基于DSP和FPGA技术的细胞图像采集系统设计

细胞学研究领域中需要对大量细胞的生长情况进行长期的在线跟踪、记录和分析,针对细胞图像采集和处理中的数据量大、采样频率高、运算复杂等问题,设计了一种新颖的细胞图像采集系统,讨论了DSP(Digital Signal Processor)处理系统和FPGA(Field Programmable Gate Arrays)逻辑控制系统设计中的关键技术问题,以及JPEG图像压缩算法的实现问题.系统主要由视频解码芯片、FPGA以及DSP等组成,具有功能集成、结构简单、编程灵活的特点,能够实现对大量细胞进行长期观测记录的图像采集,以及后期图像数据处理的功能.      

航天器FPGA在系统局部重构容错设计研究

提出了一种新的FPGA在系统局部重构容错方法,可以较明显地削减容错配置数据量。阐述了新方法的原理及实现算法,分析了新方法的性能;为排除新方法实施过程中的障碍,提出了电路去耦的容错电路设计方法;运用新方法设计了深空探测遥控数据处理电路,并在Flash型FPGA演示了新方法的实施过程。     

基于FPGA与TDC的GPS-铷钟时间同步系统

描述了一种高精度的GPS-铷钟时间频率同步系统,系统输出标准10MHz频率,同时输出高精度的1PPS同步时间信号,在GPS信号驯服下系统同步精度可达到7.2ns,输出频率准确度优于1E-12。论文阐述了系统的原理,给出了测试数据,结果表明,系统指标满足工程应用要求。     

一种基于FPGA的超高速32k点FFT处理器

采用FPGA(Field Programmable Gate Arrays)实现了一个超高速的32k点的流水线FFT(Fast Fourier Transform)处理器.FPGA的工作频率为125MHz,可以处理连续的1Gs/s(1 Giga-samples per second)的复数数据.该FFT处理器主要基于二维分解算法,采用MDF(Multi-path Delay Feedback)流水线结构,并结合MDC(Multi-path Delay Commutator)及SDF(Single-path Delay Feedback)结构的特点.处理器的内存资源消耗相对MDC结构有所减少,而运算速度相对SDF结构有所提高.建立了处理器的算法和设计模型,并根据模型对处理器的3个组成模块进行了优化以减小资源消耗.利用VHDL语言在Xilinx ISE工具上进行了设计,FPGA的布局布线结果验证了设计的可行性.     

基于FPGA的时间数字转换技术综述

基于FPGA的时间数字转换(FPGA-Based Time to Digital Converters, FPGA-TDC)具有较短的开发周期和更灵活的开发方式,随着针对TDC的研究工作越来越多,应用于不同场景的各种FPGA-TDC架构也相应出现,但是对于这些架构的分类和命名,并没有一个统一的标准。采用一种以分辨率来源为分类依据的方法,对近几年国内外研究机构关于FPGA-TDC的成果进行了分类,综述了该领域的技术方法,总结了各类架构的优缺点,并且对FPGA-TDC未来的发展做出了展望。     

基于FPGA的MBOC中频调制信号的实现

MBOC调制信号是Galileo和GPS系统的互操作导航信号调制方式。在研究MBOC调制信号产生机理的基础上,对MBOC调制信号的特性进行了分析,并在现场可编程门阵列(FPGA)平台上实现了MBOC调制信号,给出了仿真和测试结果。实验表明,该实现方式正确可行,对于新的导航信号结构的研究和新一代接收机的研制具有极其重要的意义。     

基于FPGA的可变尺寸块运动估计高效结构

针对可变尺寸块运动估计(VBSME,Variable Block-Size Motion Estimation)的硬件结构在现场可编程门阵列(FPGA, Field Programmable Gate Array)上实现时消耗资源多且速度慢的问题,提出了一种面积和速度优化的VBSME硬件结构.其中,绝对差累加和(SAD,Sum of Absolute Differences)的计算采用基于随机存储器(RAM,Random Access Memory)的累加计算方式,比基于寄存器合并的方式节省了面积并增加了速度;通过采用脉动比较链而非总线结构,增强了多个SAD值的比较能力,并能高效地实现对部分差排除算法(PDE,Partial Difference Elimination)的支持.基于Virtex-II型FPGA器件,本结构消耗了2261个slice,时钟频率达到164MHz,在搜索窗口为16×16时可实时处理标清格式的视频.与同类设计相比,设计的面积可减少77%,速度增加218%,FPGA的硬件效率显著提升.     

面向进化容错的FPGA故障模型研究

不同的容错方法需采用不同的故障模型。文章分析了进化容错方法的特点,提出需要研究与之相适应的FPGA故障模型。首先从故障模型定义出发提出故障模型划分的思想,从不同的角度研究FPGA故障模型;然后根据基于SRAM的FPGA的结构特点,从功能角度和配置角度提出两种FPGA故障模型划分,分析了两种故障模型划分方法所适用的容错方法。从配置角度划分FPGA故障模型有利于简化进化容错方法中的故障检测环节。故障检测实验的结果说明这种划分方法是有效的。     

基于FPGA的低复杂度快速SIFT特征提取

尺度不变特征变换（SIFT）算法具有优良的鲁棒性,在计算机视觉领域得到广泛应用。针对SIFT算法高计算复杂度而导致其在CPU上运行实时性低的问题,基于现场可编程门阵列（FPGA）设计了一种低复杂度的快速SIFT硬件架构,主要对算法的特征描述符提取部分进行优化。通过降低梯度信息（包括梯度幅值和梯度方向）的位宽、优化高斯权重系数的产生、简化三线性插值系数的计算和简化梯度幅值直方图索引的求解等方法,避免了指数、三角函数和乘法等复杂计算,降低了硬件设计复杂度和硬件资源消耗。实验结果显示,提出的低复杂度快速SIFT硬件架构,与软件相比,可以获得约200倍的加速;与相关研究相比,速度提高了3倍,特征描述符稳定性提高了18%以上。      

基于FPGA的直接驱动阀用音圈电机功率驱动器

音圈电机的功率驱动器对控制器运算速度要求较高,传统方法普遍采用模拟控制,但其存在调试不便、特性漂移、不易实现复杂控制算法、无法与数字控制器直接实现接口等固有缺点.介绍了基于现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)的采用全数字式控制的直接驱动阀用音圈电机功率驱动器.利用FPGA通过模块化设计,实现了产生脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)信号、电流信号采样及其数字滤波、电流闭环控制以及与其它数字控制器的通讯等功能.仿真及实验结果表明:所设计的基于FPGA的音圈电机功率驱动器具有良好的电流跟踪性能,可以满足直接驱动阀系统的控制要求.FPGA的运用,大大简化了系统硬件结构,提高了系统的控制性能,且便于扩展功能以及与其它数字控制器实现接口.     

基于中轨与静止轨道卫星定位系统星座优化设计

文中分析了中国区域性覆盖卫星导航系统“北斗”系统的特点，提出了采用“北斗”系统静止轨道卫星结合若干倾斜圆轨中轨MEO卫星，构成中国区域性覆盖星座的设计思想。文章给出了卫星导航定位系统星座优化设计方法，比较了多种设计思想和多种轨道形式的设计方案。通过仿真计算分析，在多种设计结果中，得到了优选的2颗GEO卫星结合若干MEO卫星星座设计方案设计结论。并且针对所选星座的覆盖性能，仿真给出了区域性覆盖优选星座的PDOP特性。     

免疫遗传算法在百叶窗最优化热设计中的应用

考虑优化过程中辐射能量交换的特殊性,为了加速优化过程的进行,通过引入漫反射系统单元表面间辐射传递系数与角系数之间的关系来处理百叶窗的辐射能量交换;同时为了克服传统优化算法存在的缺陷,提出了一种免疫遗传算法,并且应用于百叶窗最优化热设计中。优化设计表明,与标准遗传算法相比,该优化算法具有较强收敛度与全局寻优能力,可以较好地用于最优化热设计中。     

GTO发射轨道的两级分解全局优化设计策略

文章提出了包含两级规划、轨道分解优化以及混合遗传算法的GTO发射轨道优化设计策略。针对最优控制变量和总体变量耦合所带来的收敛性差问题 ,建立了两级规划模型 ,其中上面级问题处理总体变量 ,下面级问题处理单独的轨迹控制变量。整个发射轨道优化设计问题被划分成两个轨道段优化设计子问题 ,采用串行混合遗传算法完成子问题的求解。选择一个二级GTO运载火箭 ,进行最大运载能力优化设计 ,对俯仰角选择、发射轨道参数选择等问题进行了分析 ,得出了一些有益的结论。算例分析结果表明所提出的GTO发射轨道优化设计策略的优良性能 ,在运载火箭总体设计中有良好的应用价值。     

一种基于主星的导航星座构造方法

提出了一种基于主星的导航星座构造方法,利用不等式约束下多变量函数最优化问题的求解方法实现了导航主星的选取和导航星座的构造。实验表明,采用该方法构造的导航星座数据库,既不会造成导航星的丢失,又显著地减少了需要存储的识别基元的数量,从而有效地降低了导航星座数据库的存储容量。     

基于网络架构的箭载图像采集系统设计及硬件实现

图像采集系统负责监控和记录运载器上多个重要点位的视频信息。文中介绍了一种基于网络架构的箭载通用图像采集系统,负责采集高清图像并无损存储在图像压缩器内,将高清图像压缩后经遥测传输至地面,由于带宽有限,可实时切换下传的图像信息,同时支持通过网络实时访问箭上图像信息和事后图像数据回读功能,为评估箭上的工作状态或分析故障提供了保障。     

基于FPGA的高准确度数字频率信号源设计

介绍了直接数字频率合成技术的实现方法,分析了其优越的技术特性。根据其特性,利用FPGA设计了高准确度的数字频率信号源。仿真结果表明,与传统的信号源相比,使用该方法实现的信号源,其信号种类多,准确度高,满足测试设备数字化、软件化的趋势。     

基于Scrubbing的空间SRAM型FPGA抗单粒子翻转系统设计

基于SRAM工艺的FPGA在空间环境下容易受到单粒子翻转(Single Event Upsets, SEU)的影响而导致信息丢失或功能中断. 在详细讨论三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR)和刷新(Scrubbing)的重要原理及实现细节的基 础上, 实现了一种高可靠性、TMR+Scrubbing+Reload的容错系统设计, 用反熔丝型FPGA对SRAM型FPGA的配置数据进行毫秒级周期刷新, 同时对两个FPGA均做TMR处理. 该容错设计已实际应用于航天器电子系统, 可为高可靠性电子系统设计提供参考.     

基于FPGA的高性能电离层测高仪数控系统设计

为建立天地一体化电磁观测系统,实现电离层等的实时准确观测,为地震机理的研究与地震预报工作提供科学有效的数据,提出了一种高性能电离层测高仪数控系统设计方案将应用于电磁卫星的地面同步验证系统中,给出了数控系统的时序控制单元、发射单元和接收单元等的具体实现.在收发延迟可变的雷达时序控制下,发射单元利用直接数字合成技术产生1～30MHz的脉冲信号,40位类巴克码对脉冲信号进行二进制相位调制编码,随后交替发射正交极化波;接收单元利用高速模数转换器实现信号的数字化,采用FPGA技术进行下变频处理.本数控系统的设计可直接获取回波信号的极化信息,高度分辨率为1.5km,探测周期小于2min.实验结果表明,该数控系统方案切实可行.     

不规则区域成像覆盖星座构型优化设计

近年来卫星对地观测需要呈现逐年上升趋势.从单个目标点的对地观测卫星星座构型设计方法入手,推广为设计满足不规则大范围成像区域重访时间需求的卫星星座.以卫星数目最少及满足重访时间要求为优化目标,采用改进的模拟退火算法,结合改进的等面积网格点覆盖法,提出了一种针对不规则区域成像全覆盖的卫星星座构型优化设计方法.分析了光照因素对重访时间、所需卫星数目以及星座构型的影响,并通过仿真分析验证了算法的可行性.     

基于FPGA的CCSDS星载数据无损压缩系统设计

星载数据的无损压缩对星载数据的存储和传输具有重要意义.CCSDS推荐的RICE算法对于实现数据的无损压缩具有很好的效果.本文针对RICE算法中k值选择算法计算量大的缺点,利用预处理样本最大值优化k值的方法,使优化后的算法计算复杂度更低,资源占用率更小,运行时间更短,但压缩比相近.利用FPGA进行硬件实现并通过仿真和试验测试,使星载数据的压缩比达到1.5以上,可以满足星载系统对数据压缩的要求,为星上其他载荷提供更多资源.