基于龙芯LA132软核处理器的宇航级SoPC设计

针对现有星载计算机主控系统灵活性差和在空间辐射环境中存在单粒子翻转等问题,设计了一种灵活性强、可靠性高、自主可控的宇航级片上可编程系统(System-on-Programmable-Chip,SoPC)。该系统将龙芯LA132软核处理器应用于航天领域,降低了星载计算机主控系统的体积。为系统存储单元设计实现了一种基于矩阵算法的RS(8,4)码,可在无延迟的情况下实现错误检测与纠正功能,增强了系统的可靠性。测试结果表明,该SoPC系统在Xilinx KCU105硬件平台上可实现单周期内对两个错误符号的检测与纠正,满足宇航级安全性与可靠性的需求,为星载计算机主控系统的小型化提供了一种新的解决方案。

基于RISC-V的SOPC电子系统设计实验研究

该实验设计在电子系统设计相关教学中引入嵌入开源软核微处理器的片上可编程系统SOPC(system on programmable chip)技术,不仅能够让更多学生学习集成电路初步设计方法,而且能够通过自主设计SOPC系统培养其创新能力。该文首先对SOPC电子系统设计的现状进行了分析,提出了基于RISC(reduced instruction set computer)-V开放指令集架构的微处理器进行SOPC系统设计教学,之后介绍了RISC-V微处理器的选择和移植方法,最后介绍了基于RISC-V微处理器的四个层次的实验设计原则和设计出的具体实验项目。

基于口袋实验室的便携式直流可调电源

直流可调电源是实验室中常用的设备,为了方便学生开展课外实验,设计一种基于FPGA口袋实验室的直流可调电压源。该设计系统由口袋实验室模块、触摸显示屏模块以及直流可调电源模块组成,利用SOPC技术结合增量型PID算法实现电压的精确控制,并在Nios II中使用uC/OS II操作系统,移植uC/GUI图形界面,设计显示界面。系统测试结果表明,利用旋转编码器调节可实现0 V~23.7 V的电压输出,步近50 mV,输出误差低于1%,最大输出电流3 A,最大输出功率达到18 W,具有体积小巧、输出精度高、携带方便的特点。

基于SOPC的智能车辆道路识别与跟踪

对基于PC的道路识别系统进行改进,利用SOPC技术在以单片FPGA芯片为核心的硬件平台上,完成了包括3×3窗口模块、改进的快速中值滤波、基于自适应阈值的Sobel边缘检测和Hough变换等图像预处理功能。通过μC/OS-II嵌入式实时操作系统来调度系统初始化、数据接收、道路识别、车辆控制和状态监控等任务,保证了视频导航的实时性要求。静态道路图像识别和实际道路行驶测试表明,该系统在一定干扰的情况下,成功实现了视频导航功能,具有较强的道路识别跟踪能力,且在速度、价格、灵活性上有很大的优势。

基于FPGA/SOPC的预测控制器设计与实现

针对模型预测控制在微型设备及嵌入式系统应用中的实时性问题,从硬件实现控制算法的角度研究了基于FPGA(field programmable gate array)的预测控制器的设计和实现。采用基于Nios II嵌入式软核处理器的FPGA/SOPC(system on pro-grammable chip,可编程片上系统)方案,在FPGA芯片上构建SOPC系统,设计SOPC的硬件及软件系统,实现了基于FPGA的预测控制器;建立了基于FPGA和dSPACE系统的实时仿真平台,并进行了控制器实时仿真实验。实时仿真实验验证了基于FPGA的预测控制器的功能及实时性。实验结果表明基于FPGA的预测控制器提高了算法的实时性,并具有微型化等特性,能满足新应用的需求。

基于SOPC技术的高速图像采集控制系统的设计与研究

针对高速图像采集控制系统中带宽不足的问题,应用SOPC(System on a Programmable Chip)技术在Avalon总线中嵌入自定义外设完成图像采集、图像数据压缩和图像存储,大大提高了系统的成像速度。首先,通过在图像采集端对数据进行流水线压缩编码的方法,将数据量压缩为原来的四分之三。然后,基于VHDL设计并实现DMA控制器,该自定义DMA控制器可以把图像数据直接存入SDRAM中的两块缓存区,省掉了传统数据采集系统中必须使用FIFO对数据进行缓存的环节,减轻了CPU的数据传输任务。另外,通过将系统图像采集模块和数据传输模块的并行化处理,提高了成像系统工作的效率。最后,在2k×2k高速CMOS成像系统上进行了实现,通过速度测试和成像测试验证了该图像采集控制系统设计的可行性与灵活性。

基于NIOS的SOPC设计

SOPC是Altera公司提出的一种灵活、高效的片上系统设计方案。它将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的组件集成到一个PLD器件上,构建成一个可编程的片上系统。NIOS是Altera公司开发的可进行SOPC设计的处理器软核。通过一个实例,详细介绍了如何在Excalibur平台上实现一个基于NIOS的SOPC设计。

SOPC设计中的用户自定义逻辑

SOPC是Altera公司提出的一种灵活、高效的片上系统设计方案,它可以有选择地将处理器、存储器、I/O等系统设计需要的组件集成到一个PLD器件上。但是为了构建一个高效的片上系统,用户需要面向应用的IP组件。IP组件可以由供应商提供,或者是用户自定义。在SOPC设计中可方便地加入用户自定义逻辑,而用户自定义逻辑具有灵活性、紧耦合性、高效率、低功耗等特性,使SOPC设计的优越性得以充分体现。该文简要介绍了SOPC设计架构,然后通过一个实例,详细介绍了SOPC设计中用户自定义逻辑的实现方法和效果。

基于DDS／SOPC的多路可调谐波信号发生器

设计了一种基于直接数字频率合成/可编程片上系统(DDS/SOPC)技术的多路可调谐波信号发生装置。该装置的谐波信号采用DDS技术,利用相位累加器和波形存储器构成的数控振荡器输出周期性的波形幅度数据,再经过数模转换器、低通滤波器和功率放大器,实现了三相电压幅度、谐波含量、路数均可调的功率信号。系统设计时将DDS模块和Nios软核处理器控制模块集成到单片现场可编程门阵列(FPGA)芯片内部,系统软件采用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)编程,使系统具有良好的可扩展性。测试表明,装置的频率分辨率达到1 Hz,输出基波频率范围在0～100 Hz,精度达到0.5%。

SOPC技术在实时红外图像处理中的应用

可编程片上系统(SOPC)是Altera公司提出的一种灵活、高效的片上系统解决方案,为构建实时、小型化的红外图像处理器提供了有效的解决途径。介绍了一种基于SOPC技术的红外图像处理器,可对数字红外图像进行实时处理和显示驱动。处理器主要包括非均匀校正模块、实时图像增强模块和显示驱动模块。处理功能主要由一片Altera公司的SOPC芯片EPXA4完成。实验结果表明,采用SOPC技术构建的红外图像处理器集成度高、功耗低、可靠性强、实时性好。

基于SOPC的红外图像自适应非均匀性校正设计

场景非均匀校正和基于本底信息无快门校正等红外图像自适应非均匀性无快门校正算法不需要中断探测过程,克服了定标类校正算法需要周期性定标的不足,目前日趋受到重视。相对于场景无快门校正算法,基于本底信息的自适应无快门校正算法具有复杂度低、易于实现的特点,正逐步从理论研究走向具体工程应用,通过硬件系统实现该校正算法具有重要的应用价值。根据自适应无快门校正算法理论特点,采用基于FPGA构建SOPC系统的方法进行了硬件实现,主要由校正参数计算、本底采集、校正模型等模块组成。校正参数计算部分根据自适应拉格朗日插值计算和更新校正参数,本底采集模块用于采集均匀本底信息,为图像校正提供一系列本底信息,校正模块完成红外图像的实时非均匀性校正。实验结果表明:实现的非均匀性无快门校正系统具有占用硬件资源少、延迟短和图像效果好的优点,能够广泛应用在红外成像系统中,具有较强的研究价值和现实意义。

基于SOPC技术的VGA字符和图像显示系统

为解决VGA显示系统因基于计算机或专用芯片而不易携带和更改的局限性,采用可实现用户自定制内核功能的SOPC技术,完成PS/2键盘控制下VGA字符和图像显示系统设计。在FPGA中构建32位NIOSⅡ内核,C语言编写主程序,采用AVALON总线连接外设驱动控制器和基本PIO接口,连同VGA时序模块与缓存器组成的VGA控制器,实现系统软件;基本硬件电路、外部存储芯片、PS/2键盘、VGA接口和串口电路构成硬件平台。系统最终实现SOPC内核移植和在PS/2键盘控制下由CRT显示器显示字符和图片的功能。

基于SOPC的PCI通信接口设计与实现

为实现SOPC子系统与主机的相互通信,介绍了基于嵌入PowerPC的Xilinx FPGA的SOPC设计,使用Xilinx提供的OPB-PCI总线桥接器,完成了SOPC系统与其它PCI主、从设备的PCI通信接口。仿真、测试结果表明,该桥接器能以较高的传输效率实现PCI总线上各个设备之间的相互访问。该设计方法简单、快捷,可以很方便地实现SOPC系统的片上数据传输和处理,使SOPC硬件平台具有了优良的可扩展性能。

采用SOPC IP核技术实现液晶屏显示

设计了ST7920系列12864液晶显示模组符合Avalon MM接口规范的IP核,建立了基于NiosⅡ的SOPC系统,实现了液晶屏的图形与字符显示。按照开发流程详细介绍了系统设计步骤与关键技术,其中LCD12864IP核的硬件设计部分采用Verilog HDL编写并遵循Altera所建议的Avalon信号类型最新命名规则,LCD12864IP核的软件设计部分给出了详细的C语言驱动代码与程序说明,并给出了图形显示的应用程序范例。对所设计的SOPC系统进行了实验验证,得到了理想的效果。

基于SOPC的管道超声导波检测系统设计

针对国内超声导波检测仪器相对落后的现状,提出了基于单片FPGA设计管道超声导波检测系统的方法。以MicroBlaze软核处理器为控制核心,编写了导波发射专用DDS IP核,设计了完整的硬件平台。对uC/OSⅡ嵌入式操作系统和uC/GUI图形用户界面进行移植,完成了应用程序的开发。系统集导波发射、回波采集、分析处理、实时显示和数据存储等功能于一身。实验表明:各功能运行正常,能方便地应用于管道超声导波检测。

基于NiosII的液晶屏控制器SOPC设计

为实现TFT-LCD显示控制器的SOPC-IP设计,选择FPGA-EP4CE6F17C8作为设计验证平台,采用verilog语言,针对全彩AT070TN84TFT-LCD,由Nios II软核处理器、SDRAM控制器、JTAG UART、LCD控制器、Avalon总线等组成TFT-LCD控制器。以Nios II软核处理器为核心,各IP核(如SDRAM控制器、TFT-LCD控制器等)通过Avalon总线相连接到Nios II上,并通过Avalon总线接口模块、DMA模块、FIFO模块和时序产生模块完成了TFT-LCD控制器IP核设计,实现800×480分辨率,16bit颜色深度的彩色图形显示控制。显示实验运行稳定,图像清晰,色彩丰富,无闪屏、错行等现象,视觉效果良好,设计具有良好的可配置性、复用性和移植性。实践证明该设计行之有效。文中给出了控制器的设计原理、实现方法、仿真与实验过程的同时,重点讲述与控制器IP核相关的各设计环节。

EDA与单片机及SOPC一体化实验教学平台研制

研制了一套基于SOPC技术的电子技术综合实验教学平台。该平台硬件以FPGA为核心,提供多种外围功能模块,可完成EDA、单片机和SOPC方面的综合实验项目。介绍了该平台的软硬件系统组成、功能特点和实验项目设计。可根据开放式教学要求开设实验,有助于培养和锻炼不同层次学生的基础应用和系统设计能力。

基于SOPC的高帧频数字图像采集显示系统

为了代替PC机对高帧频数字图像进行实时采集显示,使用片上系统(SOC)和可编程片上系统(SOPC)的设计方法,设计了基于NiosⅡ软核的嵌入式图像采集显示系统。依据系统功能需求设计出系统架构,给出了系统各个功能模块的设计方法,对系统中接口模块的信号时序和图像数据缓存处理架构进行了软件编写及仿真。描述了应用该系统所进行的高帧频图像采集显示实验,并分析了系统性能。实验结果表明:对于帧频高达1 230帧/s、分辨率为128×128的图像源,该系统可以对其进行实时的采集显示。满足了降低成本、节约空间、提高系统稳定性和工作带宽的要求。

SoPC级双通道图像融合系统设计

针对多色焦平面探测系统的输出,实现像元级图像融合的前提是如何保证融合系统的高性能、微型化及低功耗。本文提出了一种基于X ilinxV irtex4系列FPGA实现双通道图像融合的SoPC方案,采用模块化设计,将图像处理过程按采集、非均匀性校正预处理、融合、输出等功能模块作分级流水,充分利用器件的高性能、高并行性、可深度流水等特点来保证处理的实时性;并结合仿真实验结果,从处理算法的选择、复杂度以及资源占用等方面,分析了在单片FPGA上完成双通道720×576×10bit图像流2 f/s实时融合处理的可行性,估算了SoPC系统功耗和转换为ASIC芯片后的系统功耗。

基于SOPC可重构的图像采集与处理系统设计

针对目前PC算法无法实现图像实时处理以及固定硬件平台很难实现算法修改或者升级的问题,设计一种基于SOPC可重构的图像采集与处理系统,实现了图像数据的片上实时处理以及在不改变硬件电路结构而完成算法修改或者升级的功能。此系统围绕两块Xilinx FPGA芯片进行设计,通过FPGA以及其Microblaze 32 bit软核处理器和相关接口模块实现硬件电路设计,结合FPGA开发环境ISE工具和EDK工具协作完成软件设计。由于采用SOPC技术和可重构技术,此设计具有设计灵活、处理速度快和算法可灵活升级等特点。