阵列硬件实现

忆阻器作为混沌系统的非线性部分,能够提高混沌系统的信号随机性和复杂度,减小系统的物理尺寸.本文将磁控二氧化钛忆阻器应用到一个新的三维自治混沌系统中,通过理论推导和数值仿真,从平衡点的稳定性、Lyapunov指数谱、庞加莱截面和功率谱等方面研究了该系统的动力学特性,并详细讨论了不同参数变化对系统相图和平衡点稳定性的影响.有趣的是,在改变参数的情况下,系统的吸引子会产生翻转、混沌程度加剧和混叠的现象,说明该忆阻混沌系统具有丰富的动力学行为.此外,本文将改进的牛顿迭代法运用于现场可编程逻辑门阵列技术中,巧妙设计出一种只迭代3次就能达到所需精度的开方运算器,从而硬件实现了该忆阻混沌系统.这突破了以往忆阻器混沌系统只能在计算机模拟平台仿真的瓶颈,为进一步研究忆阻混沌系统及其在保密通信、信息处理中的应用提供了参考.

稳态视觉诱发电位脑机接口的现场可编程逻辑门阵列实现

针对稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑机接口(BCI)系统对计算机性能要求较高的问题,提出一种以现场可编程门阵列(FPGA)和商用脑电采集设备为核心的SSVEP-BCI系统。该系统通过FPGA独立的显示模块,实现了视频图形矩阵(VGA)接口的控制;按照显示刷新帧的方式分配闪烁频率对应的范式图案,实现了诱发SSVEP信号所需范式的稳定显示。通过实验对所设计的VGA视觉刺激器光闪烁频率进行采集分析可知,视觉刺激器范式显示频率与所设计的频率基本一致,可用于SSVEP诱发实验。结合所设计的视觉刺激器,完成了基于FPGA的脑电信号处理和特征识别。设计方案使用串口将脑电信号传输到FPGA端,采用快速傅里叶变换分析频率成分,对视觉刺激器对应的频率进行分析比较,最终通过实验对系统进行验证。结果表明:设计的系统在4个刺激目标和单次实验时长2 s的情况下,实现了平均85.25%的识别正确率,表明系统能够实现SSVEP信号的诱发和有效识别,并且能够达到较好的效果。

基于现场可编程逻辑门阵列的超声波管道测厚

根据超声波基本原理以及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术设计了超声波测厚仪及超声波轮式探头,并且实现了基于FPGA的信号处理的软件编程。对管径φ139.7mm,标称壁厚h 7.72mm的标准样管的测量实验结果表明:本文所设计的系统可靠性好,抗干扰能力强,测量精度高,测量误差小于0.1 mm。

基于现场可编程逻辑门阵列的磁控忆阻电路对称动力学行为分析

将含绝对值项的磁控忆阻器引入改进型蔡氏电路,构建新型磁控忆阻混沌电路,通过分岔图与Lyapunov指数谱创新性地观察到系统的对称分岔行为,揭示系统双参数平面内运动状态分布的对称性.同时,基于忆阻电路参数-初值平面的系统运动分布图,分析对称吸引域内系统的多稳态特性,相图的绘制进一步证明电路多稳态现象的存在性.此外,应用现场可编程逻辑门阵列完成电路实验,在数字示波器上捕捉实验结果,证明所构磁控忆阻电路的物理可实现性.

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。

基于现场可编程逻辑门阵列的STM32单片机自动下载通用串行总线的设计

通常对STM32单片机的烧录方式有在系统编程(in-system programming,ISP)与在电路编程(in-circuit programmer,ICP)两种方式,而两种方式都需要安装特定驱动与专业软件的电脑执行,这无疑对受环境限制无法使用电脑或没有一定专业知识的用户造成困扰。本项目利用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和STM32协同开发一款可下载固件的通用串行总线(universal serial bus,USB)。受FOTA技术(固件更新技术)的启发,该项目把从电脑端编译好的二进制文件或十六进制文件通过STM32 hal库生成的虚拟USB下载到作为闪存(Flash)的W25Q64芯片里,通过STM32与FPGA的通信,把数据从Flash里取出,通过串口发送给FPGA,把FPGA作为随机存储器(Access Memory,RAM)实现数据流速度可调节的输出。

基于现场可编程门阵列的新型可编程逻辑控制器在线调试技术

针对基于现场可编程门阵列(FPGA)的新型可编程逻辑控制器(FPGA based PLC)的在线监控问题,提出了泛化的基于FPGA技术对嵌入式片上系统(SoC)进行在线监控的方法。该方法设计了一个FPGA片上通信系统,系统内部固化基于UART的ModBus通信协议栈,通过串口与计算机上位机进行通信;采用双口RAM(DRAM)作为与监控对象间共享的数据缓存区,通过中断机制实现缓存数据的同步交换。性能分析结果表明,该方法将SoC处理监控通信的时间百分比降低至0.002%,确保了监控数据传送的实时性,且使SoC能够获得更佳控制性能。在Altera的cycloneⅡ系列芯片开发板上验证了方案的可行性。

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。