CSR数字高频分析系统的同步采样器HDL设计

本文主要阐述了CSR数字高频分析系统的同步采样器的研究、设计和实现，该分析系统是基于软件无线电技术构建的。 本文的创新点主要在于提出了一种很好的正交同步欠采样方法，这种基于软件无线电原理的I、Q两路正交同步的采样方法，主要利用了平方律部件、一阶环路滤波器和NCO来对I、Q两路采样触发脉冲上升沿的时间差进行闭环控制，从而实现对高频信号的数据采集和处理。这种方法降低了对AD芯片采样速率要求，同时也为后续的基带信号处理提供了方便。 在整个同步采样系统的实现过程中我采用了功能强大的Matlab7.0作为通信算法的仿真平台，选用了AD6645、StratixIIEP2S60和DSP6416作为主要的硬件平台，并在SynaptiCAD和ModelSim中做出了FPGA的HDL程序设计及波形实现

重离子治癌装置的束流位置控制系统

近代物理所依托兰州重离子冷却储存环（HIRFL-CSR）开展重离子治癌研究。在重离子治癌过程中，需要对束流位置十分精确的控制。本文实现了精确控制重离子束对肿瘤实现三维适形扫描。 对肿瘤切片方向定位采用主动磁扫描方式，通过控制X、Y 扫描铁电源实现束流对肿瘤一层切片中各点的扫描，在治疗过程中需要实现位置变化与辐照剂量的联动。为满足束流位置切换时扫描铁电源的阶跃响应过程，采用了一种新的加速器电源控制方式，通过控制频率变化实现扫描铁电源阶跃响应过程。该方法具有精度高、参数少、响应速度快和实时性好的特点。本文提出了扫描铁电源电压控制的数学模型和实现结构，通过FPGA+DSP+DDS的硬件平台实现该电源控制方法。最终完成了对扫描铁电源高精度的控制。 肿瘤深度方向定位实质上是重离子束流Bragg峰的定位。Bragg峰与束流能量的关系要求重离子束在不同能量间切换，因而需要加速器实现变能加速。本文设计完成了适应变能加速的高频控制器，介绍了高频控制器实现方法，从而满足不同深度肿瘤切片对束流能量的要求。 核心及创新点：(1)实现重离子治癌过程中束流位置和剂量的联动; (2)基于频率调节的扫描铁电源控制器; (3)满足变能加速的高频控制器 从现场的测试和应用结果表明位置控制系统达到了设计要求

CSR控制系统的大规模多级分布式数据交互系统

CSR控制系统是一个庞大的网络分布式控制系统,它是由许多子系统组成。大规模多级分布式数据交互系统是CSR控制系统中的核心。它是实现CSR束流多能量级连调的核心，它涉及整个CSR控制系统的数据传输以及数据结构定义。大规模多级分布式数据交互系统的开发是基于螺旋模型，采用螺旋模型进行开发能最优实现CSR控制系统的需求以及各开发阶段具有很大的设计灵活性。该大规模多级分布式数据交互系统完全实现了采集数据的上行和控制数据的下行，系统通过网页实现对控制数据的录入以及对采集数据的实时显示。CSR所有数据都存储于Oracle数据库系统，数据库系统是一个三级分布式数据库系统，这样能均衡各前端服务器的资源与性能。前端服务器COM组件通过TCP/IP与ARM控制器和多功能控制器进行数据上行下行的数据交互，以及通过PCI 接口实现与各FPGA板卡进行数据交互。 论文论述了对大规模多级分布式数据交互系统、网页系统、Oracle数据库系统、COM组件库、PCI驱动程序以及各软件系统的设计实现。对大规模多级分布式数据交互系统主要从系统的结构、各级硬件设计和各级软件系统的设计这几个方面进行论述；网页系统主要描述了该系统是基于MVC框架模型的开发设计并介绍了JavaBean与Oracle数据库系统的数据交互；Oracle数据库系统主要从二级Oracle数据库的自动实时更新，和各触发器系统这几方面进行论述；又从各COM接口的功能方法进行对COM组件库的全面论述；PCI驱动程序的设计开发是与各FPGA板卡的数据交互的必须条件。大规模多级分布式数据交互系统的软件开发都采用了螺旋模型对其进行开发。本文的工作是CSR控制系统中的核心部分，具有重要的意义，同时也给同行研究工作者提供了重要的参考。 本文核心及创新点：1、创造性地提出了大规模多级分布式数据交互系统软件工程。2、三级分布式数据库系统的自动实时更新。3、采用web+Oracle+COM+PCI+ARM+FPGA+DSP的多级数据传输。4、设计并实现虚拟加速器。 从现场调试运行和验收的情况来看，大规模多级分布式数据交互系统不论从结构设计，还是软硬件设计开发都达到了设计要求

CSR事例同步系统

CSR控制系统是一个大型的基于Web的多层分布式控制系统，整个控制系统要在事例同步系统的指挥下在合适的时间作合适的事。CSR事例同步系统是CSR控制系统的最高指令单元和定时单元，它是加速器运行的基础和核心。我们自主设计研发的CSR事例同步系统是以事例为核心的末端定时同步系统。事例由同步服务器发出，被设备控制执行系统接收，相关数据信息被存储在数据库中。依据物理实验要求，编排好运行周期事例序列，事例间的时间间隔经过严格测算，同时所有设备控制执行系统建立本地事例表和对应的延时值。当周期启动的事例被发出，所有系统进行时间校准，将各自的频率和相位调整到所需要的位置。随后这个事例序列被同步服务器依次发出，设备控制执行系统在事例指令到来时解译事例编码，如果事例符合，则在符合事例对应的延时时间后开始执行事例编码指定的动作。在运行周期内，同步服务器只发事例序列，不接受任何反馈。数据和信号沿数据上行树和数据下行树在数据库系统和设备控制执行系统间传输。系统同步运行过程被精确到纳秒级，从而实现CSR的同步控制。本文对事例同步系统的总体结构和具体实现作了详细论述，详细分析了CSR周期，重点介绍了同步服务器的工作原理和实现方法。对事例同步系统的事例产生、事例发射、事例接收、事例解译和IOC等各重要部件的原理及软硬件设计做了系统论述，并给出现场及试验平台的测试结果。同时给出了几个CSR事例同步系统的成功应用实例。通过现场测试与分析，本系统完全能够满足HIRFL-CSR大科学工程对同步控制系统的要求。本文的创新点主要有，在加速器控制领域：（1）利用高速FPGA数字技术实现事例同步系统的核心模块；（2）采用先进的ARM+DSP+FPGA的嵌入式控制方式实现了事例同步IOC

CSR束流快引出控制系统研究与实现

HIRFL—CSR（兰州重离子冷却储存环）控制系统由许多子控制系统组成，磁场电源控制系统是其重要的组成部分。为实现将加速后的束流引出到实验环和外靶实验终端，需要设计一套完善的束流快引出电源控制系统。我们利用自行研制的高实时性DSP控制器，并结合先进的ARM嵌入式网络技术，构建了一个基于以太网技术的分布式电源控制系统。对于整个控制系统，本文从分布式系统总体结构，I/O部件硬件构成和软件系统编程，同步时序系统的原理与具体实现等多个方面进行论述，最后给出在试验平台和现场的测试结果。通过现场测试与分析，本系统完全满足了HIRFL-CSR大科学工程对控制系统的要求。本控制系统的技术难点为：对束团位置的精确定位和对分布式控制系统中各I/O部件的操作同步。主要技术创新有：在加速器控制领域采用先进的ARM+DSP的嵌入式控制方式；利用高速FPGA数字技术实现Kicker的定时触发

SDRAM控制器的设计及其在CSR控制系统中的应用

在国家重大科学工程HIRFL-CSR的控制系统中，高速数据获取单元或非线性过程控制器常用到数据缓冲存储器。采用集成度高、功耗低、可靠性高、处理能力强的同步动态随机存储器SDRAM，是最好的选择。但是，与速度快、控制简单的SRAM相比，SDRAM存储器有复杂的时序要求，需要定时刷新，为此，必须设计SDRAM控制器。为了降低系统成本，采用FPGA技术，并使用VHDL语言设计和实现SDRAM控制器。论文首先介绍了存储器的结构和原理，SDRAM控制器的结构和组成，FPGA技术及其配置方法和VHDL语言的基本概念。随后详细介绍了SDRAM控制器基本结构的建立、符合PC133规范的硬件设计方案和软件的实现。其次，介绍了串口和SDRAM控制器的设计开发平台，并实现对SDRAM存储器的数据读写和刷新。另外，还介绍了与计算机进行串口通信的设计。 最后，介绍了利用FPGA实现DSP与SDRAM的接口电路设计及其在HIRFL-CsR控制系统中的应用。整个论文的工作完成了CSR控制系统中SDRAM控制器的硬件设计和VHDL程序编制、调试。为以后开发和实现控制系统的高速数据获取提供了一个原型。

高性能全流水线可控参数JPEG-LS编码器实现

提出了一种高性能的JPEG-LS无损/近无损图像压缩算法VLSI实现结构.通过对JPEG-LS算法瓶颈的分析,针对算法中不利于流水线实现的场景缓存部分,采用了一种信号量集机制避免流水线等待.全流水线结构保证了算法实现可以满足高速图像传感器系统的吞吐量需求.同时通过高度参数化的设计,系统可以动态调整和优化算法参数,使压缩效果和效率适应不同的运行环境.算法在FPGA平台通过验证,并得到了接近甚至超过其他A-SIC实现的性能.

四种电化学分析仪器的研制

本报告介绍我们实验室以原有研究工作为基础，结合国家十五科技攻关课题，适应市场需要，研发的生化需氧量(BOD)快速监测仪、溶氧(DO)在线检测仪、毛细管电泳电化学发光检测仪(CE/ECL)、USB插头式超微型电化学研究系统(uECS)等四种电化学分析仪器。BOD、DO仪采用纳米、自组装等技术制作电化学探头，可实现对水体中的BOD、DO的快速、灵敏的检测，所得结果与使用传统的方法相一致，而所需时间很短，可以实时、在线监测;CE/ECL仪系结合了毛细管电泳的高分离能力和电化学发光的高灵敏度的特点开发出的整体仪器;uECS突破了原有电化学分析仪器的概念，结合了先进的USB2.0技术，整个系统体积小巧(如U盘)，通过计算机的USB接口提供电源并进行高速数据传输，具有一般研究型电化学仪的各项功能，并且具有较强的可扩展性。

海洋要素垂直剖面测量系统的数据存储

长期、定点、连续测量海洋环境参数，尤其是从海洋表面到海底的垂直剖面的监测一直以来大都是由船只完成，耗费大量的人力和财力。“海浪驱动自持式海洋要素垂直剖面测量系统”（简称“海马”）利用海洋无时不在的波浪能，驱动滑行器单方向下潜运动，直达海底或程序设定的预定深度，在控制系统作用下，滑行器依靠自身的浮力匀速上浮， 并在此过程中，完成海洋要素的自动测量和存储。 当今海洋仪器大多采用“闪存”来存储数据，主要有RS－232串口和并型口的CF(Compact Flash)卡两种形式。但是两种接口都有一定的缺陷：CF卡不能和PC机直接通信，必须通过转接口才能将数据传送到PC机上；而RS-232接口虽然可以和PC机直接通信，但是由于其传输速度较慢，不利于大量数据的传输。由于上述两种接口的缺点，“海马”采用U盘来实现数据的存储。 USB接口不仅可以和PC机直接通信，而且具有使用方便，数据传输率高，又支持即插即用等特点，但由于USB接口协议复杂，涉及的方面广，特别是软件种类比较多，而且USB芯片种类繁多，使得USB设备的开发非常困难。 本文设计的USB(Universal Serial Bus)接口电路以单片机AT89C51以及CYPRESS公司生产的USB接口芯片SL811HS为核心，结合了随机存储芯片HY62256以及看门狗芯片X25165。在介绍了SL811HS控制器芯片的主要特点的基础上，重点阐述了利用这一芯片在C语言的编程控制之下如何识别U盘的插入和拔出，以及如何将单片机的数据按协议规定写入U盘，其中的协议包括FAT文件协议，USB协议和UFI命令协议。 本系统实现了单片机对U盘的数据存储，速度快，存储容量大，数据读取方便，直观明了，系统工作安全可靠，抗干扰能力强，可扩展性大，而且针对下位机设计的串口协议简单，可以满足“海马”海量数据的存储要求。

角点检测及图像匹配算法研究

本文主要研究角点检测算法和图像的匹配算法。角点是目标轮廓上具有高曲率的点，它可以较好的描述目标的特征。角点检测技术在计算机视觉和图像理解等领域应用很广，例如运动跟踪、目标识别、立体视觉等。角点检测技术被广泛应用的原因在于：角点包含丰富的图像信息，能够对视觉处理提供足够的约束，极大地提高运算速度，在图像之间进行可靠的匹配。 本文首先介绍了一些经典的基于几何特征的角点检测算法。随后本文详细描述了SUSAN算法，并针对其不足提出了一种改进算法。算法的仿真实验结果验证：该改进算法在性能上较原算法有很大提高。计算机视觉和图像处理中另一个重要的研究内容是图像的匹配，它的应用领域也很广泛。为了利用前文的角点提取结果，本文选取了Chang的点模式识别方法来完成图像匹配，算法的匹配仿真实验结果验证了算法的有效性。 本文在最后的章节中尝试了整套算法的硬件实现，硬件仿真的平台是基于DSP和FPGA的。结果证明，所设计的系统具有较好的跟踪能力和抗干扰能力。

基于小波理论的数字图像压缩方法研究

图像压缩是图像处理领域的一个重要研究课题，在图像存储、传输等应用中发挥着至关重要的作用。小波变换具有多分辨率、时频局部性、能量集中能力强等众多优点，因此特别适合于图像压缩。图像压缩主要涉及到图像变换和编码两部分。本文的大部分工作是基于图像变换而展开的，在小波变换理论、基于小波的图像压缩算法理论及其实现、提升小波变换的FPGA实现、以及对两种小波变换算法的改进等方面进行了深入研究和探讨，具体研究内容如下： 1介绍论文的研究背景和意义，并简要介绍图像压缩和小波变换的基本知识和研究现状，概述本论文的主要研究工作。 2详细阐述图像压缩的基本知识，包括图像压缩的原理、分类和图像压缩的国际标准，回顾图像压缩技术的研究历史，并展望一些新的发展方向。 3概述小波变换的基本理论，分析提升小波相对于传统小波变换的优势。分析小波变换应用于图像压缩中的优点，阐述基于小波的分层树集划分（SPIHT）编码算法，并给出实验结果。 4 本文设计了一种并行的二维提升小波变换电路硬件结构，在设计中主要针对小波基的选取、边界拓展方式、提升小波变换数字电路的流水线设计、变换整体结构设计等进行了详细的讨论。这些设计显著降低了资源的消耗，加快了变换速度，提高硬件利用率。 5 由于小波变换缺乏方向性，本文设计了基于Contourlet变换的改进策略，充分利用了Contourlet的方向性，并且克服了其冗余性，使其性能达到最优；针对提升小波不具备平移不变性的特点，将冗余分解的策略引入到提升小波，设计了基于最小熵原则的最佳冗余提升小波分解。并将这两种方法应用图像压缩，取得了较好的效果。

运动目标检测方法及其实时实现技术研究

运动目标检测是计算机视觉研究领域的一项重要课题，具有广阔的应用前景和较高的学术价值。实现可靠、快速的运动目标检测并将其相应算法固化为硬件结构具有非常重要的意义。 本文首先深入研究了基于动态场景的运动目标检测算法，详细讨论了相邻帧差法及其改进方法：三帧差分法，并提出了一种融合相位一致性边缘检测的帧间差分方法；接着在研究了背景差分法的基础上讨论了背景获取和更新机制；然后探讨了块匹配法的基本原理及其匹配准则和快速搜索策略。 其次在研究了基于时空梯度光流计算方法的基础上，结合基于全局和局部约束的混合模型，将PM非线性扩散模型引入到了光流计算过程，同时为了加速计算和克服亮度不变模型对大运动矢量的不适应性，采取了多尺度的计算策略。实验结果表明，该方法对噪声具有较强的鲁棒性并且能够较好的保持目标的运动边缘。 最后开发了一种基于Altera公司Cyclone II系列FPGA芯片的运动目标检测系统，详细介绍了系统的硬件电路设计和相关模块的FPGA实现过程。采用FPGA的实现方案，使得系统的设计灵活、集成度高。

基于RFID的基带通信IP核的设计与仿真

分析基于射频识别(RFID)技术的系统基带通信过程,建立RFID基带传输模型,利用FPGA技术实现具有基带编解码、数据收发功能的通信IP核,介绍基于模块化思想的基带通信IP核的RTL设计方法,利用QuartusⅡ与Simulink工具进行系统仿真,仿真实验结果表明,该通信模块是有效的,能够为设计RFID通信系统提供高度集成的基带通信IP核。

UHF RFID 射频前端及其编解码设计

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式的数据采集和自动识别技术（以下通称RFID技术）。而超高频射频识别技术（Ultra High Frequency RFID，UHF RFID）具有识别距离远、识别准确率高、识别速度快、抗干扰能力强等特点而成为当前研发的热点。UHF RFID读写器的难点就在于射频前端电路和基带编解码的设计，它们设计的好坏直接决定了读写器的性能好坏。 本文首先通过介绍UHF RFID读写器射频前端设计的基本原理，采用射频通用收发模块进行射频前端设计的方法，给出了以ADF7020收发芯片为核心的UHF RFID读写器的射频前端的整体设计和具体的实现电路，设计了包括射频收发电路、射频前端匹配电路、滤波电路、环行器电路、功率放大电路等。 其次根据EPC Gen-2的协议标准进行了UHF RFID读写器的基带编码解码的仿真设计，然后开发了以FPGA为核心的完整的数字基带硬件电路，实际调试表明整个基带编解码软件在硬件基带PCB板上运行状况良好，并能对EPC Gen-2的协议标准的命令进行正确的编码解码。 最后通过研究学习软件无线电的理论和开发方法，把UHF　RFID读写器的射频前端分成射频模拟前端和射频数字前端，给出了一种基于软件无线电思想的UHF RFID射频数字前端设计模型，并借助于SIMULINK中的信号处理工具箱对构建的数字前端的进行仿真验证，仿真结果验证了用软件无线电实现UHF RFID数字前端的可行性。

PROFIBUS-DP从站通信控制器的设计与实现

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准，PROFIBUS-DP作为PROFIBUS的一个分支，以其成熟性、实时性、可靠性和稳定性，在全球范围内的工业自动化领域获得了最为广泛的应用。PROFIBUS-DP协议比较复杂, 目前只有少数国外厂商提供专用的PROFIBUS-DP协议芯片，而国内对于PROFIBUS-DP总线的应用基本以购买国外自动化设备厂商的PROFIBUS-DP通信芯片为主，导致我国的自动化行业难以掌握核心技术。因此研究和开发具有自主知识产权的PROFIBUS-DP通信芯片具有广阔的前景和重要的意义。本文通过深入研究PROFIBUS-DP协议，提出了一套完整的设计方案，并设计出符合PROFIBUS-DP协议的IP核，为最终PROFIBUS-DP通信芯片的实现打下了坚实的基础。 本文详细的介绍了PROFIBUS-DP从站通信控制器的设计实现过程。首先通过分析PROFIBUS-DP协议以及参考国外现有的芯片资料，结合自身研究，提出了PROFIBUS-DP从站通信控制器的整体设计方案，给出了设计的整体框图；其次在整体设计方案的基础上详细介绍了各个功能模块的实现方法，以此为基础，采用自顶向下的设计方法，对各个模块进行详细的设计，并给出了Verilog语言实现RTL编码以及核心功能模块的仿真波形图；最后采用ALTERA公司的Cyclone EP1C6 的FPGA芯片和Philips公司的P89LV51RD2 MCU搭建了一个标准化的智能型从站，并采用ProfiCore和ProfiScrit搭建了PROFIBUS-DP从站控制器的系统级验证环境，进行了系统级验证，充分证实了设计方案的可行性。