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新疆时时彩开奖号码表:以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

? 2018年07月13日 10:47 ? 次阅读

新疆25选7走势 www.ve66b.cn 微波辐射计是一种被动式的微波遥感器,用于全天时、全天候地观测全球大气温度和湿度、降雨量等空间气象资料,在全球性水文循环探测、地质与资源调查、海洋环境与??黾觳?、灾害性天气预报与检测等研究中发挥了重要作用。由于微波辐射计是一种被动式的遥感器,其灵敏度要求很高,同时,由于当今遥感仪器的设计越来越趋于高功能密度及小型化,因此,要求多通道微波辐射计的数据处理与控制系统具有高可靠性、高分辨率、实时性好、体积小、重量轻、功耗低以及可移植性强等特点。以往多数微波辐射计数控系统中采用的以80C31为核心的设计,由于受微处理器芯片和外围电路的限制,扩展性差,所占体积较大,且需要多块电路板协调工作,功耗较大。鉴于FPGA功能强大、逻辑速度快、功耗低及可移植性强等优点,本文采用FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计,实现了设备的低功耗和轻小型化。

1 系统结构

5频段双极化微波辐射计共10个通道,其中每个频段结构框图如图1所示,由天线单元、接收机单元、定标单元、数据处理与控制系统、测温电路等功能??樽槌?。接收机单元包括内检波、低频放大、积分等部分 。接收机的输入端通过电子开关周期地在天线单元和定标单元之间切换,同时噪声源在加电和不加电两种状态下与匹配负载耦合,从而使定标源产生高、低不同的亮温,5个频段共用一套数据处理与控制系统。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

数据管理与控制系统接收远程计算机注入指令包,控制系统开关机和噪声源上下电,系统上电后,由接收机单元接收的模拟信号送入数据处理与控制系统,由数据处理与控制系统进行数据采集与存储,AGC自动增益控制、工作状态控制以及与远程计算机的数据通信??杉?,数据处理与控制系统在微波辐射计各??橹写τ谥凉刂匾奈恢?。

1.1 数控系统总体结构

数控系统由FPGA及外围电路、数据采集电路、AGC自动增益控制电路、系统开关控制电路、电平转换电路、总线接口电路等部分组成,如图2所示。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

FPGA根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令,通过电平转换电路进行转换后,控制数据采集电路完成科学数据和温度数据的采集,并控制AGC自动增益控制电路为多通道微波辐射计冷源和热源的定标提供AGC调整值 。同时,FPGA通过控制电平控制系统开关,由控制电路完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功能,并完成科学数据包到远程计算机的回传。

数控系统以Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA为核心进行设计,其配置PROM采用XCF32P,32 M存储容量。

数据采集电路采用AD公司的16位并行模数转换器AD976A,芯片转换速率为200 KS/s,此高速A/D转换器采用电荷重分布技术进行逐次逼近型模数转换,因而不必外加采样保持器。电压输入范围为-10 V~+10 V,分辨率高,可做到16位不失码。

AGC自动增益控制电路采用AD公司的12位并行数模转换器AD7247,电压输出范围选择0 V~5 V,满足微波辐射计数控系统精度要求。

1.2 硬件设计与实现

1.2.1 数据采集电路

数据采集电路由隔离驱动电路、多个多路选择器以及一个A/D转换器组成。其中,隔离驱动电路采用JFET输入的运算放大器进行隔离和驱动;多路选择器对10路遥感信号和25路温度数据进行选择,其地址信号由FPGA的I/O接口提供,经电平转换后送入多路选择器;A/D芯片转换速率为200 KS/s,16 bit双极性输出,最高位表示符号位,硬件电路如图3所示。采集到的数据存入FPGA的SRAM中,工作周期为60 s,一个工作周期结束后,将科学数据和温度数据下传到远程计算机。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

AD976A进行数据采集时,置CS引脚固定为低电平,则转换时序由R/C信号的下降沿控制,信号脉冲宽度至少为50 ns。当R/C变为低电平时,BUSY信号也变为低电平,标志转换结束,则移位寄存器中的数据被更新的二进制补码替代,其中,R/C控制端由FPGA的I/O端口进行控制。

1.2.2 AGC自动增益控制电路

AGC自动增益控制电路由5个两通道D/A转换器AD7247和隔离驱动电路组成,硬件电路如图4所示。由FPGA对数据采集电路采集的微波辐射计冷源和热源定标值进行判断,为AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调整值,通过D/A转换器及隔离驱动电路后提供给微波辐射计的接收机单元。其中,5个D/A转换器并联为微波辐射计10个通道提供AGC调整值,片选信号和转换信号由FPGA的I/O端口进行控制。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

1.2.3 系统开关控制电路

系统开关控制电路包括系统上下电和噪声源开关控制电路两部分。其中,系统上下电通过四触点磁保持继电器及ULN2003A构成的驱动电路控制,该磁保持继电器有2个线圈:1个置位线圈Set和1个复位线圈Reset,均通过脉冲触发。当继电器Set端出现上升沿时,继电器吸合,系统上电;当继电器Reset端出现上升沿时,继电器断开,系统下电。由于继电器在切换瞬间电流较大,因此需要外加驱动电路,由ULN2003A构成[3]。此种继电器具有保持功能,一旦置位或复位,即使线圈断电,继电器仍保持原状态,从而降低了功耗。

1.2.4 电平转换电路

由于FPGA设计采用的是LVTTL电平,而数据采集电路及AGC自动增益控制电路采用的是5VCMOS电平,LVTTL的高低电平为:

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

可见,LVTTL信号与CMOS信号不可直接互联,因此设计选用TI公司的SN74ALVC164245芯片(具有三态输出的16 bit 3.3 V到5 V电平转换收发器)实现LVTTL与CMOS电平的互联。

1.2.5 总线接口电路

总线接口电路通过串行通信接口实现数控系统与远程计算机的数据通信,由MAX232完成TTL电平到EIA的电平转换,硬件电路如图5所示。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

2 数控系统FPGA软件设计

FPGA软件部分包括总线控制???、天线驱动接口???、数据采集???、AGC??楹拖低晨乜刂颇??部分,使用同一时钟进行同步处理,控制其他电路共同完成微波辐射计的冷热源定标、数据采集和工作状态控制等功能。FPGA软件信息流程图如图6所示。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

其中,总线控制??榘ǔ跏蓟渲媚??、数据传输??楹椭卸洗砟??。数据传输??楦涸鹩朐冻碳扑慊淇蒲莅?,包括定标数据、科学数据和温度数据;中断处理??楦涸鸫涔こ桃2獍氖葑⑷牒湍诓恐噶钭⑷?,分别存入相应的数据缓冲区并设置相应的标志位,控制微波辐射计各部分运行状态。

天线驱动??楦涸鹬葱凶芟呖刂颇?榇涞母髦痔煜呖刂浦噶?,同时读取天线状态字和天线角编码,并存入数据缓冲区,等待下传。

数据采集??槲嗦费≡衿魈峁┑刂沸藕?,并为A/D转换器提供片选信号,控制数据采集电路工作,同时依次采集科学数据和温度数据,并在一个周期后打包下传。

AGC??橐谰菔莶杉缏凡杉娜仍春屠湓吹亩ū晔?,按照AGC调节标准调整AGC值,使冷源输出下限为3.3 V,热源输出上限为4 V。AGC调整方式为步进式调整,调整步长为5 mV,系统工作在最佳状态后,将调整后的AGC值与科学数据包共同打包下传。

系统上电后进行初始化,为防止系统上电时复位不充分,系统上电后进行3 s的延时,然后进行系统初始化,顺序依次为内存、外存、I/O端口 。程序中使用的以及需要预设初值的所有变量都要进行初始化,不使用的内存地址同时初始化为00H。

初始化后按照天线对定标区和目标观测区的扫描时序进行观测。每个观测周期的观测顺序为:热源定标→冷源定标→目标观测→热源定标。同时通过执行内部注入指令对系统工作状态加以控制,FPGA工作流程如图7所示。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

3 数控系统仿真与调试

本文选用Mentor公司的Modelsim HDL仿真软件和Xilinx公司的Chipscope FPGA片上逻辑分析仪对系统软件和硬件进行了实际仿真,通过Xilinx ISE开发环境中生成的测试激励文件Testbench,可以无缝连接Modelsim仿真工具,测试结果满足系统要求。

图8为Modelsim仿真的冷源定标和AGC值存储部分波形图。

以FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计的整体方案详解

Modelsim仿真有2种激励输入方式,一种是传统的波形输入,另一种是通过编写代码,对输入产生预定的激励,这种方式能够产生更为复杂的激励,提供更高的功能覆盖率,并且可移植性更好,验证速度更快 。

本文设计了一个对整个FPGA??榻胁馐缘腡estbench,模仿了A/D芯片采集的数据,可以验证定标过程中生成AGC调整值的准确性和存储器读写科学数据和定标数据的准确性。冷源定标过程中,程序首先为多路选择器提供地址信号addrch和addrte,依次对接收机10个通道进行数据采集。当冷源输出adout小于3.3 V,转换为步长即2A7E时, 程序将逐步减小AGC调整值,并通过D/A片选信号csa和csb送入D/A转换器,直到冷源输出高于2A7E时,将冷源定标输出和AGC调整值存入RAM中。结果表明,FPGA各??楣ぷ髡?,符合设计要求。

本文结合微波辐射计工程实现的要求,讨论了微波辐射计的数据处理与控制系统的原理,并采用现场可编程门阵列(FPGA)实现了该数控系统的硬件设计和FPGA??樯杓?,进行了部分??榈墓δ芊抡婧褪毙蚍抡?,通过了系统调试仿真验证,达到了设备小型化的设计目的;同时,采用FPGA进行设计,提高了程序的可移植性,并通过了可靠性和稳定性的分析设计,从而能够有效保证系统稳定可靠地工作。

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发表于 2018-07-01 10:28 ? 116次阅读
FPGA简单门电路怎么实现?

关于基于FPGA和ARM的虚拟软盘实现

随着硬件技术的进步,软盘逐渐被新的存储介质代替。但部分旧设备(比如织布机等)并不支持这些更快、容量更...

发表于 2018-06-29 14:26 ? 351次阅读
关于基于FPGA和ARM的虚拟软盘实现

关于基于FPGA的HDMI多模式显示??榈纳杓?/a>

随着社会信息化程度的不断提高,人们对视频处理的要求越来越高,视频处理系统处理的数据量也越来越大。在嵌...

发表于 2018-06-29 14:13 ? 384次阅读
关于基于FPGA的HDMI多模式显示??榈纳杓? /></a>
                </div><div class=

关于基于FPGA的多模式数字匹配滤波器的设计与实...

数字匹配滤波器是直接序列扩频通信系统中的关键部件,可以通过编程实现接收端同步和解扩,提高通信系统数字...

发表于 2018-06-29 14:12 ? 325次阅读
关于基于FPGA的多模式数字匹配滤波器的设计与实...

RAM分为简单双口RAM和真双口RAM

真双口RAM给设计带来很多便利。在高速存储中,需要对连续的数据同时处理,使用简单双口RAM只能读取一...

发表于 2018-06-29 08:54 ? 1042次阅读
RAM分为简单双口RAM和真双口RAM

Windows应用程序,操作系统,计算机硬件之间...

前面说过操作系统能很好的去操作底层硬件,但是不知道什么时候去操作和操作到了什么程度,这些都是由应用程...

发表于 2018-06-29 08:49 ? 420次阅读
Windows应用程序,操作系统,计算机硬件之间...

LT3070:为FPGA和服务器应用设计的稳压...

采用低电压运作的新式 FPGA 和服务器对于细微的电源电压下降很敏感。这种压降可能是以下因素综合作用...

发表于 2018-06-28 12:13 ? 295次阅读
 LT3070:为FPGA和服务器应用设计的稳压...

关于基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相...

鉴相技术是电力电子系统和测试控制中的关键技术之一,在仪器仪表、通信、导航定位、研究网络相频特性和锁相...

发表于 2018-06-28 11:53 ? 375次阅读
关于基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相...

基于Xilinx 16nm Virtex Ult...

基于Xilinx 16nm Virtex UltraScale+ 器件VU9P的异构计算实例F3在阿...

发表于 2018-06-28 09:57 ? 719次阅读
基于Xilinx 16nm Virtex Ult...

基于FPGA的图像加速解决方案

百度云云市场从产品、技术、客户资源等多渠道,开放资源与能力,引入第三方合作伙伴,与合作伙伴深度合作,...

发表于 2018-06-28 09:51 ? 1122次阅读
基于FPGA的图像加速解决方案

关于 LTM4643 的特性介绍与应用

LTM4643 是一款四输出降压型 μModule? (电源??? 稳压器,该器件可配置为单输出 (...

发表于 2018-06-28 04:14 ? 530次阅读
关于 LTM4643 的特性介绍与应用

FPGA系统中三种方式减少亚稳态的产生

在FPGA系统中,如果数据传输中不满足触发器的Tsu和Th不满足,或者复位过程中复位信号的释放相对于...

发表于 2018-06-27 10:11 ? 133次阅读
FPGA系统中三种方式减少亚稳态的产生

FPGA设计的“三个代表”:Ultrafastd...

UFDM建议正确的HDL coding风格来满足目标器件,讨论时序约束和时序收敛。正确的IO约束,I...

发表于 2018-06-27 09:50 ? 79次阅读
FPGA设计的“三个代表”:Ultrafastd...

便携式GNSS导航信号采集回放系统,可编写针对K...

该系统的监控端采用了基于CortexA8系列的ARM处理器,该处理器同时兼顾了成本与性能的要求,可设...

发表于 2018-06-27 09:15 ? 95次阅读
便携式GNSS导航信号采集回放系统,可编写针对K...

关于FPGA的功耗评估需要知道些什么

项目设计初期会选型,工程师根据资源、IO、硬核、IP等选择对应型号的FPGA。功耗部分xilinx提...

发表于 2018-06-27 09:05 ? 81次阅读
关于FPGA的功耗评估需要知道些什么

新一代SoC FPGA提供系统可信根,防止关键数...

物联网(IoT)的规模和复杂性不断上升,对主动的强化安全措施的需求日益增加。仅利用软件安全功能已经不...

发表于 2018-06-27 08:31 ? 94次阅读
新一代SoC FPGA提供系统可信根,防止关键数...

关于嵌入式FPGA的内容详解

换句话说,eFPGA是一种数字可重构结构,由可编程互连中的可编程逻辑组成,通常表现为矩形阵列,数据...

发表于 2018-06-25 17:51 ? 181次阅读
关于嵌入式FPGA的内容详解

FPGA需要跑多快?影响FPGA计算性能的几大因...

我们写软件程序的时候,习惯了给函数很多参数作为条件,根据参数内容执行函数的操作。FPGA做计算就不希...

发表于 2018-06-25 16:46 ? 580次阅读
FPGA需要跑多快?影响FPGA计算性能的几大因...

为什么使用FPGA?FPGA为什么比GPU的延迟...

计算密集型任务的例子包括矩阵运算、图像处理、机器学习、压缩、非对称加密、Bing 搜索的排序等。这类...

发表于 2018-06-25 16:02 ? 620次阅读
为什么使用FPGA?FPGA为什么比GPU的延迟...

关于基于4通道时间交织的FPGA高速采样系统的设...

高性能的模数转换器(Analog Digital Converter,ADC)被广泛应用于通信、仪器...

发表于 2018-06-25 11:45 ? 454次阅读
关于基于4通道时间交织的FPGA高速采样系统的设...

关于光电扫描测量网络信号采集??榈纳杓?/a>

基于光电扫描的坐标定位系统是近年来新兴的一种坐标测量方法,具有精确度高、不易受周围环境干扰等优点,因...

发表于 2018-06-25 11:35 ? 375次阅读
关于光电扫描测量网络信号采集??榈纳杓? /></a>
                </div><div class=

关于带通采样星载AIS非相干接收机的FPGA实现

AIS系统是一种船舶交通信息交换系统,船载AIS设备不断发送自身信息,如航向、吨位等,用以领航调度、...

发表于 2018-06-25 11:13 ? 379次阅读
关于带通采样星载AIS非相干接收机的FPGA实现

FPGA约束的详细介绍

介绍FPGA约束原理,理解约束的目的为设计服务,是为了保证设计满足时序要求,指导FPGA工具进行综合...

发表于 2018-06-25 09:14 ? 150次阅读
FPGA约束的详细介绍

FPGA资源怎么平民化?阿里云的新改造

FPGA (现场可编程门阵列)由于其硬件并行加速能力和可编程特性,在传统通信领域和IC设计领域大放异...

发表于 2018-06-23 09:44 ? 119次阅读
FPGA资源怎么平民化?阿里云的新改造

FPGA中的冒险现象和如何处理毛刺

通过改变设计,破坏毛刺产生的条件,来减少毛刺的发生。例如,在数字电路设计中,常常采用格雷码计数器取代...

发表于 2018-06-23 08:49 ? 127次阅读
FPGA中的冒险现象和如何处理毛刺

面向数据包处理的Xilinx智能解决方案

在开放式协作服务爆炸性增长以及移动和社交网络不断发展的推动下,结合智能设备的普及以及不同服务供应商和...

发表于 2018-06-22 15:13 ? 99次阅读
面向数据包处理的Xilinx智能解决方案

NGcodec谈FPGA编码在HEVC和AV1上...

随着HEVC、AV1等更复杂算法的Codec份额逐步增长,实现高质量视频编解码需要硬件支持,软件的方...

发表于 2018-06-22 15:01 ? 113次阅读
NGcodec谈FPGA编码在HEVC和AV1上...

关于基于分数低阶协方差谱的频谱感知算法研究及其F...

长期以来,传统的频谱管理与划分采用静态频谱分配方式[1],导致无线频谱利用率低下,同时研究发现,即使...

发表于 2018-06-22 14:58 ? 480次阅读
关于基于分数低阶协方差谱的频谱感知算法研究及其F...

Xilinx FPGA对数字信号处理的性能

Xilinx FPGA 可提供卓越的数字信号处理 (DSP) 性能,能够满足音频处理、接口、压缩、嵌...

发表于 2018-06-22 14:57 ? 93次阅读
Xilinx FPGA对数字信号处理的性能

关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

感应式磁力仪基于法拉第电磁感应原理,用于探测近地空间的低频交变磁场[1],它通常自带标准信号源,用于...

发表于 2018-06-22 14:55 ? 360次阅读
关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

分布式算法是一项重要的FPGA技术

式中:xb(n) 表示第n个数据的第b位。由于x(n)为有限位数据,且xb(n)的取值为[0,1],...

发表于 2018-06-22 14:53 ? 528次阅读
分布式算法是一项重要的FPGA技术

关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

正交频分复用(OFDM)由于具有抗多径衰落,频谱利用率高等特点,因而被广泛用于无线通信系统中。但是由...

发表于 2018-06-22 14:51 ? 430次阅读
关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

背景 微控制器作为目前嵌入式系统设计的主力军在各行各业得到了广泛的应用,但随着物联网、智能硬件、VR...

发表于 2018-06-22 11:35 ? 114次阅读
获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

基于FPGA的异步FIFO的实现

大家好,又到了每日学习的时间了,今天我们来聊一聊基于FPGA的异步FIFO的实现。 一、FIFO简介...

发表于 2018-06-21 11:15 ? 1037次阅读
基于FPGA的异步FIFO的实现

揭秘造芯黑马的神秘面纱

如果说目前高端集成电路的落后现状是因为我国相关产业起步晚、积累少导致的,对于如今再次兴起的人工智能浪...

发表于 2018-06-21 08:02 ? 679次阅读
揭秘造芯黑马的神秘面纱

FPGA和CPU如何搭配?

如下图,FPGA作为协处理器,CPU把指令写入内存,FPGA从内存读取指令执行,并把计算结果写入内存...

发表于 2018-06-20 15:17 ? 601次阅读
FPGA和CPU如何搭配?

FPGA学习系列:21. 自动售货机的设计

设计背景: 我们从开始学习 FPGA。到现在也慢慢的学到了血多的东西,那么我们就应该慢慢的去学习深一...

发表于 2018-06-20 10:41 ? 1070次阅读
FPGA学习系列:21. 自动售货机的设计

关于FFT硬件实现,设计中RAM输出端为何没有使...

以2048点为例,根据理论值计算,计算一次2048点的IFFT的时间应为130us。在采用流水线的方...

发表于 2018-06-20 09:05 ? 752次阅读
关于FFT硬件实现,设计中RAM输出端为何没有使...
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