第九章 基于FPGA的电子系统设计
基于FPGA的数字信号处理系统设计
基于FPGA的数字信号处理系统设计数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）是一种利用计算机或数字电子设备对模拟信号进行采样、量化、编码、处理以及还原的技术，它在实际应用中起到了至关重要的作用。
为了满足实时性、高性能和低功耗等要求，基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）的数字信号处理系统开始逐渐流行。
一、引言近年来，随着通信技术和信号处理领域的快速发展，人们对于数字信号处理系统的性能要求越来越高。
传统的通信设备采用的是固定功能的专门硬件电路，难以满足不断变化的信号处理需求。
而FPGA作为一种灵活可编程的集成电路，其具备可实现硬件功能的能力，从而使得DSP系统能够灵活地适应不同的信号处理算法与应用。
二、FPGA架构和特性FPGA使用基于通用逻辑门的可编程逻辑技术进行设计，其架构主要由逻辑单元（Look-Up Table, LUT）、寄存器、多路器、存储单元以及全局时钟网络等组成。
这些特性使得FPGA具备了以下几个优势：1. 灵活性：FPGA可以根据应用需求灵活配置硬件，实现不同的功能，满足不同的信号处理算法要求。
2. 可重构性：FPGA支持在线重编程，即可以通过配置文件的更新来改变电路的功能，方便快捷。
3. 并行处理能力：FPGA拥有大量的逻辑单元和寄存器，可以同时处理多个数据。
这在实时性要求较高的信号处理领域非常有优势。
4. 低功耗：相比于传统的固定功能电路，FPGA在处理相同任务时的功耗更低，有利于降低系统整体的功耗消耗。
三、基于FPGA的数字信号处理系统设计基于FPGA的数字信号处理系统设计主要包括以下几个方面的内容：1. 系统设计与分析：首先，需要对信号处理的要求进行分析，确定系统的功能与性能指标。
然后，基于这些要求，进行系统的整体架构设计，包括硬件与软件部分的分配、接口定义以及模块划分等。
2. 信号采集与预处理：系统中的信号可能是模拟信号，需要通过模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）将模拟信号转换为数字信号。
基于FPGA的车载电子系统设计
舒适性：提高乘客的舒适感， 如空调、音响等
安全性：提供车辆安全保障， 如刹车、安全气囊等
娱乐性：提供多种娱乐功能， 如车载电视、游戏等
导航功能：提供准确的导航 服务，帮助用户找到目的地
架构概述：基于FPGA的车载电子系统架构是一种高度可配置和可编程的解决方案，用于实现车载电子系统的各 种功能。
优化设计：通过布局、布线、 时序分析等手段优化硬件设计
概述：软件架构是车载电子系统设 计的核心部分，它决定了系统的功 能、性能和可维护性。
主要组件：包括底层驱动、中间件、 应用层等，各组件之间相互协作， 共同完成系统功能。
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
设计目标：确保软件能够高效地运 行，并与硬件协同工作，实现系统 所需的功能。
关键技术：涉及软件分层、模块化 设计、接口设计等，这些技术有助 于提高软件的可扩展性和可维护性。
开发语言：VHDL和Verilog 开发工具：Xilinx ISE、Vivado等 开发流程：设计、综合、布局布线、仿真测试等 优势：可定制化、高性能、低功耗等
硬件集成：将各个 模块的FPGA芯片集 成到车载电子系统 中
软件集成：将各个 模块的软件代码集 成到统一的开发环 境中
模块测试：对各个 模块进行功能和性 能测试，确保模块 正常工作
系统测试：对整个 车载电子系统进行 功能和性能测试， 确保系统正常工作
测试目的：确保系统功能正常、性能达标 测试环境：模拟实际车载环境，包括硬件和软件测试 测试方法：采用黑盒、白盒测试等多种方法，验证系统各模块的正确性和可靠性 测试结果分析：对测试数据进行统计、分析，评估系统性能，提出改进意见
架构组成：该架构通常包括硬件和软件两部分。硬件部分主要基于FPGA，用于实现各种电子控制单元（ECU）和 传感器接口；软件部分则负责控制和管理整个系统。
基于FPGA电路重构技术的电子系统设计
（ ｅａａ ａ ｏ Ｅｅｔｉ Ｅｌｉ ｅ Ｄ ｐｒ ｍ ｆ ｌｃ ￣ ｌ 啦 而嚷， Ｊ ｕＩｓｉ ｔ ｏ Ｔ ｃｎｌｇ ， ｕ ｈｕ４ ２０ ， ｈ ａ ｒ￣ ｇ ￣ｍｚｏ ｎｔｕｅ ｆ ｅｈ ｏｏｙ ￣ ｚｏ １０８ Ｃ ｉ ） ｌ ｔ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｕ ｉｇ ａ ｐｉｄ ｅ ａ ｌ ，ｈ ｃ ｎ ｌｇ ｆ Ｐ ｉ ｕｔ ｅ ｏ ｆ ｕａｉｎ ｗａ ｎｒｄ ｃ ｄ ｉ ｅ ｉ ｉ ｉ ｐ ｐ ｒ Ａ ｃ ￣ｉ ｇ ｔ ｓｒ ｃ ： ｓ ｐ ｌ ｘ ｍｐｅ ｔｅ ｔ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ＧＡ ｃｒ ｉ ｒ ｃ ｎ ｇ ｒ ｔ ｓｉ ｔ ｕ ｅ ｄ ｔ ｌ ｎ ｔ ｓ ａ ｅ ． ｃ ｏ ｌ ｏ ｎ ｅ ｅ Ｆ ｃ ｉ ｏ ｏ ｎ ａ ｈ ｎ
ｓ ｏ ｅ ｔｃ ｎ ｌｇ ｆｃｒｕ ｔ ｅ ｏ ｇ ｒ ｔ ｎ ｖａ ｔ ｗ ｔｈ ｓ ｗ ａ ｅｅ ｔｔ ｏ ｄｆ ｒ ｎ ｙ ｔｍ ｒｈｔ ｔｒ ｓｏ ｅ ｓｓｅ ｗｈｃ ｒ ｈ ｗ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｉ ｉ ｃ ｎ ｕ ａｉ ， ｈ ｃ ｒ ｆ ｉ ｏ ｉ ｗｏ ｓ ｉ ｅ ， ｅ ｃ ｎ ｓ ｌ ｉ ｅｅ ｔｓ ｓ ｃ ｃ ｗ ｅ ａｃ ｉ ｕ ｅ ｆｔ ｙ ｔｍ， ｉｈ ａ ｅ ｃ ｅ ｈ
叫 １ｓ前 ９ 为低音 ， ０， ｓ 最后 ｌ 为高 音 ； 以进行 “ ” “ 的调 ｓ 可 时 和 分”
整校对 。 Leabharlann 硅片 以时分 复用 的形式 分别完 成 ， 用较 小规模 的 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ芯片来 实现更 大规模 的数字时序 系统 。从 表面上 看 ， 系统 的硬 件 电路
欧伟 明
（ 洲工学院电气工程 系， 株 湖南 株洲 ４２ ￣ ） １０
摘要： 文中通过 应用 实例详细地介 绍 ＦＧ Ｐ Ａ电路 重构技 术 。在 充分 了解 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的 Ｐ Ｓ配置模 式时序 的基础 上 ， 用单 片 机 Ａ ８Ｃ １ Ｔ９ ５ 模拟 实现 Ｐ Ｓ配置 时序 ， 从而 实现 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ电路 重构技术 。文 中给 出 了详细 的 系统硬 件电路 图和单 片机程序流程 图。为 了说明电路重构技 术， 通过 开关可以选择 系统 的 两种 不 同的 系统 结构 ， 分别是 数 字显示 电子钟 和 ｌ 路 电子 抢答 ８
EDA技术及应用—基于FPGA的电子系统设计：基于Verilog hdl的数字电路设计
10100
1111
15
10101
8421BC 余三码 D码
0000
0011
0001
0100
0010
0101
0011
0110
0100
0111
0101
1000
0110
1001
0111
1010
1000
1011
1001
1100
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4位格雷码
0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
4'b0011:a_to_g=7'b1111001; //显示3
4'b0100:a_to_g=7'b0110011; //显示4
4'b0101:a_to_g=7'b1011011; //显示5
4'b0110:a_to_g=7'b1011111; //显示6
4'b0111:a_to_g=7'b1110000; //显示7
4: y= {d[2:0],d[3]}; // rol
5: y= {d[3],d[3:1]}; // asr
6: y= {d[1:0],d[3:2]}; // ror2
7: y= d;
// noshift
default: y = d;
图6-2 基本门电路仿真结果
综合结果如图6-3所示。
图6-3 基本门电路综合结果
2、 三态逻辑电路
电子信息工程技术毕业设计--基于FPGA的数字信号处理系统设计
电子信息工程技术毕业设计--基于FPGA的数字信号处理系统设计电子信息工程技术毕业设计通常需要涵盖电子信息工程领域的多个方面，包括电子线路设计、数字信号处理、通信原理、电磁场与电磁波、嵌入式系统等。
题目：基于FPGA的数字信号处理系统设计一、研究背景与意义数字信号处理是电子信息工程技术领域的重要分支，广泛应用于通信、音频、图像处理等领域。
随着科技的不断发展，数字信号处理系统的性能和速度要求越来越高。
FPGA（现场可编程门阵列）作为一种可编程逻辑器件，具有高性能、灵活性好、开发周期短等优点，适用于数字信号处理系统的设计。
二、研究内容与方法1.研究内容（1）FPGA芯片选型及编程语言研究：选择合适的FPGA芯片型号，学习并掌握FPGA的硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编程。
（2）数字信号处理算法研究：研究并实现常见的数字信号处理算法，如FIR滤波器、FFT变换等。
（3）系统硬件设计：设计数字信号处理系统的硬件架构，包括FPGA、AD/DA转换器、存储器等器件的连接与配置。
（4）系统软件设计：编写数字信号处理系统的软件程序，实现算法的处理和控制功能。
（5）系统性能测试与分析：对设计的数字信号处理系统进行性能测试和结果分析，验证系统的正确性和性能指标。
2.研究方法（1）文献综述：通过查阅相关文献和资料，了解FPGA在数字信号处理系统中的应用和发展现状。
（2）理论分析：对数字信号处理算法和FPGA的硬件编程进行理论分析和研究。
（3）实验验证：搭建实验平台，对设计的数字信号处理系统进行实验验证和性能测试。
（4）结果分析：对实验结果进行分析和讨论，优化和改进系统的性能和设计。
三、预期成果与展望通过本次毕业设计，预期能够实现以下成果：1.掌握FPGA的硬件描述语言编程和数字信号处理算法的理论知识。
2.设计并实现一个基于FPGA的数字信号处理系统，提高系统的性能和速度。
3.通过实验验证和性能测试，优化和改进系统的性能和设计，提高系统的稳定性和可靠性。
电子行业电子课程设计题目
电子行业电子课程设计题目简介电子行业是一个日益发展壮大的行业，在当今世界中起着至关重要的作用。
作为电子工程师，掌握电子课程设计的基本原理和技能是非常重要的。
本文将提供一些电子行业相关的电子课程设计题目，帮助学习者深入了解电子行业并提升自己的设计能力。
题目一：数字逻辑电路设计设计一个四位二进制计数器。
该计数器应具有以下功能： - 通过按下计数器的复位按钮将计数器重置为0。
- 通过按下计数器的计数按钮，计数器应逐次计数，从0到15。
- 通过在计数器上设置一个时钟输入，计数器应根据时钟的脉冲信号递增。
设计要求： 1. 使用适当的数字逻辑门和触发器来实现计数器功能。
2. 绘制电路图和真值表来说明电路的工作原理。
3. 使用VHDL或Verilog编写计数器的描述文件，并验证其功能。
4. 给出测试用例并验证计数器的正确性。
题目二：模数转换器设计设计一个4位模数转换器，将输入的模拟信号转换为相应的4位数字信号。
设计要求： 1. 实现一个模拟信号输入模块，以提供需要转换的模拟信号。
2. 设计一个模数转换模块，将模拟信号转换为4位数字信号。
3. 使用合适的模数转换算法，如R-2R网络。
4. 设计一个模数转换器控制模块，以控制转换的开始和停止。
5. 编写VHDL或Verilog描述以实现模数转换器。
6. 给出测试用例，并验证模数转换器的转换精度和准确性。
题目三：数字电路设计设计一个3位全加器电路。
全加器电路应包括以下组件： - 三个输入端（A、B和C_in），分别用于输入两个二进制数字和上一个相加的进位。
- 两个输出端（Sum和C_out），分别用于输出两个二进制数字的和和进位。
设计要求： 1. 使用适当的门电路和触发器来实现全加器电路。
2. 绘制电路图和真值表来说明电路的工作原理。
3. 使用VHDL或Verilog编写全加器电路的描述文件，并验证其功能。
4. 给出测试用例并验证全加器电路的正确性。
基于fpga的电子课程设计
基于fpga的电子课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握基于FPGA的电子课程设计的基本知识和技能，能够运用FPGA设计简单的数字电路系统。
1.了解FPGA的基本结构和原理。
2.掌握FPGA的编程语言和设计方法。
3.熟悉FPGA在电子设计中的应用。
4.能够使用FPGA开发工具进行电路设计。
5.能够编写FPGA的配置文件并进行编程。
6.能够进行FPGA的实验操作和故障排除。
情感态度价值观目标：1.培养学生的创新意识和实践能力。
2.培养学生对电子科技的兴趣和热情。
二、教学内容教学内容主要包括FPGA的基本原理、FPGA的编程语言、FPGA的设计方法和FPGA的应用。
1.FPGA的基本原理：介绍FPGA的结构、工作原理和特点。
2.FPGA的编程语言：介绍VHDL和Verilog编程语言的基本语法和用法。
3.FPGA的设计方法：介绍FPGA电路设计的基本流程和方法。
4.FPGA的应用：介绍FPGA在数字电路系统中的应用案例。
三、教学方法根据课程特点和学生的实际情况，采用讲授法、案例分析法和实验法相结合的教学方法。
1.讲授法：通过讲解FPGA的基本原理、编程语言和设计方法，使学生掌握相关知识。
2.案例分析法：通过分析具体的FPGA应用案例，使学生了解FPGA在实际中的应用。
3.实验法：通过实验操作，使学生掌握FPGA的编程和实验技能。
四、教学资源教学资源包括教材、实验设备和多媒体资料。
1.教材：选用《基于FPGA的电子课程设计》教材，为学生提供系统性的理论知识。
2.实验设备：提供FPGA开发板和实验工具，为学生提供实践操作的机会。
3.多媒体资料：提供相关的教学视频和PPT，丰富学生的学习体验。
五、教学评估本课程的评估方式包括平时表现、作业和考试三个方面，以全面客观地评价学生的学习成果。
1.平时表现：通过课堂参与、提问和小组讨论等方式评估学生的学习态度和积极性。
2.作业：布置相关的编程练习和设计任务，评估学生的理解和应用能力。
基于FPGA的汽车电子控制系统设计与实现
基于FPGA的汽车电子控制系统设计与实现随着科技的不断发展，汽车电子控制系统已经成为当今汽车科技中不可或缺的一部分。
FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑芯片，可以根据需求重新编程，具有高效的性能和灵活的可定制性。
本文将探讨基于FPGA的汽车电子控制系统的设计与实现。
一、FPGA技术概述FPGA是一种可编程的数字电路设备，具有高度的可重构性和灵活性。
它是一种电路设计的方法，它将基本的逻辑单元（如门、触发器等）组合在一起，形成完整的电路。
使用FPGA可以实现复杂的数字电路功能，如处理视频、音频、图像等。
FPGA的特点是可编程、高效、快速和灵活性强。
与ASIC（Application Specific Integrated Circuit）不同，FPGA的电路设计是由软件完成的，不需要进行硬件设计，可以快速开发和修改系统，降低开发成本。
FPGA也可以实现高速数据传输，可达到很高的传输速度和处理速度，同时还具有大容量和低功耗的优势。
二、汽车电子控制系统汽车电子控制系统是指通过电子技术对汽车进行监测、控制和调节的系统。
汽车电子控制系统包括发动机控制系统、制动控制系统、车身稳定控制系统、自动驾驶系统等。
对汽车进行电子监控可以提高安全性、舒适性和性能。
汽车电子控制系统使用的传感器可以监测车辆状态和环境参数，如车速、转速、油门开度、刹车压力、氧气浓度等。
通过控制器可以控制汽车的各种功能，如发动机工作状态、制动力度、转向角度、车身姿态等。
汽车电子控制系统需要高效可靠的控制器和算法，以满足汽车的复杂工况和多种输入参数。
三、基于FPGA的汽车电子控制系统设计FPGA可以实现高效、灵活和可定制的数字电路设计，与汽车电子控制系统的需求具有较好的匹配度。
基于FPGA的汽车电子控制系统需要考虑以下几个方面的设计：1、传感器接口设计。
FPGA需要与传感器进行通信，接收传感器的数据，并对数据进行处理和转换。
(完整版)基于FPGA的数字电子钟系统设计毕业论文
基于FPGA的数字电子钟系统设计摘要随着电子技术的飞速发展，现代电子产品渗透到了社会的各个领域，并有力地推动着社会生产力的发展和社会信息化程度的提高。
在现代电子技术中，可编程器无疑是扮演着重要角色。
现场可编程门阵列(FPGA)是近年来迅速发展起来的新型可编程器，其灵活的可编程逻辑可以方便的实现高速数字信号处理。
它突破了并行处理、流水级数的限制，具有反复的可编程能力，从而有效的地利用了片上资源，加上高效的硬件描述语言(VHDL)，从而为数字系统设计提供了极大的方便。
本文较系统地介绍了FPGA的基本结构、基本原理、功能特点及其应用；阐述了数字系统设计的基本思想及设计流程，同时，也概述了FPGA在数字系统设计中的作用，基于FPGA的数字系统设计方法和流程；简要介绍了VHDL语言的发展历程，VHDL语言的功能特点等。
本文的主要内容是根据上述原理和方法设计一个电子钟系统，目的在于通过该系统的功能，体现出FPGA在数据处理中的应用。
该电子钟系统功能齐全，设计思路清晰。
系统程序基于VHDL语言，采用模块化设计方法。
系统设计包含8个子程序模块：分频组件、六十进制计数器组件、二十四进制计数器组件、闹钟设定组件、校时组件、i60BCD组件、i24BCD组件、以及二进制转换成七段码组件。
每个子程序均经过EDA 工具仿真，并附有仿真图，最后将各模块组装为一个整体——电子钟。
-关键词电子设计自动化；现场可编程门阵列；硬件描述语言；电子钟-Digital Electronic Clock DesignBased on Technology of FPGAAbstractWith the rapid development of electronic technology, modern electronic products , also increased. In modern electronic technology, the programmable logic devices play a key role.Field programmable gate arrays (FPGA), a new type of programmable device, is developing rapidly recent years.It introduced the concept of flexible programmable logic, which can realize -chip resources, coupled with efficient language VHDL, so as to design digital systems conveniently. This article introduces a system of the basic structure of the FPGA, the basic principle of features and applications; expounded on the basic design of digital systems thinking and design process, at the same time, also outlined the FPGA in the design of digital systems, FPGA-based digital system design methods and processes; gave a briefing on the development of VHDL language, VHDL language and other features.The main work is based on the principles and methods, design an electronic clock system to the adoption of the system, embodied in the FPGA data processing of applications. The electronic clock system is fully functional, designed clear ideas. Based on VHDL system procedures, The system is modular in design methods. It includes 8 sub-system design process modules：frequency division system, 60 M counter system,24 M-counter system,Alarm clock settings system, timing system, i60BCD system, i24BCD system, and convert binary into Seven-Segment code system. each subroutine simulated by EDA tools, with a simulation map. The modules will be the final assembly as a whole - the electronic clock.Key words EDA;FPGA; VHDL; Electronic clock-目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1课题背景和意义 (1)1.2可编程器件的发展历程 (1)1.2.1早期的可编程器件——PLD (2)1.2.2高级可编程器件FPGACPLD (3)1.3国内外研究现状 (4)1.4本文主要内容 (5)第2章FPGA基本结构及数字系统设计原理 (6)2.1 FPGA的基本结构及工作原理 (6)2.1.1基于查找表结构的FPGA (8)2.1.2查找表结构的FPGA逻辑实现原理 (8)2.1.3 FPGA的工作原理 (9)2.2数字系统设计概述 (9)2.2.1数字系统的组成 (10)2.2.2数字系统设计方法 (10)2.2.3数字系统设计的一般过程 (11)2.3本章小结 (12)-第3章数字电子钟功能模块设计 (13)3.1数字系统设计中的FPGA (13)3.1.1 FPGA在数字系统设计中的作用 (13)3.1.2基于FPGA的应用系统设计 (13)3.2数字系统设计的重要工具——VHDL (16)3.2.1 VHDL语言的特点 (16)3.2.2基于VHDL的系统设计流程 (17)3.3电子钟主要功能模块设计 (18)3.3.1分频模块 (18)3.3.2六十进制计数器模块 (19)3.3.3二十四进制计数器模块 (20)3.3.4校时模块 (22)3.3.5 BCD七段显示译码器 (23)3.4本章小结 (23)第4章电子钟模拟仿真及其分析 (24)4.1系统设计的总体思路 (24)4.2各功能模块仿真分析 (25)4.2.1 分频组件 (25)4.2.2 六十进制计数器组件 (25)4.2.3 二十四进制计数器组件 (26)4.2.4 闹钟设定组件 (26)4.2.5 校时组件 (27)4.2.6 i60BCD组件 (28)4.2.7 i24BCD组件 (29)4.2.8 二进制转换成七段码组件 (30)4.3数字电子钟功能仿真图 (30)4.4采用FPGA设计优势分析 (33)4.5本章小结 (34)结论 (35)致谢 (36)参考文献 (37)附录A (38)附录B (43)附录C (47)附录D (48)第1章绪论1.1课题背景和意义20世纪70年代，随着中小规模集成电路的开发应用，传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计的精度和效率的要求。
基于FPGA的电路设计教材(PPT 50页)
主要内容
FPGA的开发流程
设计输入
仿真
综合
布线布局
烧写
开发实例
编码器输出信号滤波
编码器输出信号辨向、计数
计数结果的数码管扫描显示
什么是FPGA/CPLD?
PLD
Programmable Logic Device 可编程逻辑器件
CPLD/FPGA
滤波的具体实现
clk
clr
ZCF INA源自bFZFCF
XZQQ
A BO C
GNJSQ
CLK CLR Q FG A
B
F
c
Z
OUT Z
图3 VHDL程序模块结构连接图
滤波效果
辨向、计数原理
辨向的编程实现
仿真结果
THX！
的针对某个系统项目而采用的文本程序 (VHDL)或原理图，针对给定的硬件结构， 进行编译、优化、转换和综合，最终获得 电路描述文件。
综合的过程：将电路的高级语言描述转换 成低级的，可与FPGA/CPLD基本结构相映 射的网表文件。
滤波
实际输出波形分析：
实际输出脉冲波形所带的毛刺实际是一些相对于正常脉冲
。 周期来说很窄的跳变，这些跳变的电平状态的持续时间很短
滤波原理
对任意输入的带毛刺信号，先检测该信号的跳 变沿，然后用一高频时钟信号对它将要保持的 电平状态进行计数。另外要设定一个毛刺的最 大电平宽度，如认为宽度小于 1μs 的信号为毛 刺，如果用 8MHZ 的时钟信号计数 8次，信号 状态不改变，就认为它是有用信号，并将它锁 存；否则为毛刺去掉。
ACTEL公司 ALTERA公司
基于FPGA的电路设计教材(PPT 50张)
主要内容
FPGA的开发流程
设计输入 仿真 综合 布线布局 烧写
开发实例
编码器输出信号滤波 编码器输出信号辨向、计数 计数结果的数码管扫描显示
什么是FPGA/CPLD?
PLD
Programmable Logic Device 可编程逻辑器件 Complex Programmable Logic Device
滤波
实际输出波形分析：
实际输出脉冲波形所带的毛刺实际是一些相对于正常脉冲 周期来说很窄的跳变，这些跳变的电平状态的持续时间很短
。
滤波原理
对任意输入的带毛刺信号，先检测该信号的跳 变沿，然后用一高频时钟信号对它将要保持的 电平状态进行计数。另外要设定一个毛刺的最 大电平宽度，如认为宽度小于 1μs 的信号为毛 刺，如果用 8MHZ 的时钟信号计数 8次，信号 状态不改变，就认为它是有用信号，并将它锁 存；否则为毛刺去掉。
滤波的具体实现
clk ZCF IN A F Z b XZQQ A B O C FCF B F Z CLK CLR Q F G A OUT GNJSQ clr
Z
c
图3 VHDL程序模块结构连接图
滤波效果
辨向、计数原理
辨向的编程实现
仿真结果
THX！
• • • • • • • • •
• • • •
ACTEL公司 ALTERA公司
XILINX公司 LATTICE公司
Libero IDE Max+plus II Quartus II Xilinx ISE ispLEVER
什么叫综合？
基于FPGA的数字系统设计6a
现场可编程
FPGA可以在应用现场进 行编程，实现硬件电路的 动态重构，具有很高的灵 活性。
集成度高
FPGA内部包含了大量的 逻辑门和触发器，可以实 现复杂的数字电路和系统。
FPGA的发展历程
早期阶段
FPGA的原型是20世纪80年代初 期出现的可编程逻辑芯片，如 Xilinx的可编程逻辑芯片。
发展阶段
FPGA在工业控制领域中 可以实现各种数字控制
和信号处理功能。
FPGA在医疗电子领域中 可以用于实现医疗设备的 数字化控制和信号处理。
FPGA在汽车电子领域中 可以用于实现汽车控制、
安全系统等方面。
02 FPGA设计基础
硬件描述语言
VHDL
超高速集成电路硬件描述语言，用于描述数字电路和 系统的行为、结构和接口。
VIVADO
VIVADO是Xilinx公司的一款 FPGA开发套件，支持从设计到实 现的全流程。它提供了高级的IP 封装器和集成开发环境，支持多 种设计输入格式。
Altera Quartus
Altera Quartus是Altera公司的 一款FPGA开发工具，支持 Verilog和VHDL的编译和实现。 它提供了丰富的库函数和IP核， 以及高效率的布局布线算法。
FPGA编程实例
数字频率计
设计一个数字频率计，通过FPGA实 现信号的采集、处理和显示。该设计 可以用于测量各种信号的频率，具有 高精度和高实时性的特点。
数字信号处理
设计一个基于FPGA的数字信号处理系 统，实现信号的滤波、频谱分析和特 征提取等功能。该设计可以应用于音 频、图像和通信等领域。
05 基于FPGA的数字系统优 化
综合优化
将设计的逻辑转换为FPGA上的配置 位流。
基于FPGA的数字电源系统设计与实现
基于FPGA的数字电源系统设计与实现1. 引言数字电源系统是一种利用数字信号处理技术实现电源控制和管理的新型电源系统。
随着现代电子设备的发展和应用需求的不断增加，传统的模拟电源系统已经无法满足高性能、高效能、高可靠性等多种需求。
因此，基于FPGA的数字电源系统应运而生。
本文旨在深入研究基于FPGA的数字电源系统的设计与实现，探讨其在实际应用中的优势和挑战。
2. FPGA技术在数字电源系统中的应用2.1 FPGA概述FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，具有可重构性和灵活性等优势。
其内部由大量可编程逻辑单元（CLB）以及各种资源模块组成，可以根据设计需求进行自定义配置。
2.2 FPGA在数字电源系统中的优势由于FPGA具有高度灵活性和可重构性，因此在数字电源系统中具有以下优势：（1）快速响应：FPGA可以快速处理各种输入信号并输出相应控制信号，实现快速响应；（2）高度集成：FPGA内部资源丰富，在一个芯片上可以集成多个功能模块，实现多种功能；（3）可编程性：FPGA可以根据不同的应用需求进行编程，实现不同的电源控制算法；（4）可靠性：FPGA内部具有冗余资源，可以提高系统的可靠性和容错性。
3. 基于FPGA的数字电源系统设计与实现3.1 系统框架设计基于FPGA的数字电源系统主要包括输入模块、控制模块、输出模块和通信模块等部分。
其中，输入模块用于接收输入信号，控制模块进行信号处理和算法运算，输出模块用于输出控制信号，通信模块实现与其他设备的数据交互。
3.2 输入模块设计输入模块主要包括数据采集和信号处理两个部分。
数据采集通过ADC （Analog-to-Digital Converter）将输入电压、电流等连续信号转换为数字量进行处理。
而信号处理则通过滤波、滤波器设计等方法对采集到的数据进行预处理。
3.3 控制算法设计基于FPGA的数字电源系统可以通过编程实现多种控制算法。
基于FPGA的智能电子系统设计与实现
基于FPGA的智能电子系统设计与实现随着社会的发展和科技的不断进步，智能化、自动化已经逐渐成为我们生产和生活的必然趋势，而智能电子系统则是实现这种趋势的重要工具之一。
FPGA （Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）作为一种重要的电子器件，因其灵活性和可重构性而广泛应用于各种电子系统中，特别是在智能电子系统设计方面具有不可替代的作用。
本文将基于FPGA的智能电子系统设计与实现作为主题，探讨其在电子系统设计和实现中所扮演的角色和作用，并结合实际案例进行详细阐述。
一、FPGA概述FPGA，即现场可编程门阵列，是一种基于可编程技术的现场可编程逻辑设备，是一种可编程的数字逻辑电路。
它通过可编程的电路架构和逻辑单元，可以实现各种不同的电路功能，且由于其可重构的特性，可以随时根据需求进行修改和升级。
相比于传统的ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）和普通CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件），FPGA具有更高的灵活性、可重构性和性价比，因此在各行各业的电子系统中被广泛应用。
二、FPGA在智能电子系统设计中的作用智能电子系统是指利用现代计算机技术和其他相关技术，对工业生产和生活中出现的物质和信息进行感知、收集、处理和控制的一种电子系统。
FPGA在智能电子系统设计中起到至关重要的作用，主要包括以下几个方面：1、高速性能：FPGA具有比较高的工作时钟频率和更快的数据处理速度，能够更快地响应用户的需求和指令。
2、可重构性能：FPGA采用灵活的可重构电路结构，可根据用户需求在现场进行升级、重构电路，避免了传统系统开销过大的问题，在智能电子系统设计中能够更好的应对不断变化的市场需求。
3、集成度高：FPGA作为单片集成电路，内部集成了大量的逻辑器件和存储器件，可用来实现复杂的数字逻辑功能。
基于FPGA的航天电子系统设计研究
基于FPGA的航天电子系统设计研究随着时代的发展，科技已经成为人类发展的必然选择。
而在科技的大潮中，电子技术的发展更是成为推动人类进步的一个最主要的因素之一。
在这种趋势下，基于FPGA的航天电子系统设计研究已经成为一个备受瞩目的领域。
本文将从基本原理以及系统设计角度进行介绍和探讨。
1. FPGA基本原理FPGA，全称为Field-Programmable Gate Array，即可编程门阵列。
它是一种基于可重构逻辑技术的芯片，可以通过编程来实现不同的逻辑电路功能。
因此，与其他硬件芯片相比，FPGA具有可编程性的优点，也就意味着在设计电路时，FPGA 可以进行非常灵活的定制化开发。
FPGA的基本原理是将逻辑电路划分为典型的查找表（LUT）和寄存器单元数组（RAM），借助这些基本模块实现任意复杂的逻辑功能。
FPGA还有一个非常重要的组成部分——开关矩阵。
开关矩阵是用于连接逻辑查找表和寄存器单元的开关矩阵，通过它可以实现任意的逻辑连接，因此非常适合于定制化电路开发。
2. FPGA在航天电子系统中的应用在航天电子系统中，FPGA可以发挥很多的作用。
首先，它具有较高的集成度和可重构性，可以满足航天电子系统对于灵活性和可靠性的要求。
同时，FPGA通过开发定制逻辑电路，使得开发成本和时间得到很大的降低，这对于航天电子系统有着非常大的优势。
其次，FPGA在航天电子系统中的应用非常广泛。
例如在高性能计算环境下，FPGA可以充当加速卡进行数据加速计算；在高速采集系统中，FPGA可以替代DSP进行数据处理；在高速数据传输中，FPGA可以替代高速串行收发器进行数据传输；在导航系统中，FPGA可以实现复杂的导航算法等等。
此外，FPGA还具有较高的抗辐射性能，这对于航天电子系统来说非常重要。
在太空环境下，航天电子系统需要不断的抵御高剂量的辐射，FPGA可以通过硬件优化来进行抗辐射设计，从而提高系统的可靠性。
3. 基于FPGA的航天电子系统设计在设计基于FPGA的航天电子系统时，需要对于系统中的硬件和软件进行完整的设计。
基于FPGA的通信电子设计
基于FPGA的通信电子设计通信技术是社会科技发展的重要标志之一。
通信系统在人类社会中的重要性不言而喻，我们正生活在全球信息时代，无论从个人通讯设备还是从大型信息网络来看，通信技术始终是其中最重要和最活跃的领域之一。
目前，越来越多的通信电子设计采用FPGA（Field Programmable Gate Array）实现，本文将探讨基于FPGA的通信电子设计的优点和实现方法。
一、FPGA的优点FPGA是一种灵活的可编程逻辑器件，拥有硬件可定制化、实时性高、并行性强、可重构性强、功耗低等优点。
FPGA可以显著提高系统的执行效率和可重构性，同时还可以满足更加严格的应用要求。
其主要优势可概括如下：1.灵活性FPGA可以非常灵活地编程和重新配置，以适应不同的应用场景。
这种灵活性和可重构性使得FPGA能够在设计过程中快速适应新的应用需求和改变，显著优化系统的设计和调试时间。
2.实时性FPGA的并行性和速度很高，可以近乎瞬间响应输入信号。
这使得FPGA非常适合于需要处理实时数据流的应用场景，例如雷达、控制系统和计算机视觉应用程序等。
3.可重构性强FPGA可以在几个时钟周期内重新配置自身，从而在不需要更改硬件的情况下实现全新的应用程序。
这种可重构性显著减少了需要大量修改硬件的时间和成本。
4.功耗低FPGA可以定制逻辑电路，因此能够实现低功耗设计，定制化电路助于减少功耗和节能，提高系统的可靠性和可持续性。
二、基于FPGA的通信电子设计已经成为了设计领域的热点之一，实现了广泛应用。
FPGA作为一个器件的设计框架，它主要面向数字电路、信号处理、图像处理、模拟电路等医疗仪器电子设计、航空航天电子设计、汽车电子、电力电子和物联网等领域。
作为FPGA的一种应用，通信电子设计主要包括协议、网络和硬件三个方面。
1.协议设计协议是信息传输的规划，是通信系统的核心。
在通信系统中设计协议是非常重要的，它能够确保正确传输数据的完整性和准确性。
基于FPGA的电子系统柔性设计
基于FPGA的电子系统柔性设计1 引言电子产品的多样性，小批量和周期性短是21世纪制造业的鲜明特征，对设计工作提出了更新更高的要求。
如何在产品改进或开发新产品时减少重设计和修改设计的工作量，缩短设计周期、提高产品可靠性是制造行业面临的重要课题。
电子系统的柔性设计是采用电路结构重置技术，将多个针对不同功能要求设计好的配置文件分别存放在不同的地址空间，根据不同的外部命令，使所需的配置文件在线下载到具有重置功能的电子器件(如FPGA)中，以时分复用的形式分别完成各个功能。
这种设计方式可以极大地提高电路系统的硬件功能灵活性。
同一电路系统在没有发生任何外在结构上的改变时，通过来自外部不同的命令信号，电路系统的结构和功能将在瞬间发生改变，从而使单一电路系统具有许多不同电路结构的功能。
现场可编程门阵列FPGA是近十多年发展起来的新型可编程逻辑器件，利用FPGA的ICR特性进行电路系统的柔性设计，无疑将会减少重设计和修改设计的工作量、缩短系统的设计周期、提高系统的通用性和性价比，增强企业的竞争能力。
2 课题设计设计一电子系统，不改变电路结构的条件下能够分别完成温度、电动自行车速度和心率信号的测量与显示，外加一个扩展功能，设计具体要求如下。
(1) 测量结果用十进制显示，温度的测量范围0～100℃，电动自行车速度的测量范围0～0.60 km／min，心率测量范围10～200跳／min；(2) 测量值用3位数码管显示，小数点能自动移动，且小数点左边1位以上的零自动熄灭；(3) 具有超量程报警功能，在超出口前测量参数的测量范围时，发出灯光信号；(4) 电路结构尽量简单。
3 系统硬件设计3.1 基于ICR技术的FPGA部分硬件电路设计根据课题要求，设计FPGA部分硬件电路如图1所示。
FPGA芯片选用Altera公司的中档器件FLEX-EPF10K10LC84-4，他是基于SRAM LUT结构的FPGA器件。
根据传送数据的方式，FLEX10K可以使用4种配置模式，即：主动串行(AS)、被动串行(PS)、被动并行同步(PPS)、被动并行异步(PPA)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(CDC-IUGREE)5-24-99
结合了SoC的FPGA的基本特征：
• … 少包括一个嵌入式处理器内核 至 … • … 有小容量的片内高速RAM资源 具 … • … 富的 IP Core资源可供选择 丰 … • … 够的片上可编程逻辑资源。 足 … • … 理器调试接口和 FPGA编程接口 处 … • … 能包含部分可编程模拟电路 可 … • … 芯片、低功耗、微封装 单 …
(CDC-IUGREE)5-24-99
硬连线结构处理单元
• 主要指ASIC 其基本特征是功能固定，通常用于完成 特定的算法，这种系统适合于实现功能固定和数据结 构明确的计算问题。如：U盘，MP3，E-NET • 不足之处主要是设计周期长 、成本高，且没有可编 程性，可扩展性差 。 • 硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要 需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研 制自己的ASIC并马上投入使用。这就是可编程逻辑 器件提出的基本思想。
• DSP在浮点运算方面有优势
-目前FPGA对浮点运算的支持效率不高；
• DSP编程开发过程比较简单
-DSP只需要编译，FPGA需要编译、综合、布局布线； -DSP开发板和驱动程序较丰富，外围电路完善； -DSP有丰富的应用范例和库。当然，FPGA的各种IP核也 越来越多。
(CDC-IUGREE)5-24-99
FPGA的发展趋势
• 向更高密度、更大容量的系统级方向迈进。 • 向低成本、低电压、微功耗、微封装和环保型发展 • IP资源复用理念得到普遍认同并成为主要设计方式 • MCU 、DSP和 MPU等嵌入式处理器 IP将成为 将成 为FPGA 应用的核心。
(CDC-IUGREE)5-24-99
(CDC-IUGREE)5-24-99
当代FPGA的主要特点
• 规模越来越大，达到上千万门级的规模，更适于实 现片上系统(SoC) 。 • 开发过程投资小。 FPGA设计灵活，发现错误时可 直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在 的花费。 FPGA除能完成复杂系统功能外，也可以 实现ASIC设计的功能样机。 • FPGA一般可以反复地编程、擦除。在不改变外围 电路的情况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的 电路功能。比如通信领域中，因为相关标准协议发 展太快，设计ASIC可能跟不上技术的更新，只能用 FPGA完成系统的研制与开发。
(CDC-IUGREE)5-24-99
当代FPGA的主要特点
• 保密性能好。在某些场合下，根据要求选用防止反 向技术的FPGA，能很好地保护系统的安全性和设 计者的知识产权。 • 以ARM 、PowerPC 、Nios 和 MicroBlaze为代表的 RISC处理器软硬 IP核、各种软硬 核IP核极大地加 强了系统功能，可以实现真正的可编程片上系统。 • FPGA 开发工具智能化程度高，功能强大。应用各 种工具可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等 一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真 、优化、约束、在线调试等功能。这些工具易学易 用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计， 快速将产品推向市场 。 。
(-IUGREE)5-24-99
可重构处理单元
• 主要指可编程逻辑器件，如 FPGA 。 • FPGA在实时系统中的应用越来越普及，它有很强 的灵活性，其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置 ，对电路的修改和维护非常方便。 • FPGA的容量己经达到了千万门级，运算速度大大 高于目前最快的DSP处理器，并且已经出现了许多 支持FPGA应用的IP核，包括各种滤波器、变换器 ， 存储器、编解码器以及数学处理功能单元等。 • FPGA可以容易地在片内实现细粒度的高度并行的运 算结构。使用FPGA可以实现功能强大的数字 ，信号 处理系统。
(CDC-IUGREE)5-24-99
FPGA相比DSP的最大优势
• 硬件可编程性和并行性
(CDC-IUGREE)5-24-99
FPGA和DSP的配合使用 DSP作主处理器， FPGA作协处理器
• 对于性能要求极高的应用，可将复杂的算法划分成 底层部分和高层部分，结合 DSP和FPGA 各自的结 构和功能特点，将算法的各个部分映射到不同的硬 件模块上，在系统功能上实现互补。 • 底层部分用于数据处理量大，速度要求高，但是运 算结构相对比较简单的算法，适于用FPGA硬件的 高度并行性实现，可同时兼顾速度及灵活性。例如 ，一定长度的FFT/IFFT、脉冲压缩、脉冲积累、 FIR滤波以及矩阵转置等算法，都可以用大型FPGA 实现。
(CDC-IUGREE)5-24-99
FPGA和DSP的配合使用 DSP作主处理器， FPGA作协处理器
• 高层部分处理的特点是所处理的数据量较低层部分 少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、 寻址方式灵活、通信机制强大的DSP 芯片来实现。 • “FPGA+DSP” 结构是目前高性能处理系统的主流 方式。这种结构非常灵活，有较强的通用性，适于 模块化设计，有利于提高算法效率，缩短开发周期 ，并易于维护和扩展。
基于FPGA的电子系统设计
(CDC-IUGREE)5-24-99
本章结构 •9.1 •9.2 •9.3 •9.4 •9.5 FPGA+DSP的高性能处理机 可编程器件的发展历史 基于FPGA的DSP算法 基于FPGA的DDS技术 基于FPGA的VGA控制器
(CDC-IUGREE)5-24-99
处理单元-构成各种处理系统的核心
SoPC(System on Programmable Chip）
• SoPC是一种特殊的嵌入式系统，首先它是片上系 统 (SoC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能 ；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式， 可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可 编程的特点。可编程片上系统正在成为FPGA 最为 重要的发展方向。 • 以FPGA 为核心的PLD 产品是近几年中发展最快的 集成电路产品。随着FPGA 性能的高速发展和设计 人员能力的提高， FPGA进一步扩大可编程芯片的 领地，将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。
(CDC-IUGREE)5-24-99
FPGA+DSP高性能处理机的一个例子
(CDC-IUGREE)5-24-99
信号处理机算法流程图
(CDC-IUGREE)5-24-99
信号处理机结构框图
(CDC-IUGREE)5-24-99
可编程逻辑器件的发展历程
• PROM －可编程只读存储器，只能存储少量数据， 完成简单逻辑功能。 • EPROM 和EEPROM －紫外线可擦除只读存储器和 电可擦除只读存储器。 • PAL 和GAL －可编程阵列逻辑和通用阵列逻辑，能 完成中大规模的数字逻辑功能。 • FPGA 和CPLD－现场可编程逻辑器件和复杂可编程 逻辑器件，可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时 序逻辑。
(CDC-IUGREE)5-24-99
基于FPGA的DSP
(CDC-IUGREE)5-24-99
基于FPGA的DSP的应用场合
(CDC-IUGREE)5-24-99
为什么使用FPGA？？？
(CDC-IUGREE)5-24-99
DSP处理器优势
• DSP适合于顺序算法
-FPGA的优势是较低系统时钟的并行运算，当然，也可以 实现顺序的算法；
• 处理单元通常可分为三类： -…SA(指令集架构)处理单元 … I -… 连线结构处理单元 … 硬 -… 重构处理单元 … 可
(CDC-IUGREE)5-24-99
ISA处理单元
• 指各种CPU、DSP处理器或专用指令集处理器，需要 通过指令系统（或微代码）来描述各种算法，并在指 令部件的控制下完成对各种计算问题的求解。 • DSP从根本上讲是适合串行算法的， DSP处理器的灵 活性主要体现在软件更改容易以及对各种算法处理和 复杂算法的实现上，而对硬件本身的更改则没有任何 灵活性而言。
• 现代平台级 FPGA中还会包含以下可选资源：
-…存储器资源 (BlockRAM)) … -…数字时钟管理单元 (分频、倍频、数字延迟)DCM或者PLL … -…I/O 多电平标准兼容(Select I/O) … -…算术运算单元 (乘法器、加法器 ) … -…特殊功模块 (MAC 等硬IP核) ) … -…微处理器 (PPC405等) …
(CDC-IUGREE)5-24-99
软核(Soft Core)
• 软核只完成 RTL级的行为设计，以HDL的方式提交使用。 • 该HDL描述在逻辑设计上做了一定优化，必须经过仿真验证 ，使用者可以用它综合出正确的门级网表。 • 软核不依赖于实现工艺或实现技术，不受实现条件的限制， 具有很大的灵活性和可复用性。 • 为后续设计留有比较大的空间，使用者可以通过修改源码， 完成更具新意的结构设计，生成具有自主版权的新软核。 • 软核的载体 HDL与实现工艺无关，使用者要负责从描述到 版图转换的全过程，模块的可预测性低，设计风险大，使 用 者在后续设计中仍有发生差错的可能，这是软核最主要的缺 点。
(CDC-IUGREE)5-24-99
IP设计与复用
• IP 设计与复用对基于FPGA 的嵌入式系统设计，具有举足轻 重的地位。 • 目前，已经能够将 RISC处理器内核、 DSP模块、数字ASIC 器 件以及其它数字 件以及其它数字IP 核等诸多逻辑器件嵌入 到 FPGA中。 • 在原有利用硬件描述语言进行DSP算法FPGA设计的基础上， Xilinx公司的System Generator 、Altera 公司的DSP Builder 和AccelChip 公司的AccelDSP 更是提供DSP算法基于FPGA的 硬件实现途径。 • 目前，各大可编程逻辑器件供应商均提供了一些 IP Core的参 考设计或商业化的IP Core 产品，还有很多第三方公司专门从 事 IP Core产品的开发和销售。 • 在 FPGA中嵌入IP往往要受到FPGA供应商的限制，高性能IP 价格也比较昂贵。在更多的场合下，是以硬件描述语言的形 式设计满足应用需求的IP，综合后在FPGA 中布局布线来实 现。