基于PCIe的高精度电压标准源设计技术研究
这是一篇关于标准源,可调直流基准,FPGA,PCIe,不确定度的论文, 主要内容为交直流电压标准源是一种高精度、高稳定性的电压校准设备,在科学研究以及工业领域中有着广泛的应用。国内的交直流电压标准源的相关技术指标如分辨率和稳定性与发达国家存在差距,且标准源通常集成了多种功能,体积较大,使用不够灵活。在此基础上,本文提出一种基于PCIe总线的交直流电压标准源,PCIe总线相较于传统的总线,其传输速度更快,扩展性也更强,因此设计基于PCIe总线的标准源设备具有重要意义。本文针对基于PCIe总线的交直流电压标准源板卡展开了研究,具体研究内容如下所示:对PCIe总线的拓扑结构和层次结构进行研究,从基于PCIe总线的交直流电压标准源系统整体出发,对电路的工作过程进行研究,设计交直流电压标准源的总体架构。对系统输出误差的来源进行研究,给出精度提升的策略,研究阶梯正弦波的谐波成分与数模转换器位数和量化点数的关系。针对指标要求,对高精度高分辨率程控直流基准进行研究,设计电荷泵倒相电路、PWM调制电路以及高阶滤波器来提高直流基准的分辨率。在波形发生电路中设计采用双DAC实现对信号频率和幅值的调节,通过设计有源滤波器和无源滤波器结合的方式降低输出波形的失真度。设计闭环系统,对反馈电压检测电路进行研究,减小失调电压对采样精度的影响;设计整流电路,分析电阻精度对转化精度的影响,最后对PCIe硬件电路的设计进行研究。再次,设计PCIe通信模块,分析使用桥接芯片和使用专用IP核的优缺点,对专用IP核进行研究,设计缓存器实现对数据的存储;对接收到的数据进行解析和处理,设计DDS模块,实现对双DAC电路的控制;依据电路结构,设计系统控制模块,实现对继电器和模拟开关的控制。对QT中信号和槽函数的连接进行研究,设计上位机软件界面,实现人机交互。最后,搭建系统测试环境对标准源系统的功能进行测试。对部分电路的波形进行测量,设计实验对输出电压的短期稳定性、电压分辨率和不确定度等指标进行测试。最终的实验结果表明,本课题设计基于PCIe的交直流电压标准源达到设计要求,能够实现输出直流电压不确定度最优5ppm,输出交流电压不确定度最优50ppm。
汽车高速通信总线检测分析模块设计
这是一篇关于高速串行总线,PCIe,总线分析,通信测试,汽车总线的论文, 主要内容为在汽车工业生产时,通常采用高采样率示波器和逻辑分析仪等通用仪器进行汽车高速总线检测分析。但由于通用仪器在使用环境方面的严苛要求和较高的价格,使得在汽车生产过程中进行高速总线检测分析较为繁琐且成本较高。本课题针对汽车工业生产的场景设计了汽车高速通信总线检测分析模块,作为汽车专用总线分析设备,有效降低了环境要求和价格,采用硬件分析的方案提升了分析速度和效率,能够在汽车的生产环节和出厂后的总线故障检测任务中发挥重要作用。本课题基于XCKU5P系列FPGA实现了汽车高速通信总线检测分析模块。该模块主要由汽车高速串行通信模块和汽车总线分析模块组成,能够对汽车高速串行通信系统进行高速串行计算机扩展总线标准(Peripheral Component Interconnect Express,PCIe)事务、链路训练等功能的测试,并快速准确地抓取汽车高速串行总线上的数据包。本文主要完成了以下几方面的工作:1、汽车高速串行通信模块的设计与实现。汽车高速串行通信模块通过可重构方案设计,将功能模块最小化使模块具有较高灵活性和可拓展性。该模块由事务层、数据链路层和物理层组成。在事务层内本文设计了发送端事务层包创建模块、接收端事务层解析模块和流量控制模块。在数据链路层中设计实现了数据链路层包的创建和解析模块,并结合备份缓冲实现了对错误事务层包的重传。在物理层内,本文设计并实现了发送端的有序集产生模块、字节剥解模块、扰码模块和链路训练状态机模块等功能模块,并对应在接收端实现对应模块。2、汽车总线分析模块的设计与实现。本文将汽车总线分析模块按工作流程划分为协议触发、拆解分析和存储三个子模块,协议触发模块实现了按数据包的类型进行触发,包括事务层包触发、数据链路层包触发和有序集触发。在拆解分析模块中根据触发模式设计了三种对应的拆解分析模式,并实现了不同模式下的信号提取状态机。存储模块则对信息进行存储并等待读取。3、功能模块的仿真测试与验证。本文结合汽车高速串行总线测试的应用场景,提出了验证模块功能的仿真测试方案,对模块进行了全面的功能验证。此外,本文设计了包含汽车电子控制单元的验证平台,通过PCIe总线与汽车电子控制单元连接,验证了所设计模块在汽车PCIe总线测试中完成测试任务的能力。
面向可重构密码芯片的硬件调试器设计
这是一篇关于可重构密码芯片,压缩计算,调试器,PCIe,密码算法的论文, 主要内容为密码芯片在信息安全领域中发挥着主要作用,采用可重构计算方式实现的密码芯片结合了GPP性能高和ASIC灵活性高的优势,是当前密码算法实现的理想方案之一。为保障可重构密码芯片的运行稳定性,设计并实现面向可重构密码芯片的调试器在芯片开发过程中显得尤为重要。可重构密码处理器的高带宽和高性能也为可重构调试器带来算法计算调试数据量大的问题,这也成为可重构调试器设计的主要挑战和关键点。本文从可重构密码系统架构和密码算法的实现特征出发,在对可重构密码算法调试数据进行了充分的调研与分析后,提出了一种面向可重构密码芯片的密码算法调试数据分级分组压缩方案,并结合可重构配置的构成特点,在对调试数据进行填充与拼接处理后采用Huffman压缩编码方式对可重构调试数据进行压缩处理,在降低调试数据存储资源的同时,有效增加了调试数据的传输性能。为了满足密码算法在可重构阵列中实时单步调试的需求,本文提出了一种针对可重构阵列单步调试的数据同步策略设计,通过在可重构阵列中设计调试电路模块与控制电路模块,并引入数据同步设计逻辑,实现了对可重构阵列的动态配置功能调试。利用PCIe总线接口实现可重构单元与外部主机间的调试数据传输,在实现密码算法功能调试的同时提高了调试数据传输性能。本文基于集成开发环境配置并实现了分组密码算法AES、DES,序列密码算法ZUC、SNOW3G以及杂凑密码算法SM3、MD5。根据本文提出的调试数据压缩方案,所有密码算法的调试数据压缩率均可达50%以上,其中配置信息压缩率均在60%以上。本文还搭建了上位机联合调试环境,使用PCIe3.0 x4总线接口对密码芯片算核进行调试。其中,在AES密码算法功能调试无误的情况下,发送3KB的数据包平均调试性能可达16.618Gbps,与传统调试接口JTAG或SWD相比,调试性能提高约3个数量级;与PCIe3.0 x4接口的FPGA实现相比,采用本文调试数据处理方案后,数据传输性能提高41.80%。
汽车高速通信总线检测分析模块设计
这是一篇关于高速串行总线,PCIe,总线分析,通信测试,汽车总线的论文, 主要内容为在汽车工业生产时,通常采用高采样率示波器和逻辑分析仪等通用仪器进行汽车高速总线检测分析。但由于通用仪器在使用环境方面的严苛要求和较高的价格,使得在汽车生产过程中进行高速总线检测分析较为繁琐且成本较高。本课题针对汽车工业生产的场景设计了汽车高速通信总线检测分析模块,作为汽车专用总线分析设备,有效降低了环境要求和价格,采用硬件分析的方案提升了分析速度和效率,能够在汽车的生产环节和出厂后的总线故障检测任务中发挥重要作用。本课题基于XCKU5P系列FPGA实现了汽车高速通信总线检测分析模块。该模块主要由汽车高速串行通信模块和汽车总线分析模块组成,能够对汽车高速串行通信系统进行高速串行计算机扩展总线标准(Peripheral Component Interconnect Express,PCIe)事务、链路训练等功能的测试,并快速准确地抓取汽车高速串行总线上的数据包。本文主要完成了以下几方面的工作:1、汽车高速串行通信模块的设计与实现。汽车高速串行通信模块通过可重构方案设计,将功能模块最小化使模块具有较高灵活性和可拓展性。该模块由事务层、数据链路层和物理层组成。在事务层内本文设计了发送端事务层包创建模块、接收端事务层解析模块和流量控制模块。在数据链路层中设计实现了数据链路层包的创建和解析模块,并结合备份缓冲实现了对错误事务层包的重传。在物理层内,本文设计并实现了发送端的有序集产生模块、字节剥解模块、扰码模块和链路训练状态机模块等功能模块,并对应在接收端实现对应模块。2、汽车总线分析模块的设计与实现。本文将汽车总线分析模块按工作流程划分为协议触发、拆解分析和存储三个子模块,协议触发模块实现了按数据包的类型进行触发,包括事务层包触发、数据链路层包触发和有序集触发。在拆解分析模块中根据触发模式设计了三种对应的拆解分析模式,并实现了不同模式下的信号提取状态机。存储模块则对信息进行存储并等待读取。3、功能模块的仿真测试与验证。本文结合汽车高速串行总线测试的应用场景,提出了验证模块功能的仿真测试方案,对模块进行了全面的功能验证。此外,本文设计了包含汽车电子控制单元的验证平台,通过PCIe总线与汽车电子控制单元连接,验证了所设计模块在汽车PCIe总线测试中完成测试任务的能力。
基于FPGA的超高速阵列式相机电控系统设计与实现
这是一篇关于阵列式相机,FPGA,AXI协议桥,Aurora总线,PCIe,同步触发,多通道DMA的论文, 主要内容为超高速相机被广泛应用于工业生产、科学研究、航天探测等领域。目前高帧频相机所生成的图像分辨率较低,无法达到工程应用需求。因此,本文采用多个高帧频、低分辨率的相机组成相机阵列的形式来提高成像分辨率。阵列式相机在高帧频和高分辨率成像模式下,系统所需的处理和传输带宽要求高,常见的基于PC处理器和ARM微控制器等平台的图像解决方案无法满足高带宽处理要求。同时,由于阵列式相机异步工作特性,相机间的成像与数据同步时序要求严格。这对系统的并行处理能力提出了更高的要求。近年来,FPGA凭借高度的可重构性和并行加速能力成为图像处理领域的主流研究平台。本文提出了“多级互联,逐级分配,优势互补”的设计思想,主要贡献是设计了一个可配置的通用化、高速化阵列式相机电控系统。首先,本文从阵列式相机电控系统所需原理入手,对系统传输所涉及的多种AXI协议进行了分析,设计了通用协议转换桥。其次,针对传统处理器多相机传输带宽不足问题,本文分析了Aurora高速传输总线和片上集成化PCIe通信框架,设计了用于阵列式相机数据上报、参数配置的多端点同步光纤通信阵列和片上PCIe通信网络,有效提高了系统数据处理带宽。随后研究了各类DMA传输技术,针对多核异构处理器的特点提出了多通道分散聚集式DMA传输结构。除此之外,针对多相机同步问题,本文提出了同源触发信号多路分配的阵列式相机同步机制,并基于光纤通信阵列设计实现了多相机流式数据同步逻辑。为减少系统干扰和提高电磁兼容性,本文从高速电路信号完整性出发,分析了信号串扰和反射的相关原理。在此基础上,本文分别设计了以Zynq MPSo C和Virtex-7为核心的前后端FPGA硬件平台,并针对高速电路设计提出了相应的干扰抑制方法。本文还分析了系统功耗,设计了低噪声、抗干扰的多级电源网络。最后,本文对阵列式相机电控系统硬件平台、逻辑控制和软件功能进行了测试。为了验证系统的完备性,本文对电控系统平台进行了功能拆分,建立了多样化的测试场景,并独立验证了各功能单元。在3×3阵列测试模式下,电控系统每秒可处理1000帧图像,数据有效带宽达到4.719Gbps。测试结果从电气特性、接口性能到整体功能验证都符合预期。此外,本系统可扩展性强,支持连接多尺寸相机阵列,可满足6×6阵列结构下高达18.875Gbps数据传输。
基于FPGA的MVB总线数据采集及光纤传输系统设计
这是一篇关于MVB总线,FPGA,数据采集,PCIe,Aurora64B/66B,上位机软件的论文, 主要内容为列车通信网络已成为列车车载控制系统的重要组成部分,其稳定运行是列车正常行驶的重要保障。目前高速动车组的列车通信网络广泛应用多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus,MVB)进行数据通信。由于列车通信网络中存在多个设备同时挂载在MVB总线上的情况,不可避免会存在网络拥堵和网络质量下降等问题。为解决目前列车通信网络维护工作量大及故障诊断效率低的问题,需要采集MVB总线数据进行实时监测,其有利于列车运行状态诊断及故障分析,对MVB总线设备工作的可靠性及列车行车的安全性具有重要意义。本文利用Aurora 64B/66B协议与PCIe协议作为板间光纤接口协议和主机接口协议,设计一种基于FPGA的MVB总线数据采集及光纤传输系统,实现MVB总线波形数据实时采样和传输,并通过系统上位机软件对MVB总线波形数据进行存储和分析。本文的主要工作包括:第一,深入研究IEC61375-3-1标准中的MVB总线通信协议,对MVB总线数据采集及光纤传输系统设计需要的理论进行介绍说明,包括数据采集基本原理、PCIe总线协议以及Aurora 64B/66B传输协议。第二,根据系统设计需求对系统的总体结构进行模块规划,对系统各个模块的芯片选型和原理图设计进行分析,并对采集模块PCB板的布局、布线、叠层等方面进行设计。第三,根据系统软件架构对系统数据采集控制卡和光纤通信卡的FPGA逻辑软件进行详细设计论述,并对系统中的主要模块进行功能仿真。通过对仿真时序的分析,初步验证系统逻辑设计的正确性。第四,利用Visual Studio 2015平台设计了系统上位机软件,该软件分为三个模块,分别为PCIe硬件驱动程序、上位机控制模块以及人机交互界面。第五,进行系统模块功能测试,并利用上位机软件和FPGA逻辑软件进行板级验证。测试结果表明,在系统采集性能方面,系统各个模块均可正常工作,并且通过系统采集到的MVB总线数据可准确回放出原始波形;在系统传输实时性方面,系统的传输速率达到2.2GB/s以上,提高了MVB总线状态诊断和故障分析的效率。
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