A New Design Method for Variable Digital Filter Based on Field Programmable Gate Array(FPGA)

In order to obtain variable characteristics,the digital filter's type,number of taps and coefficients should be changed constantly such that the desired frequency-domain characteristics can be obtained.This paper proposes a method for self-programmable variable digital filter(VDF) design based on field programmable gate array(FPGA).We implement a digital filter system by using custom embedded micro-processor,programmable finite impulse response(P-FIR) macro module,coefficient-loader,clock manager and analog/digital(A/D) or digital/analog(D/A) controller and other modules.The self-programmable VDF can provide the best solution for realization of digital filter algorithms,which are the low-pass,high-pass,band-pass and band-stop filter algorithms with variable frequency domain characteristics.The design examples with minimum 1 to maximum 32 taps FIR filter,based on Modelsim post-routed simulation and onboard running on XUPV5-LX110T,are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed method.

Synthesis of Nonlinear Control of Switching Topologies of Buck-Boost Converter Using Fuzzy Logic on Field Programmable Gate Array (FPGA)

An intelligent fuzzy logic inference pipeline for the control of a dc-dc buck-boost converter was designed and built using a semi-custom VLSI chip. The fuzzy linguistics describing the switching topologies of the converter was mapped into a look-up table that was synthesized into a set of Boolean equations. A VLSI chip–a field programmable gate array (FPGA) was used to implement the Boolean equations. Features include the size of RAM chip independent of number of rules in the knowledge base, on-chip fuzzification and defuzzification, faster response with speeds over giga fuzzy logic inferences per sec (FLIPS), and an inexpensive VLSI chip. The key application areas are: 1) on-chip integrated controllers;and 2) on-chip co-integration for entire system of sensors, circuits, controllers, and detectors for building complete instrument systems.

基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真研究

对新能源低压直流配电系统开展暂态实时仿真研究对优化其运行控制具有重要作用。由于现场可编程门阵列(FPGA)内部集成了大量具有不同功能的电路,FPGA正成为电力系统暂态实时仿真领域主要的计算载体之一。该文面向新能源低压直流配电系统的暂态实时仿真需求,开发了一种基于FPGA的包含小型分布式风力发电、光伏发电以及蓄电池储能单元的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器。首先,研究构建了分布式发电单元和典型控制回路的计算模块,利用FPGA的并行计算特性并结合“算法-结构-有效匹配(AAA)”理念建立了底层模块串并联混合求解结构;然后,在节点分析法的框架下,建立了一种结合矩阵LDU分解和有向无环图(DAG)的电气系统节点电导矩阵并行求解方法;最后,在建立电气系统与控制系统并行求解架构的基础上,开发了一种基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器,通过将其仿真结果与PSCAD/EMTDC离线仿真平台的计算结果进行对比,验证了所开发暂态实时仿真器的有效性和准确性。

应答器上行链路信号自适应解调方法的FPGA实现

为降低电磁干扰对信号传输的影响,分析了应答器上行链路信号传输过程及其易遭受干扰信号的特点,设计了基于符号最小均方误差(least mean square,LMS)算法的自适应解调方法。为在硬件平台中实现该解调方法,通过仿真计算,确定LMS算法的自适应算法中间变量变化范围,使用截位操作完成权值系数的更新,设置均衡器长度、步长因子、中值滤波系数分别为1、1/64、16,可在不占用过多硬件资源情况下获得良好的解调性能。解调算法在现场可编程门阵列(field programmable gata array,FPGA)上予以验证,实验表明,当信噪比为6 dB时,FPGA中自适应解调误码率为0.000001,在信噪比大于等于6 dB时,实测误码率与仿真分析误码率基本一致;FPGA自适应解调方法在列车不同速度等级下误码率均小于10^(-6)。

基于FPGA的PMLSM三矢量模型预测电流控制IP核设计及硬件在环验证

为了提升永磁直线同步电机(PMLSM)电流控制的稳态性能和执行速度,同时降低资源消耗,基于现场可编程门阵列(FPGA)设计了一个三矢量模型预测电流控制(TV-MPCC)知识产权(IP)核,并利用FPGA在环可视化验证方法,建立了一个PMLSM的TV-MPCC IP核验证系统。通过Simulink对TV-MPCC策略进行算法级仿真,并优化了基本电压矢量的作用顺序;采用并行与资源共享硬件优化技术设计并封装了一个TV-MPCC IP核,并对其进行了功能仿真;将设计部署在FPGA芯片XC7Z020CLG400-2上,利用FPGA在环可视化验证平台进行实验研究。结果表明,TV-MPCC策略下d、q轴电流跟踪误差和电流脉动均降低90%以上;FPGA工作在100 MHz下,实现一次算法的时间为0.62μs,仅为软件PyCharm执行时间的0.414%。

FPGA-Based Efficient Programmable Polyphase FIR Filter

The modelling, design and implementation of a high-speed programmable polyphase finite impulse response (FIR) filter with field programmable gate array (FPGA) technology are described. This FIR filter can run automatically according to the programmable configuration word including symmetry/asymmetry, odd/even taps, from 32 taps up to 256 taps. The filter with 12 bit signal and 12 bit coefficient word-length has been realized on a Xilinx VirtexⅡ-v1500 device and operates at the maximum sampling frequency of (160 MHz.)

基于FPGA的小信号高精度采集系统设计

针对激光打靶实验中对靶心温度和光照强度的高精度采集需求,以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,实现了一种多路高精度采集系统。系统通过对信号源输出的模拟K型热电偶的信号进行采集,将采集的信号作为样本,估计出每个通道的增益误差和偏移量,借助最小二乘法得到每个通道修正误差所需要的系数,最后再通过配置AD7768实现对误差的修正。实验结果表明:在修正前增益误差为0.207 8%,修正之后增益误差为0.002 7%,采用修正方法后,实现采集误差在10μV以内,有效地提高了系统对微小信号的采集精度。

Topological horseshoe analysis and field-programmable gate array implementation of a fractional-order four-wing chaotic attractor

We present a fractional-order three-dimensional chaotic system, which can generate four-wing chaotic attractor. Dy- namics of the fractional-order system is investigated by numerical simulations. To rigorously verify the chaos properties of this system, the existence of horseshoe in the four-wing attractor is presented. Firstly, a Poincar6 section is selected properly, and a first-return Poincar6 map is established. Then, a one-dimensional tensile horseshoe is discovered, which verifies the chaos existence of the system in mathematical view. Finally, the fractional-order chaotic attractor is imple- mented physically with a field-programmable gate array （FPGA） chip, which is useful in further engineering applications of information encryption and secure communications.

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。

Fault Prediction and Diagnosis of Warship Equipment Field Programmable Gate Array Software

In order to solve the current high failure rate of warship equipment field programmable gate array( FPGA) software,fault detection is not timely enough and FPGA detection equipment is expensive and so on. After in-depth research,this paper proposes a warship equipment FPGA software based on Xilinx integrated development environment( ISE) and ModelSim software.Functional simulation and timing simulation to verify the correctness of the logic design of the FPGA,this method is very convenient to view the signal waveform inside the FPGA program to help FPGA test engineers to achieve FPGA fault prediction and diagnosis. This test method has important engineering significance for the upgrading of warship equipment.

MIXED-GRAINED CMOS FIELD PROGRAMMABLE ANALOG ARRAY FOR SMART SENSORY APPLICATIONS

The drive towards shorter design cycles for analog integrated circuits has given impetus to the development of Field Programmable Analog Arrays(FPAAs),which are the analogue counterparts of Field Programmable Gate Arrays(FPGAs).In this paper,we present a new design methodology which using FPAA as a powerful analog front-end processing platform in the smart sensory microsystem.The proposed FPAA contains 16 homogeneous mixed-grained Configurable Analog Blocks(CABs) which house a variety of processing elements especially the proposed fine-grained Core Configurable Amplifiers(CCAs).The high flexible CABs allow the FPAA operating in both continuous-time and discrete-time approaches suitable to support variety of sensors.To reduce the nonideal parasitic effects and save area,the fat-tree interconnection network is adopted in this FPAA.The functionality of this FPAA is demonstrated through embedding of voltage and capacitive sensor signal readout circuits and a configurable band pass filter.The minimal detectable voltage and capacitor achieves 38 uV and 8.3 aF respectively within 100 Hz sensor bandwidth.The power consumption comparison of CCA in three applications shows that the FPAA has high power efficiency.And the simulation results also show that the FPAA has good tolerance with wide PVT variations.

基于FPGA的卷积神经网络和视觉Transformer通用加速器

针对计算机视觉领域中基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的传统卷积神经网(CNN)络加速器不适配视觉Transformer网络的问题,该文提出一种面向卷积神经网络和Transformer的通用FPGA加速器。首先,根据卷积和注意力机制的计算特征,提出一种面向FPGA的通用计算映射方法;其次,提出一种非线性与归一化加速单元,为计算机视觉神经网络模型中的多种非线性和归一化操作提供加速支持;然后,在Xilinx XCVU37P FPGA上实现了加速器设计。实验结果表明,所提出的非线性与归一化加速单元在提高吞吐量的同时仅造成很小的精度损失,ResNet-50和ViT-B/16在所提FPGA加速器上的性能分别达到了589.94 GOPS和564.76 GOPS。与GPU实现相比,能效比分别提高了5.19倍和7.17倍;与其他基于FPGA的大规模加速器设计相比,能效比有明显提高,同时计算效率较对比FPGA加速器提高了8.02%~177.53%。

一种FPGA⁃TDC防气泡误差编码器设计

在设计基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间数字转换器(TDC)时,时钟偏斜等因素产生的气泡误差会造成抽头延迟链(TDL)中的延迟单元失效,导致TDC的分辨率变差。提出了一种防气泡误差编码器,通过统计抽头延迟链中发生变化的抽头个数,该编码器使抽头延迟链跳变顺序按照时间顺序映射,从而消除气泡误差的影响。利用Xilinx Virtex UltraScale+FPGA对该防气泡误差编码器的有效性进行验证,使用该编码器后,基于双端采样法的抽头延迟链TDC分辨率由3.18 ps提升至1.76 ps。实验结果表明,所提出的防气泡误差编码器能够解决气泡误差导致的延迟单元失效的问题,避免分辨率的损失。

基于FPGA的软硬件协同纠删码编码加速方案

纠删码容错技术已广泛应用于分布式存储系统,相较于多副本容错技术能显著降低数据存储成本,并且具有更高的数据通信可靠性和安全性,但在数据存储过程中不可避免地会引入额外的计算开销并增加编码时延,导致数据写入吞吐量降低。针对该问题,提出一种基于现场可编程门列阵(FPGA)的纠删码编码加速方案。首先,利用FPGA的高速并行计算优势对纠删码算法进行硬件加速,并实现并行处理和时序优化。然后,针对上位机与FPGA之间因传输速率和处理速率不一致造成内存中的数据溢出问题,在FPGA上拓展了片外DDR3接口用于数据缓存,提高了通信可靠性,并利用DDR3的随机存取特点实现对数据块的分片。最后,设计基于FPGA的纠删码编码硬件加速架构进行实验验证。实验结果表明,与主流Jerasure 2.0开源纠删码库相比,该方案的数据写入吞吐量提升了2.7~93.0倍,尤其对于小文件的编码写入性能提升更为显著。

基于FPGA的内感应电能量测量系统

内感应电能量是评估静电屏蔽袋对于静电敏感设备的保护能力的一项重要指标,其待测信号具有高频特性。针对防静电屏蔽袋高频静电放电信号(ESD)的测试信号发生及其完整性的需求,该文设计了基于FPGA的小型化、高速、高精度的内感应能量测试系统及原型机,实现了对于该ESD信号的发生、检测和分析的自动化测量功能。实验结果表明,该实验装置满足国标对于内感应电能量测量系统的要求,测量带宽为200 MHz,采样率为500 Msps,分辨率为10 mV,屏蔽效应能为36 dB。

基于FPGA误差可控的浮点运算加速器研究

浮点运算是高性能计算(HPC)领域的基础运算。在大数据与云计算的背景下,高性能计算平台需要处理的数据量与日俱增,而且浮点数的舍入误差在大规模、长时程的运算中会产生累积,因此,在提升浮点运算性能的同时保证计算结果的可靠性非常重要。利用现场可编程门阵列(FPGA)可编程、低功耗、灵活性强的特点,针对含复杂单项运算的浮点多项式设计一种浮点运算加速器。基于无误差变换的思想,通过计算得出舍入误差值,将其补偿到浮点数值上,从而实现误差可控。采用异步并行的方式实现运算加速,并通过构建CPU-FPGA平台最大化地利用计算资源,保证计算任务执行的高效性。数据测试结果表明:在不限制对称性下的数值相对论模拟运算中,该加速器在200 MHz的主频下可达到91.85 MFLOPs的峰值性能;与Intel i76700K CPU运行最大线程数的性能相比,该加速器实现了50.54的加速比,并在该条件下获得了平均53.6%的精确结果百分比以及更低的相对误差,表明其具备较高的可靠性。

X-Debugger:基于FPGA的扫描调试器设计及实现

针对芯片硅后调试面临内部信号可观测性差、可控制性弱、内部状态不易恢复重建等问题,本文设计和实现了一款基于现场可编程门阵列(FPGA)的快速扫描调试器XDebugger。该调试器复用传统可测试设计(DFT)扫描链路逻辑,在芯片的设计阶段插入基于功能模块前导码的扫描控制电路,实现了芯片内部各数字逻辑模块信号100%可见;通过基于FPGA的扫描调试器X-Debugger可以快速完成芯片内部寄存器状态获取和修改,并结合硬件加速器可以完成芯片内部逻辑状态的快速重建,从而形成硅后调试闭环。在某处理器芯片硅后调试实践中的结果表明,对于小于100万触发器的功能模块可以在1 s内完成内部状态获取、修改和重建,全芯片通过X-Debugger内部信号获取和重建小于1 min,极大提高了该处理器芯片的硅后调试效率。

基于FPGA的表皮阻抗检测系统设计

人体皮肤状态信息的评估与研究在现代生活中愈发重要,而实际应用又缺乏便捷的仪器设备能够直接反映表皮组织信息,因此设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的表皮阻抗测量系统,并对人体表皮的阻抗值进行了实验测量研究。本系统以FPGA处理器为控制核心,高精度阻抗转换芯片AD5933及其外围电路作信号采集功能,两者之间通过I2C总线协议来传输数据与控制信号,采集得到的数据经过FPGA处理器进行相应的校准和计算处理后,通过RS232串口传输至PC端上位机进行显示,实现对表皮阻抗信息的实时采集与显示。实验结果表明,该系统运行快速稳定,可以比较准确地测量表皮的阻抗值,实现实时观察阻抗值变化情况的功能。

IGBT器件级物理模型的FPGA设计与实现及在环验证

基于硬件在环(HIL)仿真,研究了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件级Hefner物理模型及其求解算法与优化方法,在现场可编程门阵列(FPGA)上设计并实现了Hefner优化模型,并基于PYNQ框架对其进行了在环验证。首先,分析并仿真了Hefner物理模型与其求解算法,提出并训练了一个前馈神经网络用以拟合模型中的一组非线性函数;接着,在FPGA上设计并验证了Hefner优化模型IP核,并使用基于PYNQ框架的FPGA在环验证方法对其进行了板级验证;最后,用IKW50N60H3和FGA25N120两种型号的IGBT器件对IP核进行了实例验证。结果表明,Hefner优化模型能准确地反映IGBT的开关瞬态特性;在Zynq 7020芯片的处理器系统(PS)端运行PYNQ框架,可编程逻辑(PL)端时钟频率为100 MHz时,实现60 000个时间步长的时间为212 s,是软件运行同样次数所用时间(341 s)的62%,FPGA加速明显。

基于FPGA的永磁同步电机速度控制

针对永磁同步电机(PMSM)速度控制器中采用传统PI控制存在响应速度慢、超调量大以及容易出现积分饱和等问题,设计了采取Anti-Windup策略的速度控制器,并在现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)中实现对PMSM的控制。首先采用高层次综合技术(HLS)对PMSM伺服控制关键模块完成建模,其次封装成IP核导入到工程中,最后下载到FPGA芯片上完成对PMSM的控制。经过与传统PI控制器实验比较,使用该速度控制方法超调量减小到4.3%,在负载处转速下降了14r/min,调节时间为0.01s,具有良好的动态性能和抗干扰性能,满足永磁同步电机伺服控制系统的应用需求。