基于SOPC技术的车载信号处理系统设计

论文摘要

随着微电子技术的进步,现场可编程逻辑门阵列FPGA的单片集成度由原来的几千门发展到数十万门至百万门,芯片的I/O口也由原来的数十个发展到上千个,这样,作为SOC技术和FPGA平台的结合,将一个系统集成到单片FPGA上的SOPC实现日趋发展成熟,变得现实可行。本文以某车载系统信号处理平台为背景,采用Altera公司的高端FPGA Stratix II系列EP2S60F1020为中心处理器,完成了基于SOPC技术的车载信号处理系统设计。论文分析了以DSP芯片为中心处理器的原车载信号处理方案,提出结合新的技术和芯片发展水平,采用SOPC技术进行车载信号处理系统设计。首先根据系统要求并结合SOPC系统的设计特点,进行软硬件划分,确定系统实现方案。接着从中心处理器芯片的选型,外围电路设计,高性能电源模块设计等方面详细阐述了硬件平台的设计过程。对于SOPC系统而言,硬件系统设计包含了内部的IP模块设计,文中重点对基于Nios II的硬件系统设计和64bits/66MHz的PCI IP模块设计和传输实现进行了论述。在软硬件调试过程中,讨论了在SOPC系统中对自定义FIFO器件,SDRAM器件,中断和DMA控制器的应用,重点论述了中断触发的存储器间DMA传输,64bits/66MHz PCI IP Core的测试过程。调试过程中应用嵌入式逻辑分析仪SignalTapII进行实时观测,最后探讨并总结了SOPC系统的优化设计方法。车载平台是一个集成多传感器系统,需要对红外和雷达信号分别进行处理。采用多个SOPC信号处理硬件平台,可以完成车载多传感器信号处理。对于中波红外信号处理,针对信号处理平台A,文中介绍了一种改进的红外图像中值滤波算法,并在设计的平台中探讨了算法的SOPC实现。对于毫米波雷达回波信号处理,针对信号处理平台C,论文介绍了一种雷达频域脉冲压缩方法,对方法中重点应用的4096点FFT的SOPC实现进行了较详细阐述。论文最后对课题工作进行了总结,指出了进一步的研究内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源和意义
• 1.2 SOPC 技术概述
• 1.3 论文主要内容安排
• 第二章 车载信号处理系统的硬件系统设计
• 2.1 总体设计
• 2.1.1 平台功能描述
• 2.1.2 平台软硬件组成规划
• 2.2 车载信号处理系统硬件平台设计
• 2.2.1 中心处理器FPGA 选型及介绍
• 2.2.2 处理器外围电路设计
• 2.2.3 电源模块设计
• 2.2.4 CPCI 接口设计
• 2.3 基于Nios II 的SOPC 硬件系统设计
• 2.3.1 Nios II 概述
• 2.3.2 SOPC Builder 中自定义FIFO 控制接口设计
• 2.3.3 SOPC Builder 中的SDRAM 控制器设计
• 2.3.4 SOPC Builder 中的DMA 控制器设计
• 2.3.5 SOPC Builder 中的串口设计
• 2.3.6 基于Nios II 的SOPC 硬件系统设计
• 第三章 车载信号处理系统软硬件调试及FPGA 优化
• 3.1 硬件平台上电初始调试
• 3.2 软件调试
• 3.2.1 基于SignalTapII 的实时在线软件调试
• 3.2.2 FPGA 片上存储器资源分配策略
• 3.2.3 Nios II 异常处理和中断服务程序
• 3.2.4 64bits/66M PCI 核设计实现
• 3.2.5 SOPC 软件系统整体调试及结论分析
• 3.3 综合优化
• 第四章 SOPC 技术在设计的信号处理系统中的应用研究
• 4.1 SOPC 技术在信号处理系统中的应用概述
• 4.2 一种改进的红外图像中值滤波算法及SOPC 设计与实现
• 4.2.1 算法思想和算法步骤
• 4.2.2 算法在SOPC 系统中硬件实现设计
• 4.2.3 结论
• 4.3 脉压算法中FFT 运算在SOPC 系统中的实时处理设计
• 4.3.1 宽带雷达脉冲压缩方法及实现概述
• 4.3.2 4096 点基4FFT 在SOPC 系统中的实现设计
• 4.3.3 结论
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录 硬件板卡实物图