现场可编程门阵列——第五讲 FPGA实现嵌入式系统

IC技术讲座是本刊2005年推出的全新技术类栏目。为了让工程师在设计开发中完善和拓展基础理论与系统知识，丰富应用经验，《世界电子元器件》和中电网联合清华大学等知名院校共同创办了这个栏目，特约知名学者、教授以及著名半导体公司的应用工程师撰写，以系列讲座的方式对热点IC技术进行全面而系统的介绍，涵盖最新技术要点。最先开设的讲座将围绕三大课题：DSP、FPGA和嵌入式系统，每个课题都将连载6期。

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。

大规模现场可编程门阵列(FPGA)开发系统电源设计研究

以 Xilinx 的 FPGA 为例,介绍了 FPGA 开发系统的电源要求和功耗,并给出了采用线性低压降(LDO)稳压器,DC/DC 调整器,DC/DC 控制器和电源模块等几种电源解决方案。

现场可编程门阵列 第一讲 现场可编程门阵列FPGA概述

IC技术讲座是本刊2005年推出的全新技术类栏目。为了让工程师在设计开发中完善和拓展基础理论与系统知识,丰富应用经验,《世界电子元器件》和中电网联合清华大学等知名院校共同创办了这个栏目,特约知名学者、教授以及著名半导体公司的应用工程师撰写,以系列讲座的方式对热点IC技术进行全面而系统的介绍,涵盖最新技术要点。最先开设的讲座将围绕三大课题:DSP、FPGA和嵌入式系统,每个课题都将连载6期。

利用现场可编程门阵列FPGA开发专用实时图像处理系统芯片

本文介绍了一个实时图像处理系统中，利用ＦＰＧＡ开发专用算法模块的范例，使人们对ＦＰＧＡ的应用方法有一个较完整的认识。

现场可编程门阵列 第二讲 现场可编程门阵列(FPGA)设计

概述 随着器件规模、功能以及可靠性的不断提高,FPGA在现代数字系统中的应用日渐广泛.采用FPGA设计数字电路已经成为数字电路系统领域的主要设计方式之一.

现场可编程门阵列 第三讲 FPGA高级应用与开发工具

IC技术讲座是本刊2005年推出的全新技术类栏目。为了让工程师在设计开发中完善和拓展基础理论与系统知识,丰富应用经验,《世界电子元器件》和中电网联合清华大学等知名院校共同创办了这个栏目,特约知名学者、教授以及著名半导体公司的应用工程师撰写,以系列讲座的方式对热点IC技术进行全面而系统的介绍,涵盖最新技术要点。最先开设的讲座将围绕三大课题:DSP、FPGA和嵌入式系统,每个课题都将连载6期。

基于现场可编程门阵列的智能配电站安防巡检系统设计与实现

在我国电力系统中,配电站属于电力网络边缘节点,是电力系统中的重要环节。然而,人工巡检或一些传统硬件设备的数据采集手段,由于成本及效率等问题,已经无法匹配当下的安防巡检需求。针对此问题,本文提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的智能配电站安防巡检解决方案。首先利用YOLOv4-tiny网络实现安全帽佩戴检测、工作服着装检测、越界预警识别等功能,其准确率可达93.5%;其次针对配电站的应用场景,本文利用FPGA在边缘设备上实现实时检测的效果,并从并行展开及流水线等方面进行加速优化。实验结果表明,该系统可在ZCU102平台上实现每秒传输帧数为68的检测速度,整体平均性能达到228十亿次运算/秒。

基于现场可编程门阵列的SMS4故障检测实现

硬件实现的SMS4加密算法计算过程中容易出现故障,为防止攻击者利用故障信息进行故障攻击从而破解SMS4算法,提出一种针对SMS4算法的故障检测方案。该方案首先分析了硬件实现的SMS4算法出现故障的位置及其影响,然后在关键路径上建立了3个检测点,通过实时监测检测点来定位算法执行过程中出现的故障。一旦成功检测到故障,立即重新执行算法以保证攻击者难以获取有效的故障信息。将提出的方案和原无故障检测的算法分别在Xilinx公司的Virtex-7和Altera公司的Cyclone II EP2C35F76C6两个现场可编程门阵列(FPGA)上综合实现,在Virtex-7上,提出的带故障检测的方案比原算法占用逻辑资源增加30%,吞吐量相当;在EP2C35F76C6上比原算法增加0.1%的硬件资源,吞吐量达到原来的93%。实验结果表明,在尽量不影响吞吐量的前提下,提出的方案占用硬件资源小,并且可以有效地检测出故障,从而避免SMS4算法受到故障攻击。

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。

现场可编程门阵列FPGA芯片及其应用

在越来越多的设计和越来越多的市场中,我们都能看到FPGA的身影。随着它们被纳入越来越多的系统中,它们本身也在变得越来越复杂。十年之前,FPGA的主要市场是工业、医疗、汽车和航空航天。这些市场现在依然强劲,但FPGA也开始在人工智能、数据中心、物联网、网络通信、测试和测量仪器、无线和有线通信基础设施甚至核电站等地方发挥作用。FPGA供应商也有意进入大数据分析、机器学习、数据存储压缩/解压和视频处理等应用领域。而且尚处于早期阶段的嵌入式FPGA(eFPGA)市场也正变得越来越普及,因为对成本敏感的设计师对使用这项技术的信心正越来越足。

基于现场可编程门阵列的全固态高压ns脉冲发生器

为研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合Marx发生器原理和全固态开关技术,研制了一套基于现场可编程门阵列（FPGA）的多参数可调全固态高压ns脉冲发生器。该发生器主要包括高压直流电源、Marx电路、FPGA控制电路和负载4部分。Marx电路采用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为控制开关代替传统的火花间隙开关,用二极管代替电阻。FPGA产生多路同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后可作为MOSFET的原始控制信号,同步驱动多个MOSFET。FPGA控制电路控制充电电压和输出脉冲的宽度、频率,并具有保护功能。实验结果表明,该脉冲发生器可产生幅值（0～8kV）连续可调、脉宽（200～1 000ns）灵活可变、频率（1～1 000Hz）独立可控,前沿35ns的高压ns脉冲,为进一步探索ns脉冲电场生物医学效应奠定了基础。

一种基于现场可编程门阵列的数字存储组合式脉宽调制方案

对脉宽调制(PWM)的一种非对称规则采样原理进行研究,给出了宜于在线运算的简便算法,并在此基础上提出了一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的锁相同步型PWM调制器的数字化实现方法。该方法以FPGA及ROM作为可编程定时器,高开关频率基本固定,调制比与相位、频率可以分别独立控制,特别适用于PWM可逆整流器。由于整个系统是由一片FPGA来控制,节省了大量的模拟器件,简化了电路板的设计,提高了系统的灵活性、精确性和可靠性,而且利用FPGA的在线系统编程功能,使系统的升级换代十分方便。实验结果表明,该方法具有响应速度快、实时性强、可靠性高等特点。

基于现场可编程门阵列的稳定控制装置交流采样算法

根据基于离散傅立叶变换的修正算法,结合最新的现场可编程门阵列技术将该算法应用于稳定控制装置的交流采样计算,可以同时提高交流采样算法的速度和精度。FPGA并行计算的特性使得计算电气量的速度提高了数十倍,从而为稳定控制装置快速判断元件故障提供了充足时间。DFT修正算法的应用提高了电气量计算的精度和稳定控制装置的整体性能。实际系统的应用效果验证了该算法的有效性和可靠性。

基于CORDIC算法在现场可编程门阵列中正余弦运算的优化实现

针对变流器的控制器设计中正余弦运算过度占用控制芯片存储空间的问题,提出了一种改进的基于坐标旋转数字计算(CORDIC)算法在现场可编程门阵列(FPGA)中正余弦运算的优化实现方法。方法中将CORDIC算法的旋转角度由0~360°缩减为0~90°,取消了反正切查找表,大大降低了系统的迭代级数,并且通过将迭代缓存值的数据宽度拓宽一位,取消了原有方法中移位相加的溢出保护电路。Simulink仿真与现场可编程门阵列(FPGA)试验结果表明,方法不占用芯片存储资源,进一步降低了对芯片逻辑资源的占用,同时还提高了算法的运算速度,并具有较高的运算精度。

现场可编程门阵列取代专用接口芯片的总线

针对目前常用ARINC429总线需要采用429专用接口芯片加控制器,并且存在体积大,协议速率固定的缺陷,设计了现场可编程门阵列(FPGA)取代429专用接口芯片的ARINC429总线。该设计将ARINC429总线协议写入到FPGA中,省去了专用接口芯片,通过对软件的修改可实现自定义协议及速率的改变。仿真与实测结果表明,该设计方案原理正确,满足设计要求,可以灵活地应用于ARINC429总线设计中。

基于现场可编程门阵列同步心电心音采集系统的设计

背景:基于现场可编程门阵列的信号处理方法综合了软件算法和专用集成电路的优点,将逐步取代专用集成电路(ASIC)和单片机应用于数字信号处理领域。目的:介绍一种基于现场可编程门阵列的实时心电、心音同步采集系统设计,实现心电心音采集及其波形在LCD上实时显示,同时通过心音同步播放,提供一种观察心电心音和听诊相结合的诊断方式。方法:该系统采用内嵌软核的FPGA作为硬件系统的核心,应用硬件描述语言进行了结构化设计,完成对心电心音信号的实时采集、数据处理、数据传送和显示。结果与结论:与基于单片机的采集系统相比,不仅减少了外围电路复杂度,还提高了系统的集成度和性能。

基于现场可编程门阵列的差分四相相移键控调制解调算法设计

以软件无线电技术为基础,针对差分四相相移键控(DQPSK)调制解调系统设计了全新的算法,实现了现场可编程门阵列(FPGA)平台下的DQPSK全数字调制解调,并可通过软件编程进行电路升级.与传统DQPSK调制解调电路相比,不但缩减了印制电路板(PCB)的尺寸,而且可以在不改变电路的情况下升级调制解调算法,从而降低了硬件升级、算法调整的成本.以Intel的Quartus II软件作为验证平台,用Verilog HDL语言实现了各个模块功能的设计,采用ModelSim软件进行功能仿真,验证算法的正确性.系统运行频率达到132 MHz,达到了预期要求.

基于现场可编程逻辑门阵列的车牌识别系统设计

车牌识别技术在交通管理与执法中发挥了重要作用,但是车牌识别率的提高一直成为难题。本文尝试基于Cyclone集成板运用现场可编程逻辑门阵列技术(FPGA)建立FPGA的硬件开发平台,使用Verilog语言研制一个车牌快速识别系统,设计了其中图像二值化、图像定位、图像分割、字符识别等算法并实现,经测试动态识别率达到95%以上。

基于FPGA的高性能可编程数据平面研究综述

可编程数据平面(PDP)一方面支持网络应用的卸载与加速,给网络应用带来了革命性的发展机遇;另一方面支持新协议、新服务的快速实现和部署,促进了网络创新和演进,是近年来网络领域的研究热点.FPGA因其通用的计算架构、丰富的片内资源和扩展接口提供了多种可编程数据平面的具体实现,支持更广范围的应用场景.同时,FPGA还为探索更通用的可编程数据平面抽象提供了可能.因此,基于FPGA的可编程数据平面受到了学术界与产业界的广泛关注.首先分类别阐述基于FPGA的可编程数据平面(F-PDP)抽象.接着,介绍基于F-PDP快速构建网络应用的关键技术的研究进展.之后,介绍基于F-PDP的新型可编程网络设备.此外,从提升网络性能、构建网络测量框架以及部署网络安全应用这3个方面,详细梳理近年来基于F-PDP的应用研究成果.最后,探讨F-PDP未来可能的研究趋势.