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论基于可重用技术的介质损耗数据采集系统设计.docx
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论基于可重用技术的介质损耗数据采集系统设计.docx
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摘 要
可重用设计方法是以IP复用和IP设计为基础的一种有效的设计方法与先进的设
计理念,它将传统的停留在板级设计层面的嵌入式系统硬件设计提升到基于可编
程逻辑芯片上的系统级设计。可重用设计方法的引入大大缩短了基于可编程逻辑
器件的嵌入式系统设计周期,更为科研院所将独创的算法模型迅速转化为IP核,
加以推广应用和知识产权保护提供一个良好的途径,成为设计系统原型的首选方
式。
本文将可重用设计方法成功地应用到实际科研项目——基于FPGA及IP软核的
介质损耗数据采集系统。分析了可重用设计方法在嵌入式系统设计中的重要作用,
介绍了电容型设备介质损耗检测原理,深入分析了影响在线检测的因素,并确定
了数据采集系统设计方案。
在方案设计的基础上,从系统级设计和功能模块级设计的角度详细介绍了构成
系统的外围电路设计,FPGA内部逻辑的定制,以及基于NiosⅡ处理器的软件设计,
并对系统硬件的抗干扰设计进行了简要叙述,最终设计并实现了基于FPGA及IP软
核的介质损耗数据采集系统。
关键词:可重用设计 FPGA IP软核 介质损耗数据采集
Abstract
Reuse methodology is an efficiency method and advanced idea of chip design,
which is based on reusing and design of IP core. It changes the focus of system design
from the board-level of embedded system hardware design to the chip-level of
programmable logic device based design. The use of reuse methodology does not only
decrease the cycle of designing the embedded system based on programmable logic
device, but also is a shortcut to transfer a algorithm to an IP core to be protected better
and able to be used in lots of fields for academy or research institute.
This thesis makes use of reuse methodology to research project——Dielectric loss
data collecting system based on FPGA and IP core .The importance of the reuse
methodology to the design of embedded system is analyzed first, the principle of the
electric capacity equipment dielectric loss examination survey is introduced then, and
the factor which affected the on-line monitor is thoroughly analyzed, then the design
scheme of the data collecting system is confirmed.
On the basis of the scheme design, the periphery hardware designing, the logic
customization of FPGA and the software designing based on NiosⅡ was introduced
from both the system design and the function module design aspects. Then the
anti-jamming principle of hardware design was also simply described in the thesis. The
dielectric loss data collecting system based on FPGA and IP core was designed and
realized on the basis of above research triumphantly.
Keywords: Reuse methodology FPGA IP core Dielectric loss data collection
目 录
第一章 绪论 .........................................................1
1.1 可重用设计概述 .................................................1
1.2 可重用设计方法与嵌入式系统设计 .................................2
1.2.1 嵌入式系统概况 .............................................2
1.2.2 嵌入式系统实现方式 .........................................2
1.3 介质损耗检测技术 ...............................................4
1.3.1 国内外研究现状 .............................................4
1.3.2 可重用设计在系统中的应用意义 ...............................5
1.4 论文工作的主要内容和章节安排 ...................................6
第二章 基于 FPGA 和 NIOSⅡ的可重用设计方法 ...........................7
2.1 FPGA 的设计方法及可重用技术 ....................................7
2.1.1 FPGA 技术 ..................................................7
2.1.2 FPGA 设计方法 ..............................................9
2.1.3 基于 FPGA 的可重用设计模式 .................................11
2.2 NIOSⅡ的设计方法...............................................11
2.2.1 NiosⅡ软核处理器 ..........................................11
2.2.2 Avalon 总线,HAL 库和自定义指令 ............................13
2.2.3 基于 NiosⅡ的嵌入式系统开发流程 ...........................15
2.3 本章小结 ......................................................16
第三章 基于 FPGA 及 NIOSⅡ的系统方案设计 ............................17
3.1 介质损耗检测 ..................................................17
3.1.1 介质损耗检测原理 ..........................................17
3.1.2 介质损耗检测系统工作原理 ..................................18
3.2 介质损耗数据采集系统设计要求 ..................................19
3.2.1 设计要求 ..................................................19
3.2.2 影响测量的因素 ............................................20
3.3 介质损耗数据采集系统方案设计 ..................................21
3.3.1 通信技术的选择 ............................................21
3.3.2 数据采集系统方案设计 ......................................22
3.4 本章小结 ......................................................24
第四章 数据采集系统硬件设计及实现 ..................................25
4.1 工作原理 ......................................................25
4.2 同步采样模块设计 ..............................................26
4.2.1 输入低通滤波器 ............................................26
4.2.2 A/D 转换的器件选型及应用 ..................................28
4.2.3 信号整形模块 ..............................................29
4.3 FPGA 内部逻辑及配置 ...........................................30
4.3.1 AD 控制逻辑 ...............................................30
4.3.2 测频逻辑 ..................................................32
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