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基于FPGA的交通信号控制器的研究与设计

基于FPGA的交通信号控制器的研究与设计

作者：杨灿中南大学

学位级别：硕士

摘要：随着国民经济的快速发展,城市基础设施建设越来越多,我国机动车保有量飞速增长,城市交通拥堵问题越来越严重。因此研究适合我国国情的安全、快捷、高效、现代化的交通信号控制系统是解决交通问题的有效方案之一。另外,随着可编程... 详细信息

摘要：随着国民经济的快速发展,城市基础设施建设越来越多,我国机动车保有量飞速增长,城市交通拥堵问题越来越严重。因此研究适合我国国情的安全、快捷、高效、现代化的交通信号控制系统是解决交通问题的有效方案之一。另外,随着可编程逻辑技术的不断进步和创新,FPGA (Field Programmable Gate Array)已被广泛应用于数字系统的设计中。论文对基于FPGA的交通信号控制器进行研究。论文以交通信号控制理论为出发点,研究了一个周期内的多种信号相位变换模式,在传统的定时控制、分时段控制和智能控制这三种控制方案的基础上进行优化处理,并设计了多模式选择、时间可调、多时段划分、不定相序的信号控制方案;然后以CycloneⅡ FPGA芯片为核心,以EPCS16作为配置芯片,通过扩展存储器电路、LED和七段数码管显示电路等,完成了基于FPGA的交通信号控制器的专用芯片设计;最后利用Verilog HDL (HDL:Hardware Discription Language)硬件描述语言对交通信号各种控制方案进行分模块设计,并在quartus ⅱ开发平台上进行编译、仿真,最后下载到FPGA芯片上,结果表明控制系统能够自动实现交通信号控制器的灯色变换及倒计时显示。基于FPGA的交通信号控制器具有电路简单、实时快速擦写、运算速度快、故障率低、可靠性高,而且体积小等特点。系统通过功能扩展、接口扩展可同时控制多个路口的红绿灯变换,可根据需要实现实时、快速擦写应用程序的功能。

关键词：交通信号控制器智能控制 FPGA quartus ⅱ

基于FPGA的EFPI光纤瓦斯传感系统的研究

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基于FPGA的EFPI光纤瓦斯传感系统的研究

作者：叶迎亮安徽理工大学

学位级别：硕士

近年来,我国煤矿因安全监测技术不足,导致煤炭生产事故频繁发生,其中瓦斯事故占据较大比重。我国煤矿安全监测使用较多的是由传统的黑白催化元件和热导元件构成的瓦斯传感器。由于黑白催化元件频繁定标,热导元件误差大以及这两种混合元... 详细信息

近年来,我国煤矿因安全监测技术不足,导致煤炭生产事故频繁发生,其中瓦斯事故占据较大比重。我国煤矿安全监测使用较多的是由传统的黑白催化元件和热导元件构成的瓦斯传感器。由于黑白催化元件频繁定标,热导元件误差大以及这两种混合元件对瓦斯的突出响应不够迅速等不足之处,使得该检测技术无法精确测量瓦斯浓度。针对我国现有煤矿瓦斯监测技术的弊端,本文设计了一种基于FPGA的EFPI光纤瓦斯传感系统。该系统采用新型光纤传感器能够快速、精确测量瓦斯浓度信号,并且通过FPGA来完成信号的快速运算与处理,能够在很大程度上满足煤矿安全监测的需求。本文首先介绍了光纤、光纤传感器和光纤传感的基本原理;然后对系统的总体结构及组成部分作了详细介绍;接下来分别详述了系统的软硬件设计方法,系统的硬件部分由FPGA负责信号采集和A／D转换,利用快速傅里叶变换(FFT)算法对采集信号进行优化处理和存储,由CAN总线将系统数据上传给地面上位机。系统软件部分分别通过quartus ⅱ和Nios Ⅱ两个开发平台建立和配置系统软硬件工程,创建Nios Ⅱ软核、锁相环PLL,通过编程调试实现FPGA的在线硬件仿真。最后对上位机软件参数进行设置,将CAN总线上传的数据在线进行显示和处理,通过分析瓦斯浓度曲线的具体变化,实现瓦斯浓度的在线监测与报警处理。

关键词：瓦斯 EFPI光纤传感器 FPGA quartus ⅱ Nios Ⅱ

基于AES加密算法的IP软核设计及硬件木马检测

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基于AES加密算法的IP软核设计及硬件木马检测

作者：李乔丹武汉轻工大学

学位级别：硕士

集成电路和IP（Intellectual Property）核在快速发展的同时,带来的网络安全事件也是层出不穷,有些网络Hacker会利用IP核设计的缺陷、系统的后门,以及安全漏洞在程序中植入硬件木马进行攻击,进而改变电路的功能,这使得芯片和硬件设备的... 详细信息

集成电路和IP（Intellectual Property）核在快速发展的同时,带来的网络安全事件也是层出不穷,有些网络Hacker会利用IP核设计的缺陷、系统的后门,以及安全漏洞在程序中植入硬件木马进行攻击,进而改变电路的功能,这使得芯片和硬件设备的安全性受到了很大的威胁,尤其是密码芯片,攻击者能够在芯片中植入恶意的硬件逻辑,然后获取使用者的密钥信息,利用密钥盗取更多有价值的信息。基于此,本论文选择了128位AES加密算法作为硬件木马的载体,在以Verilog语言编译的IP软核中植入硬件木马,在quartus ⅱ软件中完成硬件木马的IP核的设计和验证。由于硬件木马具有隐蔽性、检测的难度较高,因此本论文从芯片设计的源头IP核方面来进行硬件木马检测。在预处理过程中,通过在IP软核中载入硬件木马前后的多实例验证,建立硬件木马特征库以及完成功能完整性分析的验证,而对于木马检测这一过程,则是建立了一种基于信息流图的粗粒度木马检测的模型和方案,通过将各模块的调用关系作为权值,查找可疑的模块,初步定位硬件木马。另外,还提出了将代码覆盖率、信号翻转率、信号与时钟延迟、运行功耗与版图分块这五个因素相结合来检测硬件木马的细粒度检测方案,通过比较硬件木马载入前后表现出的异常和特征差异,从而更加精确地定位硬件木马的位置。最后,则是开发出了一个能够检测硬件木马的软件平台,方便检测结果的可视化呈现。

关键词： IP核硬件木马 AES quartus ⅱ 信息流图

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基于FPGA的调制样式识别算法研究及实现

基于FPGA的调制样式识别算法研究及实现

作者：杨湲西华师范大学

学位级别：硕士

为了解决数字信号调制样式识别速度较慢与资源消耗过大的问题,本文在对调制样式识别算法的理论研究基础上,优化改进了常见的时频域识别参数,提出了三个新的识别参数,并在quartus ⅱ 9.0平台检验该优化算法的可行性。本课题采用模块化设... 详细信息

为了解决数字信号调制样式识别速度较慢与资源消耗过大的问题,本文在对调制样式识别算法的理论研究基础上,优化改进了常见的时频域识别参数,提出了三个新的识别参数,并在quartus ⅱ 9.0平台检验该优化算法的可行性。本课题采用模块化设计电路结构,系统由两个顶层功能模块组成,即调制功能模块和样式识别功能模块。调制功能模块包含4种数字脉冲调制方式,分别为2FSK,4FSK,2PSK,4PSK,其功能均采用键控法实现。调制样式识别采用优化改进的3个参数(即P、l、S)实现,具体如下:FSK和PSK信号识别模块根据输入信号的相关特性,计算输入信号的P值,并把P值与参数判决门限t1做比较,以此来判断输入的被测信号是FSK调制类还是PSK调制类。2FSK和4FSK信号识别模块计算输入信号的l值,并把l值与参数判决门限t2做比较,以此来判断输入的被测信号是2FSK调制类还是4FSK调制类。2PSK和4PSK信号识别模块计算输入信号的S值,并把S值与参数判决门限t3做比较,以此来判断输入的被测信号是2PSK调制类还是4PSK调制类。模块中频率的计算采用单位时间内过零点数代替,信号的微分操作是在较高的采样频率下,将信号左移一个采样间隔并与原信号进行相减操作代替。每个模块的参数判决门限是经过多次实验仿真确定。特别地,在设计2PSK和4PSK信号识别模块时,由于2PSK与4PSK信号相位绝对值分量的特点,本课题中直接将相位平均值设置成90度,并配置一个90度相位参照标准,较大程度上简化了系统的操作。测试表明,在采样速率是100MHz,码元速率是2MHz,最高载波频率是12.5MHz条件下,参数判决门限t1=2,t2=5,t3=1时,系统整体识别效果最优,识别速度最快,系统在7.36us时就能把2FSK信号、4FSK信号识别出来,在10.88us时就能把2PSK信号、4PSK信号识别出来。同时,系统资源消耗最少,资源占用不到总资源的1%。所以,测试结果证明了优化改进算法的可行性,达到了设计目的。

关键词：改进算法样式识别识别速度资源消耗 quartus ⅱ

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数字图像色选分析系统的研究及应用

数字图像色选分析系统的研究及应用

作者：谭静静西安科技大学

学位级别：硕士

近年来,随工业化进程的加快,各行业的机械化程度不断提高,工业产品在生产生活中的应用普及程度越来越高,因而人们对产品质量检测的要求也越发严格。产品表面的颜色质量是质量检测中重要的一环,然而检测手法单一,检测精度低,检测技术不成... 详细信息

近年来,随工业化进程的加快,各行业的机械化程度不断提高,工业产品在生产生活中的应用普及程度越来越高,因而人们对产品质量检测的要求也越发严格。产品表面的颜色质量是质量检测中重要的一环,然而检测手法单一,检测精度低,检测技术不成熟,这些特点严重影响了产品的成品率,因此,迫切需要一种可靠且高效的数字图像色选分析系统。本文在深入研究国内外关于产品颜色分析处理技术的分析思路和实验验证的基础上,比较双线性插值算法与梯度检测插值算法,对双线性插值算法进行了优化,以便于不同数据格式的图像进行处理;分析了不同颜色模型,对RGB色彩空间与HSV色彩空间进行转换,分析了灰度直方图统计算法,以便于直观进行颜色感知;在此基础上,结合图像处理技术、颜色基础理论,提出一种基于FPGA的数字图像色选分析系统。该系统包含图像采集,图像格式转换,图像缓存,颜色分析和结果显示单元。运用相关的逻辑运算及颜色处理算法,提取数字图像各像素点RGB分量值并与标准颜色分量进行对比,显示RGB分量直方图,判定产品是否合格。通过VGA接口将处理结果输出到VGA显示器中。经过颜色处理等算法处理的图像,可以清晰辨析产品的表面颜色信息,并显示结果。通过对多组产品图像进行对比分析,该数字图像色选分析处理系统能够进行实时图像采集处理,处理速度高达毫秒级,而经过灰度直方图统计算法显示的分量直方图,能直观的判断产品是否合格,达到预期的设计目标。经验证本系统能广泛应用于各行业,有一定的实用价值。

关键词： FPGA quartus ⅱ VGA 颜色处理

基于FPGA的超声相控阵一维线阵多焦点系统的设计与实现

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基于FPGA的超声相控阵一维线阵多焦点系统的设计与实现

作者：田勇东北大学

学位级别：硕士

研究发现,在MATLAB算法仿真中可以同时形成两个或者多个超声聚焦点,因此利用电子系统控制各个阵元的发射延迟时间和激励幅度可以实时形成两个或者多个焦点。在传统一维线阵超声相控阵单焦点的研究中,需要改变各个阵元发射延迟数据以形... 详细信息

研究发现,在MATLAB算法仿真中可以同时形成两个或者多个超声聚焦点,因此利用电子系统控制各个阵元的发射延迟时间和激励幅度可以实时形成两个或者多个焦点。在传统一维线阵超声相控阵单焦点的研究中,需要改变各个阵元发射延迟数据以形成第二个焦点,在临床实际治疗中,单焦点模式治疗会花费较长的时间,延长患者不必要的疼痛。因此本论文的研究重点是在现有的理论基础上,采用超声相控阵聚焦技术,实现基于FPGA的超声相控阵一维线阵多聚焦点的硬件系统。首先,论文分析了超声相控阵聚焦技术的国内外研究现状,认识到要进行超声相控阵一维线阵多聚焦点的研究与设计,必须对超声相控阵发射聚焦和发射延迟时间精度有很好的掌握,所以论文首先对超声相控阵聚焦技术进行了研究,分析了现有的超声相控阵多聚焦点技术理论的可行性。本文在查阅大量文献基础上,提出了基于FPGA的超声相控线阵多聚焦点硬件系统的设计方案,利用超声相控阵聚焦技术同时形成两个或多个聚焦点进行研究。根据超声换能器内各个阵元的参数,利用MATLAB软件对特定位置及深度的两个聚焦点进行仿真得到64阵元的不同发射延迟时间和激励幅度的数据,存储在FPGA芯片的ROM IP核中,根据超声成像软件对待检测区域选取靶点,将得到的两个聚焦点的位置及其深度信息数据下发给FPGA处理,FPGA调取ROM中的数据发射驱动信号给高压脉冲芯片,最终在指定位置形成两个或者多个实时聚焦点。其次,论文提出了超声相控阵多聚焦点发射系统的总体设计方案,包括USB3.0转FPGA接口电路、控制电路、驱动电路、探头转换板和ACDC电源方案。并根据设计方案利用Cadence软件完成了硬件电路的设计与实现,重点是对控制电路与驱动电路的设计,接着利用quartus ⅱ软件完成了逻辑代码设计。为后续验证基于新方案系统的超声相控阵多焦点聚焦性能搭建起了硬件平台。最后,对设计的驱动电路进行了测试与分析,并搭建系统硬件平台,利用声场扫描仪对新系统进行了声场扫描验证。验证结果:新系统形成的超声多聚焦点与预期的理论值相符。

关键词：相控阵 FPGA 多聚焦点 quartus ⅱ

基于SoCKit C5S的流式细胞仪嵌入式系统研究

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基于SoCKit C5S的流式细胞仪嵌入式系统研究

作者：许虎江西科技师范大学

学位级别：硕士

流式细胞仪(FCM)是一种对细胞进行定量分析和分选的高科技仪器,是科学研究的必备工具之一。本文设计了一种基于SoCKit C5S开发板的流式细胞仪嵌入式系统,其主控核心采用新一代ARM+FPGA片上系统(SoC)芯片Altera Cyclone V SoC FPGA。具... 详细信息

流式细胞仪(FCM)是一种对细胞进行定量分析和分选的高科技仪器,是科学研究的必备工具之一。本文设计了一种基于SoCKit C5S开发板的流式细胞仪嵌入式系统,其主控核心采用新一代ARM+FPGA片上系统(SoC)芯片Altera Cyclone V SoC FPGA。具体内容如下:1、明确课题来源与研究内容。在本课题组设计的流式细胞仪结构的基础上,完成软硬件平台的搭建,进一步完善设备。研究内容主要涉及器件选型、硬件电路设计、Altrera SoC FPGA软硬件协同设计、实验环境搭建和功能测试。2、方案设计与实现(1)确定设计方案。硬件电路以核心板与功能模块相结合的方式来实现,核心板采用ARROW SoCKit C5S开发板;功能模块主要有散射光采集模块、液路控制模块以及AD转换模块。软硬件协同设计依照ARROW SoCKit C5S开发流程来完成。(2)硬件电路设计与实现。构建电路总体结构,根据采集信号与控制信号的速度特点,将这些信号划分为高速信号与中低速信号。通过高速HSMC接口与中低速LTC接口实现功能模块与ARROW SoCKit C5S通信。设计了各模块子电路及原理图,展示了PCB版图及电路板。(3)Altera SoC FPGA软硬件协同设计与实现。利用quartus ⅱ集成开发环境和Altera SoC EDS嵌入式开发套件,来实现流式细胞仪嵌入式系统的软硬件协同设计,主要完成了HPS配置、系统IP选择、Qsys系统生成、软硬件交互文件生成以及Linux操作系统移植。(4)实验环境搭建及功能测试。通过搭建流式细胞仪结构和流式细胞仪嵌入式系统软硬件平台来构建基本实验环境。然后,设计实验方法并根据测试内容选择实验工具,完成了对流式细胞仪部分功能的测试,包括:蠕动泵驱动电机PWM测试、液压实时监控及报警测试、聚焦流实验及光路信号实时采集与保存。

关键词：流式细胞仪 Altera Cyclone V SoC FPGA ARROW So CKit C5S quartus ⅱ Altera SoC EDS Qsys