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。

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.

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。

可编程逻辑门阵列下的TFT-LCD显示驱动设计

在我们的日常生活中,电子设备随处可见,视频显示系统已经出现在各大电子设备中,并得到广泛的应用。TFT-LCD显示驱动设计有着较高的分辨率,功耗较低,能够带动视频驱动系统的快速发展。采用可编程逻辑门阵列(FPGA)作为主要的视频控制系统,对系统进行二次开发,以简化系统的运行步骤。本文对TFT-LCD视频驱动的结构原理以及总体框架进行了深入的分析,分析了硬件和软件的设计方式,并完成了系统的测试。

用于下一代汽车专用集成电路(ASIC)的嵌入式现场可编程逻辑门阵列(eFPGA)

对于最近研究过新车的任何人来说,很难不注意到汽车电子产品的发展是多么的迅速。仅仅将三年前的汽车安全性技术与今天的技术进行对比,您就会发现摄像头数量已显著增加,以支持诸如全景可视、驾驶员注意力分散监测器、立体视觉摄像头、前向摄像头和多个后视摄像头等应用。除了摄像头,系统功能也增强了,包括自动紧急制动、车道偏离警告、后方盲点检测和交通标志识别等。

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。

基于现场可编程逻辑门阵列的新型混沌系统实现

构建了一个新的五维变形蔡氏系统,通过数值仿真,分析平衡点的稳定性、分岔图和Lyapunov指数谱,研究系统特有的基本非线性动力学行为,还分析了改变不同参数时系统动力学行为的变化.基于混沌系统的数值仿真分析以及数字化处理技术,将五维变形蔡氏系统状态方程进行离散化处理,并根据IEEE-754标准和模块化设计理念构建出实现混沌系统变量运算关系的基本模块,进一步利用现场可编程逻辑门阵列硬件平台实现了五维变形蔡氏系统的混沌吸引子.研究结果表明,新五维变形蔡氏系统具有新的混沌动力学行为,并通过硬件证实了新系统的存在性和物理上的可实现性.

基于现场可编程门阵列的硬件时钟同步方法

基于工业以太网的分布式系统为实现高精度的同步数据采集和控制,对时钟同步提出了较高的要求。对基于嵌入式软件的时钟同步方案中同步精度较低的原因进行分析,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件时钟同步方法。使用FPGA对IEEE1588协议进行解析,采用FPGA和硬件描述语言设计时间戳获取、晶振频率补偿和时钟同步算法等模块。对基于工业以太网的分布式系统进行了测试,结果表明系统达到了亚微秒级的精度。

一种大规模光开关阵列驱动控制电路设计方法

提出了一种大规模光开关阵列驱动控制电路的设计方法,创造性地使用FPGA控制数模转换器和高速开关实现了高电平、低电平可任意调节,通过方案整体设计、电路设计、软件设计相结合的方法,完整介绍了一种新型大规模光开关阵列驱动控制电路的设计原理。试验表明控制电路切换速度小于2 ns。

通用阵列逻辑GAL6001

门阵列是预先制好的硅阵列,一般包括几种最基本的逻辑单元,如与非门、触发器和各种缓冲器等。在这类“半成品”的芯片中,留有一定的连线区。设计者可以选取上述最基本的逻辑单元,确定连线方式,以购成所需要的功能芯片。生产厂家根据所设计的连线方式,对门阵列的连线区进行最后的布线,就可以获得所需的芯片。GAL是一种通用逻辑门阵列器件,一般采用E^2CMOS工艺,具有通用的结构,给系统设计者带来了许多方便,有利于缩小体积、提高保密性和降低系统总费用,因此受到整机和系统设计者的欢迎。

基于FPGA的两阶段配电网拓扑实时辨识算法

对配电网拓扑进行准确的实时辨识是电力系统安全稳定运行的基础,但随着新能源的接入以及配电网规模不断增大,配电网拓扑结构的动态变化愈加频繁且难以辨识。然而,现有配电网拓扑辨识算法所使用的历史数据需要人工对其进行拓扑标注,且拓扑辨识时间长,难以实现配电网拓扑实时辨识。因此,文中提出了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPAG)的两阶段配电网拓扑结构实时辨识算法。该算法不需要预先给出配电网拓扑类别的数量,即可对已有历史数据进行相应的拓扑标注及分类,并且基于FPGA实现了对配电网拓扑的实时辨别。该算法分为2个阶段:第1阶段采用变分贝叶斯高斯混合模型,对已有历史数据进行相应的拓扑标注及分类;第2阶段采用麻雀搜索算法,使得支持向量机快速收敛得到最优参数,以实现对配电网拓扑结构的精准辨识。基于该算法,利用FPGA并行架构以及高速高密度特性建立了实时拓扑结构辨识平台。最后,通过算例分析验证了所提辨识方法的有效性和优越性。

一种双三次插值实时超分辨率VLSI设计

视频超分辨率技术具有广阔的应用前景,但基于深度学习方法的算法复杂度过高,难以实现实时计算.因此,近年来研究者们开始探索基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的超分辨率算法加速器,以利用FPGA的优势来提高算法的性能和能耗,实现实时的视频超分辨率.设计了一种基于FPGA的高效高速双三次线性插值超大规模集成电路(Very Large Scale Integration Circuit,VLSI)架构,可用于4倍实时视频超分辨率.该FPGA架构解决了实现双三次插值过程中所需的复杂内存访问模式的问题,并提出了一种基于乒乓操作的数据重排硬件设计,将算法输出的特定顺序数据重新以行为主进行排列,使得硬件能够直接或较为简单地对接HDMI等视频接口.此外,采用状态机、流水线等方式降低设计功耗和减少时序违例,使得整个硬件设计可以更高频率运行.本研究在Zynq-7020 FPGA上实现了硬件架构,能够实时将qHD(960×540)的视频超采样为UHD(3840×2160)高清视频.实验结果表明,该硬件设计只需缓存1行图像像素,延迟仅为9.6μs,帧率达到192.9 Hz,成功实现实时处理.游戏图像数据集的测试结果表明,该设计峰值信噪比最高可达35.67 dB,结构相似度达到96.3%.

轻量化高效目标检测平台的设计

基于人工智能的目标检测算法作为安防监控、辅助驾驶等方向的核心技术,其在边缘端的应用落地已成为研究热点。一方面,目标检测网络计算量大、参数量多,往往占据器件的大量资源;另一方面,目标检测应用的落地普遍需要满足高效、实时性等要求。针对实际应用场景中以上问题的考量,提出了可增强小目标检测能力的带有旁路(Bypass)的目标检测网络模型,并面向边缘端落地对该模型进行了轻量化和高效并行化设计。其中,轻量化设计方面,运用了深度可分离卷积、BRAM复用、多精度参数等多种优化策略;高效并行化方面,在多尺度上对输入输出通道、卷积核进行了并行化设计。在PYNQ框架下,完成了轻量化高效目标检测平台的搭建,实现帧率达到44.5 FPS、IoU为0.68的检测性能,满足了边缘端落地的需求。

基于FPGA阵列的超大规模SoC验证平台

介绍了超大规模片上系统(SoC)验证平台的设计与实现。该验证平台采用多片现场可编程逻辑门阵列(FPGA)构成超大规模FPGA阵列,针对SoC的典型特点设计了平台拓扑结构和组成单元。该验证平台仿真规模大、互连资源丰富、工作频率高、扩展灵活。应用实例表明该平台具有良好的实用价值。

面向处理器功能验证的硬件化System Verilog断言设计

功能验证在处理器芯片开发流程中所占用的时间超过70%,因此优化提升功能验证环节的效率非常必要.软件仿真等传统验证方法提供了包括断言等多种验证机制,以提升验证的细粒度可见性和自检查能力,但是软件仿真运行速度较慢,在高效性方面有明显不足.基于FPGA的硬件原型验证方法能极大地加速验证性能,但其调试能力较弱,虽能快速发现漏洞,但难以定位漏洞出现的具体位置和根本原因,存在有效性不足难题.为同时解决上述功能验证有效性与高效性的问题,提出一种将不可综合的断言语言SVA(SystemVerilog Assertion)自动转换成逻辑等效但可综合的RTL电路的方法,聚焦于断言这一类对设计进行非全局建模、纵向贯穿各抽象层级的验证方式,对基于全局指令集架构(instruction set architecture,ISA)模型的验证能力进行补足.同时,结合FPGA细粒度并行化、高度可扩展的优势,对处理器的验证过程进行硬件加速,提升了处理器的开发效率.实现了一个端到端的硬件断言平台,集成对SVA进行硬件化的完整工具链,并统计运行在FPGA上的硬件化断言的触发和覆盖率情况.实验表明,和软件仿真相比,所提方法能取得超过2万倍的验证效率提升.

多种分辨率HDMI接口的TMDS信号转为LVDS格式实现方法研究

为了将图像仿真系统输出的高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface,HDMI)最小化传输差分信号(Transition Minimized Differential Signaling,TMDS)转换为摄像头模组接口低电压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling,LVDS),文章联合使用ITE68051芯片和现场可编程逻辑门阵列芯片(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现了相应的转换。首先,将高清、超高清HDMI接口的TMDS信号通过ITE68051视频处理芯片进行TMDS解码,以双端口方式输出并行RGB数字信号;然后,应用FPGA易编程性的特点,将多种分辨率的RGB信号转换为相应的LVDS信号。联合应用ITE68051和FPGA芯片架构的转换系统,便于视频设备之间的兼容和系统后续升级,为自动驾驶仿真系统的视频信号输入提供了可靠的硬件接口通道。