基于现场总线的可重构数控系统的研究

在研究开放式可重构数控的基础上,构建了基于先进精简指令集微处理器和运动控制芯片的数控平台,提高了系统的集成度和稳定性,实现了生产过程的数字化与高速高精。基于现场可编程门阵列器件的硬件可重构设计,避免了资源浪费,实现了柔性制造。为解决因数控系统信息交互密集而产生的实时性、可靠性等差的问题,在对现场总线时间特性分析的基础上,开发了基于现场总线的开放式数控系统。最后,通过在机床数控系统中的应用,验证了方案的可行性和高效性。     

基于FPGA的数字电子系统容错机制的研究

对基于FPGA的电子数字系统容错系统的实现结构和实现方法,作了深入分析,并对基于动态可重构的容错技术的发展趋势给出了展望。     

FPGA技术及其与其他技术的综合运用

介绍FPGA的特点及开发过程，阐述了其与单片机和DSP相结合的技术。     

基于FPGA的硬件可重构数控系统的研制

可重构要求是21世纪制造系统的核心能力,为了实现数控系统的重构,提出了一种硬件实现方法将数控系统模块化,各模块采用硬件描述语言设计为数控IP(NC Intellectual Protocol),通过数控IP的集成完成数控系统的设计,改变下载到现场可编程逻辑器件中的配置数据来完成数控系统功能的重构.通过一经济型可重构数控系统原型的开发验证这种方法的可行性.     

基于图论的可重构机器人构型综合

提出了一种简单而有效的可重构机器人构型综合方法,应用的理论基础是图论。为此,首先将可重构机器人的各模块抽象为积木块,这样,可重构机器人系统可用一个图来描述,基于图论原理和模块间的连接约束条件,得到模块所有可行的组合装配构型。利用该方法对一种由齿轮传动模块、齿条传动模块、带传动模块和平面连杆机构等4个模块组成的4自由度可重构机器人进行了构型综合,得到了它全部6种可行的装配构型,从而有效地完成了可重构机器人的概念设计。     

基于FPGA的9/7小波变换算法实现

提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速9/7二维离散小波变换(2-D DWT)设计。在实现一维离散小波变换(1-D DWT)时采用多级流水线技术,并使用了改进的提升算法。同时,使用正则符号编码(CSD编码)和优化的移位加法操作实现乘法器,使其便于通过硬件实现,且加快了处理速度。在进行二维离散小波变换时采用改进的基于行的结构,只需完成3行行变换即可开始列变换,减少了系统资源的占用。设计通过MATLAB与ModelSim联合仿真,可以稳定运行在60MHz时钟频率下,完全能够满足高速图像实时处理的要求。     

基于FPGA的便携式四极杆质谱控制系统设计

针对便携式仪器小型化和低功耗的研制需求,本文设计了一套便携式四极杆质谱的下位机控制系统,基于Xilinx Spartan-6系列现场可编程的门阵列(FPGA)平台进行开发,采用FPGA单一芯片替代传统多种芯片组合的繁琐架构,去掉主控电路板上原有的W5500\MCU(微控制单元芯片)\DSP(数字信号处理专用芯片)\DDR(双倍速率同步动态随机存储器)等功能芯片,将这些芯片实现的扫描、控制、采集、存储、数据处理和高速传输等功能集成于同一FPGA片内。与现有的小型化四极杆质谱控制系统比较,本系统在功能和性能不变的前提下,不仅节省了芯片成本,而且主控硬件板卡的功耗节省了约2.7 W,约为原板卡功耗的37%,主控硬件板卡的面积减小了约20 cm²,约为原板卡面积的10%。本研究设计的便携式四极杆质谱下位机控制系统已成功应用于便携式四极杆质谱仪中,并且针对类似的小型化仪器有着较高的技术移植性和实用价值。     

基于FPGA的雷达信号采集系统设计

为了精确采集前端雷达信号,设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(field progr-ammable gate array,FPGA)的雷达采集系统.采用FPGA作为核心主控芯片,通过给雷达收发芯片赋值产生雷达信号,用FPGA控制板间的AD芯片对回波信号进行采样.最后将信号传输到上位机中,从而实现雷达信号获取、数据采集...     

大视场广角物镜畸变的实时数字校正

分析了利用数字图像处理进行畸变校正的理论 ,采用点阵样板校正的方法 ,对特殊的大视场广角物镜光学系统进行畸变的实时校正。通过计算机多项式拟合 ,得到该光学系统畸变的非线性变换关系 ,进而得到理想图像对应于畸变图像的空间位置及其偏移量 ,并以查找表的形式存于 EPROM中。利用实时数字逻辑电路 (FPGA) ,对畸变图像上的每个像素进行空间位置和灰度校正 ,最终得到无畸变的图像 ,完成畸变的实时校正过程。     

基于可拓理论的可重构制造系统综合评价方法

针对可重构制造系统布局规划方案选择问题,基于可拓理论构建了一个较为完备的可重构制造系统的评价体系模型。采用可拓层次分析法准确计算综合评价指标的客观权重。利用仿真软件eM-plant建立了各个方案的仿真模型,获得定量评价指标数据,并通过专家打分法对定性评价指标进行量化,基于这些数据,运用可拓评价法计算得到物元之间的关联函数值,将权重和关联函数相结合实现了对可重构制造系统的综合评价。最后用实例验证了该方法的有效性和可行性。     

高清激光显示中的色彩复现系统

利用60吋全固态激光电视样机,建立了原有的电视色度信号向激光电视色度信号转换的模型。根据激光显示的特点,推导出以三色激光(红:660nm,绿:532nm,蓝:457nm)为三基色的激光电视颜色系统与荧光粉电视三基颜色系统的矩阵转换关系。利用解码模块、现场可编程门阵列(FPGA)色域转换模块和编码模块搭建了激光三基色系统和普通电视三基色系统的色域转换电路,分析了电路中各个模块的作用及整个电路的工作过程,实现了对高清视频信号的色域转换。对比了不同颜色在转换后的激光电视上与荧光粉电视上的显示效果,对11个特征颜色的测量显示,其色域转换误差小于9.8%。实验取得了很好的色域转换效果,成功地验证了高清激光电视的色彩复现能力。     

基于现场可编程门阵列的CCD相机自动调光

针对CCD相机在一些特殊场合成像时遇到的前后两帧图像场景不一致、应用环境多样性等问题,提出了一种基于图像直方图统计和分块均值的自动调光算法。该算法首先分析一帧图像的亮度分布,并计算出下一帧图像的最佳均值。然后根据该均值调整下一帧图像的曝光量,使其合理曝光。实验结果表明,利用此方法可以获得整体亮度合适的图像。在统计直方图后,计算最佳均值只需利用到直方图和几个均值,与图像本身的大小没有关系,所以计算量非常小;在像素时钟为60MHz时,每次计算时间为6μs。另外,此方法具备较好的场景适应能力,满足场景时刻变化时CCD相机自动调光以及实时性的要求。     

应用聚类和粗糙集的FPGA底层数据挖掘方法

提出了一种从XDL文件中提取现场可编程门阵列(FPGA)底层逻辑和布线资源的方法。预处理阶段通过正则表达式将原有底层逻辑文件转换为待分析的有层次属性的关系型数据库。数据挖掘阶段则根据各个层次数据内部的特性不同,采用不同的算法进行聚类来得到初步知识。通过粗糙集分析初步知识间的关系和约简属性,得出初步知识间的联系同时进一步提取出决策规则和产生式规则的知识。最后,通过规则验证器和泛化器对提取出的规则进行验证和泛化。实验结果表明,对于大型的FPGA器件,wire的逻辑最高压缩比可以达到2.88×10-4。该方法相对于底层器件有较好的通用性和交互性,适用于对不同器件族FPGA底层信息的知识提取,对深入研究FPGA的拓扑架构,提高对FPGA进行动态重配置的可控性和实现更灵活的重配置很有意义。     

全彩发光二极管交通诱导屏光纤传输系统

设计了光纤传输系统以实现交通诱导屏图像数据的远距离实时传输。针对原光端机的诸多缺点,提出了传输系统的设计方案,构建了完整的系统结构。依据以太网相关传输协议对物理层和数据链路层的设计思想进行了分析,给出了系统中重要模块的设计方法,并对内存寻址和带宽估计进行了精确计算。测试结果表明:利用单芯光纤可完成最大分辨率为1 024pixel×768pixel,刷新频率为60Hz的图像源的实时传输,最大传输速率达1.5Gbps,距离为5～10km。与原传输方案相比,该方案减少了额外光端机设备,光纤利用率提高了80%,并利用接收端级联减少了光纤铺设成本。系统能够满足城市交通指挥中心对诱导屏实时信号的传输要求,传输性能可靠,已应用于现行交通诱导系统中。     

显示器的实时色彩管理

基于动态影像切换速度快的特点,提出一种可内嵌于显示器中,通过硬件实现的色彩管理方法来提高显示器图像颜色信息的一致性。研究了ICC规范的色彩管理理论,基于三维查找表与插值法,建立了显示器驱动信号值间的非均匀查找表;利用查找表数据,通过三维插值算法实现了显示器的色彩管理,并通过对图像特征的判断完成了自适应渲染功能。在现场可编程门阵列上建立了基于该方法的显示器实时色彩管理系统,利用该系统对两台显示器进行了色彩管理实验。结果表明,在实行色彩管理前后,两台显示器的最大色差/平均色差分别为14.56/5.08与5.4/1.83ΔEuv色差单位;使用自适应渲染功能则较好地保留了原图像的细节信息。该系统可对显示器进行较高精度的色彩管理,且满足高清分辨率动态影像实时性的需求。     

超高分辨率CCD成像系统的设计

介绍了基于50 Mpixel超高分辨率全帧型CCD芯片KAF50100的成像系统设计方法.该系统采用幕帘式焦平面机械快门对CCD进行曝光控制,CCD输出图像信号在专用模拟前端(AFE)芯片AD9845B中进行处理和模数(A/D)转换后,经现场可编程门阵列(FPGA)缓存和排序,通过低压差分信号(LVDS)接口发送至上位机.系统中所有驱动时序和控制信号均由FPGA产生,上位机通过RS422总线对系统进行命令控制.针对KAF50100四路输出不均匀性问题提出了基于最小二乘法拟合的校正方法.实验验证表明,系统可在KAF50100的最大速度模式下工作,像素读出速度为4×18 MHz,最大帧速为1 frame/s,电路读出随机噪声为2.76@12bit,动态范围为63.4db.该成像系统设计方法可以充分发挥KAF50100的性能,并且具有良好的通用性和扩展性,可以广泛应用于超高分辨率CCD成像系统的设计中,如可见光水下探测、卫星遥感、天文观测等.     

基于FPGA的自适应光学波前处理算法

针对自适应光学系统对波前处理计算量和实时性要求的提高,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的自适应光学系统波前处理算法。该算法利用核心处理模块重复利用的方式完成波前斜率计算,利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算。在像素时钟的同步下,完成整个波前处理,给出促动器所需的促动量。以一片Virtex-4LX80FPGA作为主核心处理芯片进行了实验验证,结果表明:该算法可降低50%的硬件资源,提高了系统波前处理能力;另外,算法可实现在当前帧结束前完成整个波前处理运算,提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制带宽。在室内的Shack-Hartmann波前传感器的的自适应光学系统上进行了激光光源的校正实验,结果显示光源能力集中度有了明显的提高。     

永磁同步电机速度控制器的全数字化集成

基于现场可编程门阵列(FPGA)设计了具有Anti-windup策略的速度控制器用于永磁同步电机伺服控制系统,并给出了相应的集成设计方法。该方法通过单片FPGA实现永磁同步电机的全数字集成控制。采用FPGA的嵌入式Nios II核完成速度环控制策略,通过FPGA的并行硬件电路实现了高速电流环控制器。为了解决速度给定较大时产生的控制器积分饱和问题,设计了具有Anti-windup策略的PI速度控制器用于有效地减小转速超调量,缩短调节时间。实验结果表明:与PI控制器相比,使用这种速度控制方法可使永磁同步电机最大转速跟踪精度提高10r/min,且具有良好的动态性能和稳态精度。提出的设计方法满足永磁同步电机伺服控制系统的设计需要。     

基于MC68K和FPGA的嵌入式可重构数控系统的研究

提出了一种基于嵌入式微处理器MC68K和FPGA的可重构数控系统的硬件设计方法,解决了硬件逻辑电路变化的问题,提升了数控系统的通用性和柔性。     

面阵CCD彩色视频图像实时采集系统的设计

为了实现用面阵CCD实时采集彩色视频图像,设计了一种彩色视频图像实时采集系统。在分析SONY面阵CCD器件ICX424AQ的结构参数和彩色视频图像采集原理的基础上,实现了CCD控制时序的产生和整个采集系统的时序控制逻辑。分析了CCD器件的主要噪声来源,采用相关双采样技术滤除了视频信号中的复位噪声和1/f等低频噪声,提高了系统的信噪比。由于采用的面阵CCD芯片表面覆盖有Bayer彩色滤波阵列(CFA),因此每个像素点只有一个颜色分量。为了获得全彩图像,采用一种改进的双线性插值算法来获得每个像素点上丢失的色度信息,较好地兼顾了插值效果和硬件实现复杂程度。该设计采用CCD逐行扫描工作方式,曝光时间为0.32ms时,所有像素信号可依次读出。整个系统采用FPGA作为核心控制器件,读取的CCD信号经过插值处理,实时地通过发送芯片SiI1162以DVI格式发送到TFT-LCD屏上显示。