基于FPGA的数字通信实现多路数据时分复用和解复用系统系统
本文档介绍了一种基于FPGA的数字通信多路时分复用和解复用系统，使用硬件描述语言很好的实现了系统功能。第2页共63页AbstractThe system is designed for data multiplexed and de-multiplexed. It is based on TDMThe systern includes the transmitter and the receiver. They are implemented mainly by FPGaThere are three inputs in the transmission system: data from A/converter, DIPI and DIP2The three channels are out serially and time-divisional under the FPgas control. The FPGain the transmitter is divided into four modules which are frequency divider, Barker generator,data multiplexer and voltage display. voltage display is used for processing the data convertedy ADC and sending it to the LED. The serial data are serial shifted into the FPGa in thereceiver. Bit-synchronize and frame-synchronize are both picked up, and then de-multiplexThe FPGA in the receiver is divided into three modules which are digital PLL, datade-multiplexer and voltage display. The transmitter will multiplex four ways of 8-bit paralleldata. The first way is adC data, the second and the third way is generated by dip-key. Theother is Barker code used for frame synchronizing. The receiver will maintain the bitsynchronizing, recognize one frame and de-multiplex three ways data. The essay will discussthe design progress, the programming idea and some problems. Works have to be done by thedesigner are: Specify all system components, Make system specification, Draw systemschematics, Write RTL code according the schematics, Synthesis and simulate the rtl codeDesign the PCBS, Validate the functions of the FPGA on-line.Keywords: DPLL; Frame-synchronize; TDM; Verilog HDl; Serial A/D convert;第3页共63页目录引1数字复接系统简介52数字复接方法及方式2.1数字复接的方法…中中·2.2数字复接的方式………3系统原理和各模块设计………………………63.1系统原理及框图…3.2发端系统设计…3.3收端系统设计…···中··中··中····中·,中………93.4FPGA的设计流程“····“:*·············=·······*·*··3.4.1设计输入···“··++··+··*+··+··+++*···++++·*·+·++34.2设计综合……………………123.4.3仿真验证123.4.4设计实现……123.4.5时序分析123.5发端FPGA设计………………………133.5.1分频模块…翻……143.5.2复接模块……………………………………153.5.3显示模块……………………163.5.4编译与仿伤真…………………183.6收端FPGA设计……………………………………………………193.6.1数字锁相模块…………···→····;··中·······中···········→··············203.6.2解复用模块…··++·*···中+“··“++………………………213.6.3显示模块………………………………………………223.6.4编译与仿真………………………………223.7数字锁相环原理及设计……………………………2338串行AD工作原理………………2539并行D/A的工作原理…263.10 Altera flex10K10介绍………………………………………………………………274系统调试…………………………………………………325 Quartus||软件及 Ver log语言简介…………325.10 artus I软件简介……………………………………………………325.2 Verilog语言简介……………………………………………………………34第4页共63页6结论····“4··+·→··*·*··“······+“·+····“······“··+·+“+·…“*·.·+··+“·+·+·*··…………35谢辞36参考文献·a···.········和··::··中.事…37附录…38docn豆丁www.oocin.com第5页共63页引言数字复接、分接技术发展到80年代已经趋于成熟,形成了完善的EI、T系列。它使得多路低速信号可以在髙速信道中传输,同时提髙信道的利用率。PLD/FPGA是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。可以毫不夸张的讲,PID/FPGA能完成任何数字器件的功能,上至高性能CP,下至简单的74电路,都可以用PLD/FPGA来实现。PLD/FPGA如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后,还可以利用PLD/FPGA的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD/FGA来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。,PLD/FGA的这些优点使得PLD/FPGA技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言的进步。本设计主要利用了FPGA及 Verilog hdl语言来设计数字复、接分接系统。数字复接系统简介在数字通信网中,为了扩大传输容量和提高传输效率常常需要把若干个低速数字信号合并成为一个高速数字信号,然后再通过高速信道传输,这就是所谓的数字复接技术。数字复接是一种已经非常成熟的技术,广泛地应用于无线通信、光通信和微波接力通信。图1-1数字复接系统方框饜图1-1所示,数字复接系统包括数字复接器( digital multiplexer)和数字分接时钟「定时同定时步复分日恢接复器( digital de- multiplexer)两部分。数字复接器是把两个或多个低速的支路数字信号按照时分复用方式合并成为一路高速的合路数字信号的设备;数字分接器是把合路数字信号分解为原来的支路数字信号的设备。数字复接器是由定时、调整和复接单元所组成;数字分接器是由同步、定时、分接和恢复单元所组成。定时单元给设备提供统一的基准时间信号,同步单元给分接器提供与复接器基准时间同步的时间信号,调整单元负责同步输入的各支路信号。恢复单元与调整单元相对,负贵把分接出来的各支路信号复原第6页共63页2数字复接方法及方式2.1数字复接的方法数字复接的方法主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种(1)按位复接按位复接的方法是每次只复接每个支路的·位码,复接后,码序列中的第·位表示第一路中的第一位码;第二位表示第二路的第一位码;以此类推,第N位表示第N路的第一位码。这N位码形成第一时隙。同样,第二时隙是有每路的第二位码复接而成。这种复接方法的特点是设备简单、只需小容量存储,易于实现(2)按字复接按字复接就是每次复接支路的一个字或字节。复接后的码顺序是每个封隙为一路n位码。它的特点是利于多路合成和处理,但要求有较大的存储容量,使得电路较为复杂(3)按帧复接这种方法是每次复接一个之路的一帧数码,它的特点是复接时不破坏原来的帧结构,有利于交换,但要求有更大的存储容量。22数字复接的方式按照复接时各低速信号的情况,复接方式可分为同步复接、异步复接与准同步复接。(1)同步复接同步复接被复接的各个支路信号在时间上是完全同步的。在实际应用中,由于各个支路信号到达的时间不一样,造成支路间的码位相位不同,使得信息不能被正确复接。因此需要对支路进行相位调整。在复接时,要插入帧同步码及其它的业务码。(2)异步复接将没有统一标称频率的不同支路数字信号进行复接的方式成为异步复接。在数字通信中广泛采用这种复接方式。(3)准同步复接准同步复接是指参与复接的各个低速信号使用各自的时钟,但各支路的时钟需要在定的容差范围内。准同步复接实际上是在同步复接的基础上增加了码速调整功能3系统原理和各模块设计3.1系统原理及框图首先介绍系统的工作过程。此数字通信系统分为发端和收端两部分。在发端,FPGA对A①D变换数据、DIP1数据和DIP2数据插入帧同步码,形成一帧,对此帧按位时分复用并串行发送出去。同时,A/D输入端的模拟电压值将通过FPGA的处理,显示在七段数码管上。在收端,FPGA首先从串行码中提取位时钟,然后识别帧同步。当识别出帧同步后,FPGA解复用三路并行码,分别将这三路并行码送到后面的D/A变换器、LED1和LED2同时,第一路并行码通过FGA的处理,显示到七段数码管上。传输帧结构如图3-1所示:第7页共63页帧同步第一路第二路|第三路图3-1传输帧结构总系统框图如图3-2所示:七段数码管七段数码管A/DD/A信道DI P1立FPGA收端FPGALED 1DIP2LED2图3-2总系统框图3.2发端系统设计图3-3是发端系统方框图七数码簣豆丁A/D信道DP1愛端FPGADIP2图3-3发端系统方框图如图3-3所示,发端有三路信号:A/D变换信号、拨码开关1和拨码开关2产生的8位信码。AD变换的信码经过FPGA处理显示到七段译码管上,它代表变换前模拟信号的电压值。由于三路信号都是静态信号,因此输入不用进行码速变挨和码速调轄。输出信号的码速率为256Kbps。发端电路在做PCB时需要单层布线,因此将发端系统板倣成三块小板,分为三个图,分别是发端主图、AD变换图和LED显示图。发端主图如34所示,以发端FPGA为核心,其它功能块逐一实现。为了FGA运行的稳定,要在其周围加入6个滤波电容,电容值为0.1uF。拨码开关与排阻共同构成八位信码,分别接到FPGA的8个I/0端口。复位电路是系统正常运行的必要部分,它由按键开关,电解电容和电阻构成。主图板与AD变换板、LED显示板之间用插针和电线连接。这些插针和电线将为A/D变换板和LED显示第8页共63页板提供电源和通信路径。此外,FPGA还需要配置电路。配置电路在开杌时将配置文件载入到FPGA中,FPGA才可以工作。配置电路由上拉电阻和插座组成,其中,五个端口接到FGA五个配置引脚,他们是:DATA0、 sTATuS、 nCONFIG、 CONF DONE与DCLK。3图AA399999温899998旨若起Ed kDYnizisr含已四=图3-4发端主图原理图A/D变换图如图35所示,要说明的是,这里没有采用并行A/D,而是采用了串行A/D,这样可以节省FPGA的管脚。我使用的ADC型号是TC549。TLC549转换输入端模拟量为数字量,为FPGA提供串行数据。这块板的电源由主图板提供,电源端接到主图板的电源端。TLC549需要一片0.1uF的陶瓷电容为芯片的电源端滤波。在做PCB时,这片电容应靠近芯片的VCC与GND。TLC549的模拟输入量有电位器分压和外部输入,通过单刀双掷开关选择。外部输入的模拟量可以是信号源输出,音频输入等。AA「区YcAy图3-5AD变换图第9页共63页LED显示图如图3-6所示,我用五位LED显示模拟电压值。它可以提供0.0001的显示精度。这五位LED由一位独立LED和一个四LED组组成。这五个LED采用扫描方式显示。扫描显示是LED显示的常用方法。通过五个PNP管控制五个LED分时发光,时隙为32ms。在此时隙下,人眼不会察觉到LED分别点亮,而是同时在亮。此法不仅节省七段译码驱动芯片和FPGA的管脚,而且节约电能。小数点的位置固定不变:因此只需将独立LED的小数点设计为常亮。LED数码管采用共阳极,公共端接PP发射极,PNP集电极接电源,PNP的导通由FPGA控制。七段译码芯片采用DM74LS47,它是一片驱动共阳极LED数码管的芯片。同样,在这片芯片的VCC与GND之间加入0.1uF陶瓷滤波电容和essOyNC 5v In图3-6LED显示图3.3收端系统设计收端系统框图如图3-7所示七段数码管D/A信道收端FPGAED1LED2图3-7收端系统框图
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基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真
基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真 地理信息系统东北林业大学学报第36卷表4地形阻尼系数蔓延算法就显得较粗糙。边界外延算法计算量大,主要体现下山火上山火在排序、査找方面,可以通过减少这方面的计算量而达到提高坡度/(°)阻尼系数K2坡度(°)阻尼系数K2速度的目的。边界外延算法与迷宫算法的结果完全一样,但42~0.0738~421750从编程的角度看,迷宫算法较易实现,而且速度不是很慢,所0.1333~371010以在文中采用迷宫算法。28~30.3223~2722~-180.4618~22NWNNE-17~-130.63火点E0.830.90SESE-2~21.003林火蔓延模拟算法分析与选择图2林火的蔓延方向31边界插值算法4林火蔓延的计算机仿真与实现边界插值算法基于栅格数据,它对于火场边界的计算是林火蔓延的计算机仿真主要分为4个步骤:第一、建立林通过插值的方法来实现,它只计算从初始火点出发的8个方火蔓延的空间背景数据库,其空间背景数据库包括可燃物类向,森林起火后,火源点向8个方向蔓延,分别为正东、正南、型数据、坡度数据、高程数据,并且它们要以栅格数据形式存正西、正北和东南、东北、西南、西北。设火点的位置为行列号储,因为文中研究的林火蔓延仿真基于棚格数据结构;第二、(讠),各方向上只计算从火源点出发的该方向上的栅格,其把王正非的数学林火蔓延模型转换为计算机模型;第三、根据余栅格不计算。当各方向上的计算时间超过给定的林火蔓延输入的起火点的位置坐标,蔓延时间、风速及方向,在背景数时间时,就停止计算,并记录下各方向的栅格行列号,再反映据库之上对火场扩展进行动态模拟显示;第四、计算林火的蔓到具体地形上,则可得到火场状况的直观表示,再依据这8个延面积及火线周长等数据。具体流程如图3所示。终结点进行插值运算,形成封闭的火场边界。空间背景数据库32边界外延算法坡边界外延算法从火蔓延所具备的两个特性(时间和空间)出燃度程发来考虑,在假设没有二次燃烧等情况下,林火表现为从已燃区物向未燃区延烧的性质,它反映为林火在地理位置上的变化和时间的延续上,林火燃烧的路径总是遵循在诸多可到达的路径中选择林火蔓延模型最快到达的那一条,因此,它的路径并不一定是空间上的最短路(王正非林火蔓延模型)径。边界外延算法乜是基于栅格数据的蔓延算法,实施此算法的步骤是:记录每次加入一新的起燃栅格后形成的林火边界,在可像元起火特征计算机与数学知识蔓延边界相邻栅格集合中,搜索其各方向上所需时间最短的栅火点坐标蔓延时间格,并以此栅格作为下一个引燃栅格;对此栅格进行林火边界的风速风句林火蔓延计算机模拟判断,同时对该栅格的加入所导致的原有边界集合的变动作调整,然后再进入下一步循环,直至满足模拟时间为止。火场扩展图统计和计算火场动态模拟33迷宫算法图3火场蔓延的计算机仿真流程迷宫算法以栅格数据为基础,以火点为起点,从正东起沿41试验区空间背景数据库的建立顺时针方向,其八方邻位可表示为:E、 SE S SW、W、N、NNE。每一点向外扩散有8个方向的选择,如图2所示。从正釆用栅格数据进行林火蔓延模拟仿真,即将G丶中所输东开始,沿顺时针方向检测,每探测到某一方向,计算累积时入的矢量的图形数据(地形图、林相图等)转换成栅格数据,间∑t。若∑t小于给定的扩展蔓延时间T,且该方位没有走因此、模拟的过程就是对所有的栅格点处理的过程,每个栅格点所代表的长和宽(分辨率)越小,模拟的精度越高。考虑到过或是原先累积时间大于∑t就沿此方向走一步,并记下所数据的处理及计算机计算的速度,每一图形数据的栅格化都走的路径和方位,存放在堆栈或库中,同时将累积时间修改为∑t累积时间可用二维数组存放,初值置为零。如果探测到釆用30m×30m栅格精度。试验区背景数据库的建立主要某一方位四周的∑t值均大于或等于T,则退回一步重新检测需要3种专题数据分别为高程数据、坡度数据、可燃物类型数据。其中:前两种专题数据是利用现有的帽儿山数字等高线下一个方位,当初始火点四周的8个方位都已检测完毕,则蔓数据,通过 a rcv iew的3扩展模块生成;可燃物类型数据通延过程结束。最终二维数组中所存放的累积时间∑t均小于过帽儿山数字林相图进行再分类获得,并将可燃物类型数据转化是满足条件的像元集合,它们所形成的集合反映在图像当中为(RD栅格形式存储。文中所应用到的数据如表5所示。就是模拟的火场表5栅格数据34算法的选择名称数据格式数据类型描述边界插值算法不考虑蔓延过程中每个起燃栅格向8个邻 V ege tation ESR IGR D NTEGER可燃物类型数据格蔓延的可能,因而计算较简单,但是此算法人为地简化了林ElevationESR IGR DNTEGER高程数据火蔓延的复杂性,对于大范围的地形变化较复杂的地区,林火ShESR I GRⅢN TEGER坡度数据C1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net第9期毛学刚等:基于G模型的林火蔓延计算机仿真4142林火蔓延速度的计算难,因为不管用何种方法,都回避不了对可燃物、气象和地形在进行蔓延计算前,需婁先形成速度图文件,在林火蔓延的等因素的考虑,因而,火场蔓延模型的建立非常重要。文中结计算机仿真中最基夲的是林火的蔓延速度,通过速度图文件,可合帽儿山的实际情况建立了火行为的蔓延模型,并以Ⅴ isual以直观地得到可燃物蔓延速度的情况。形成速度图,具体来说,C++60为主要可视化开发厂具,采用先进的COM技术,成是对通过GS获得的各种薮据(可燃物类型数据、髙程数据和坡功地实现了基于G丶模型的林火蔓延计算机仿真度数椐)逐点进行处理,通过栅格的行列号得到栅格图像上与行目前的林火蔓延模型都是针对林火的始发阶段,今后对列号相对应的点的属性值,如可燃物类型、高程、坡度等信息,然森林大火和特大火的模型硏究将成为重点。林火蔓延模拟的后根据所选王正非蔓延模型并考虑实时参数,如发生火灾时的风研究也将向三维、立体的方向发展。随着对林火研究的深入,向、风速等信息计算出该点的林火蔓延速度,并将此速度值赋给也出现了一些新的林火研究方法,如突变理论、元胞自动该点这样形成的点集合在蔓延模拟中用作中间调用数据,称为机模拟林火蔓延、统计物理学方面的渗透理论、分形理速度图。速度图的生成由Ⅴ ialc++60编程实现。论2等,它们与计算机技术的结合必将对林火蔓延的研究做43林火蔓延动态显示出贡献。林火蔓延的动态显示是林火蔓延仿真中最关键的一步,参考文献主要利用Ⅴ isual c++60编程实现,其主要过程为:第一、从背景数据库中读入可燃物类型和高程数据;第二、根据输入的「1]黄作维.基于G和RS的林火行为预测研究[J西北林学院学报,20621(3):94-97风向、风速参数,利用王正非林火蔓延模型计算岀林火的蔓延「2」朱煌武,朱霁平,谢庆胜,等.基于地理信息系统的森林火灾救速度;第三、将计算结果在空间背景薮据库上输出。动态模拟辅助决策系统的研究[J.自然灾害学报,19998(1):60-70不同风向、风速的结果,如图4所示。[3 PerryG M, Sparrow A D, Ow ens I F AGs- supported modelbr the simu lation of the spatial stru cture of w iH land fire Cass barsin New Zealnd[ J]. Jou n al of a pp lied E coby, 1999 36(4)50-5184] Weber rα唐世敏.野火蔓延的数学模型[J力学与实践,199214(2):1-12I5 Rothemelr c. a m athem atical m odel for p red ct ng fire spreadw iH land fuels[R]. USDA: Forest Service R esearch Paper 1972113-115[6]毛贤敏.风和地形对林火蔓延速度的作用[小应用气象学报,1993,4(1):100-1047]温广玉,刘勇.林火蔓延模型的数学应用[J东北林业大学学报,19422(2):31-368]郑焕能,胡海清.东北东部山地可燃物类型的研究[J.森林防火,1990(4):10-13「9]钟茂华,范维澄,王清安.林火蔓延突变形态的模拟实验研究[J.自然科展,200010(4):330-353图4不同风速和风向的林火蔓延10]邬伦.地理信息系统一原理、方法和应用[M]北京:科学出版社,2000241-2465结论与展望「1]姚树人,火灾模型和辅助决策系统的现代发展[J.森林防火,1994(12):59-62从林火蔓延的硏究看,目前要做到精确的预测还比较困12]薄颖生,韩恩贤,韩刚,等.森林火灾自相似性质及其在林火管理中的应用研究初探[小森林防火,1997(3):20)-22perenne la l( Rannunau hus repe").I:wha"为adma[21李根前,黄宝龙,唐德瑞,等毛乌素沙地中国沙棘无性系生长(上接32页)10 Lovett Dous tL Popu at in dynam cs and spec ia ization格局与生物量分配[J西北农林科技大学学报:自然科学版m e2001,29(2):51-55con trast ing hab ita ts[J. Joumal ofe cology,1981.69743-7552李根前,赵粉侠,李秀寨,等.毛乌素沙地中国沙棘种群数量动11 Lovett Dous tL Popu ht on dynam is and chn al specialization in a态研究[J.林业科学,2004,40(1):180-184canal perens ial( Ranuna hus repens).l: responses to light and[23]贺斌,李根前,高海银,等.不同土壤水分条件下中国沙棘克险nu trient supply[ J]. Joumal of e co logy, 1987, 75 555-568生长的对比研究[J.云南大学学报:自然科学版,200729[12]王昱生,盖晓春.羊草无性系植物种群觅养生长格局与资源分(1):101-107配的研究[J植物生态学报,1995194:293-30124]贺斌,李根前,李周岐,等.木本克隆植物中国沙棘种群数量与13] Luo XG, DongM. A rch itec tu re p last city in response to soil mo is结构对土壤水分的响应[小西北农林科技大学学报:自然科hu re n the s tlon ife rou s herb Duchesnea ind iaa[ J. A cta Botan ica学版,2007,35(3):183-187Sinica200244(1):97-10025]赵成义,宋郁东,王玉潮,等.几种荒漠植物地上生物量估算的[14]刘庆,钟章成无性系植物种群生态学研究进展及有关概念初步研究[J应用生态学报,200415(1):49-52生态学杂志,19514(3):40-4「26刘佩勇,张庆灵,杨允菲松嫩平原朝鲜碱茅无性系种群构件生物5]刘庆,钟章成斑苦竹无性奈生长与水分供应及其适应对策的量结构及相关模型分析[小应用生态学报,20415(4):543-548研究[J.植物生态学报,199620(3):245-254I 27] A lpert P. 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