基于FPGA的纱条信号波谱分析滤波器的研究与设计

论文摘要

纱线条干不匀率是衡量纱线品质的重要指标，也是影响布面外观的决定性因素，因此纱条不匀的检测是纺纱生产过程中实施有效质量控制的重要手段。纺织工业中通常采用波谱分析方法对纱条信号的均匀度进行检测，而波谱分析方法的过程就是频谱分析。在纺织工业现场，常采用滤波方法实现纱条信号的波谱。传统的纱条信号波谱分析是通过搭起多组模拟滤波器来实现的，而该模拟滤波法存在滤波电路复杂与抗干扰能力差等缺点，从而无法保证波谱分析的可靠性与稳定性。随着数字信号处理技术的迅速发展，数字滤波器被广泛应用于谱分析、语音图象处理等领域。目前数字滤波器主要通过以下两类器件实现：采用DSP芯片实现和采用PLD器件实现(主要包括FPGA和CPLD)。基于DSP处理器实现数字滤波器的方案虽克服了模拟滤波法的各种缺陷，但也存在算法繁杂、开发与维护困难以及实时性差等问题。而利用PLD器件实现时，可以采用硬件乘加模块，从而使其运算速度比利用DSP处理器要快很多。因此PLD器件是实现纱条信号波谱分析滤波器的最佳选择。综上所述，本文提出用FPGA器件来设计纱条信号波谱分析的多通道数字滤波器。一方面FPGA器件中的程序可并行运行，从而缩短了算法实现所需要的程序运行周期，保证了波谱分析的实时性。另一方面，FPGA器件具有程序可移植性强，接口配置方便灵活等特点，所以基于FPGA实现的波谱分析滤波算法程序可灵活的在不同FPGA器件中进行移植与配置。本文首先介绍了纱条信号波谱分析的重要性，以及波谱分析滤波算法的基本原理与波谱分析优化算法原理，并提出利用FPGA器件实现波谱分析滤波算法，从而完成纱条信号波谱分析的多通道滤波器的FPGA设计。其次，利用MATLAB软件完成了波谱分析滤波算法的设计与优化，并对滤波器性能进行了仿真验证，证实了波谱分析滤波算法的合理性与可行性；利用MATLAB软件对该滤波算法以及优化算法的FPGA实现过程进行了模拟，证实了算法在FPGA器件上实现的可行性；并在MATLAB软件上实现了多通道的波谱分析滤波器。最后，用QuartusⅡ软件对纱条信号波谱分析算法的FPGA实现进行了程序设计与仿真验证，并将仿真结果与MATLAB软件的理论仿真结果进行了对比，结果一致，从而验证了FPGA实现该算法的可行性与正确性，符合设计初衷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 波谱分析仪国内外研究现状及存在问题
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 存在问题
• 1.3 本文研究内容与创新点
• 1.4 论文章节安排
• 2 波谱分析滤波算法原理与滤波器理论
• 2.1 纱条信号波谱
• 2.2 波谱分析滤波算法原理
• 2.2.1 波谱分析滤波算法的基本原理
• 2.2.2 波谱分析优化算法原理
• 2.3 滤波器理论
• 2.3.1 数字滤波器的基本结构
• 2.3.2 波谱分析滤波器的设计指标
• 2.4 小结
• 3 波谱分析滤波算法的 MATLAB 仿真与验证
• 3.1 波谱分析滤波器的 MATLAB 设计与实现
• 3.1.1 波谱分析滤波器的设计步骤
• 3.1.2 波谱分析滤波器的实现算法
• 3.1.3 波谱分析滤波器的仿真与实现
• 3.2 波谱分析滤波器组的 MATLAB 仿真与实现
• 3.2.1 优化算法的实现
• 3.2.2 波谱分析滤波器组的 MATLAB 仿真与实现
• 3.3 小结
• 4 波谱分析滤波器的 FPGA 设计
• 4.1 FPGA 与 QUARTUSⅡ软件简介
• 4.1.1 FPGA 概述及相关芯片介绍
• 4.1.2 QuartusⅡ软件简介
• 4.2 波谱分析滤波器的 FPGA 设计
• 4.2.1 顶层设计
• 4.2.2 输入模块设计
• 4.2.3 系数模块设计
• 4.2.4 状态机模块设计
• 4.2.5 乘法模块设计
• 4.2.6 加法模块设计
• 4.2.7 累加模块设计
• 4.3 波谱分析滤波器组的 FPGA 设计
• 4.3.1 设计原理
• 4.3.2 波谱分析滤波器组的设计
• 4.4 小结
• 5 波谱分析滤波器的 FPGA 仿真与验证
• 5.1 波谱分析滤波器的 FPGA 仿真
• 5.1.1 仿真内容及目的
• 5.1.2 仿真过程及结果分析
• 5.2 优化算法的 FPGA 仿真与实现
• 5.2.1 仿真内容及目的
• 5.2.2 仿真过程及结果分析
• 5.3 仿真过程中遇到的问题及解决方法
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 工作研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的文章
• 致谢