现场可编程门阵列

FPGA(现场可编程门阵列)市场报告

据麦姆斯咨询报道,2017年全球FPGA(现场可编程门阵列)市场规模预计为58.3亿美元,到2023年预计可增长至95亿美元,2017~2023年期间的复合年增长率(CAGR)可达8.5%。物联网及FPGA产品上市时间的缩短,是推动市场增长的主要动力。

按垂直领域细分,2016年电信领域占据了FPGA市场最大的市场份额。该垂直细分领域对大多数国家的经济增长贡献卓著,包括了有线和无线通讯;全球范围内都在广泛采用3G、4G LTE以及5G服务,尤其是北美地区和亚太地区。此外,即使是乡村地区,互联网用户数量也在快速增长。2016年,汽车市场是FPGA第二大细分市场。

2016年,凭借较低的成本优势,以及一些竞争技术开始尝试集成这些高性能FPGA,使低端FPGA主导了全球FPGA市场。低端FPGA广泛应用于汽车、消费类、显示、工业、军事、视频和成像处理,以及各种无线应用。

2016年,SRAM(静态随机存储)FPGA占据了全球FPGA的主要市场。SRAM FPGA可以通过最新的技术节点来开发,每块晶圆上拥有更多的晶体管,每个晶体管的成本更低。SRAM FPGA可以重新配置,因此新的设计和理念可以便利的实施。SRAM可以跟器件的其它部分一样,采用相同的CMOS工艺,因此无需额外的其它工艺步骤。这些优势,预计都将推动SRAM FPGA市场的增长。

一种基于FPGA的PCIe总线及其DMA的设计方法

摘要:为实现 PCIe 总线的 DMA 功能,根据 Xilinx 的 PCIe IP 核以及相关参考例程,介绍一种 PCIe 总线及其DMA 功能的设计方法。硬件验证与测试表明:该设计具有较高的带宽,DMA 读、写带宽可分别达到 554 MB/s 和881 MB/s,目前已在实际工程中尤其是在高速数据采集系统中得到广泛应用。

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与传统的 PCI、PCI-X 并行总线相比[1],PCIe总线采用高速差分串行的方式进行数据传输,这种端到端的数据传送方式使得信号线减少、系统功耗降低,同时还具有非常明显的带宽优势。

目前通过 FPGA 实现 PCIe 接口是一种比较常用的方式,具有硬件成本低、可靠性高、灵活性大、易于升级等优势。两大 FPGA 厂商 Xilinx 和 Altera均具有完善的接口 IP 和测试方法。基于此,笔者主要介绍了基于 Xilinx Virtex5 系列 FPGA 的 PCIe 接口的设计和 DMA 功能的实现方法,并在 x4 模式下进行带宽测试。

1 PCIe 总线简介

基于FPGA的1553B总线接口设计与验证

作者:泮朋军,朱浩文(上海航天电子技术研究所)

摘要:为降低成本,提高设计灵活性,提出一种基于FPGA的1553B总线接口方案;采用自顶向下的设计方法,在分析1553B总线接口工作原理和响应流程的基础上,完成了接口方案各FPGA功能模块设计;对关键模块编写VHDL代码,并采用Active⁃HDL软件进行了仿真;以Virtex⁃5 FPGA 开发板和PC机为验证平台,在FPGA中分别模拟BC与RT,在PC机指令下进行了BC与RT功能模块间的收发测试,结果表明系统能在协议规定的1 MHz数据率下稳定运行;同时,为提升接口性能,采用光纤代替传统电缆传输介质,利用FPGA内嵌RocketIO内核进行了传统1553协议数据的光纤传输,速率可达3 Gb/s以上。

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MIL⁃STD⁃1553B(数字式时分制命令/响应型多路传输数据总线)由美国国防部于20世纪70年代末提出,它采用曼彻斯特编码方式和冗余的总线型拓扑结构,具有非常好的时钟同步能力及容错机制,极大地简化了电子设备之间的互联,因而被广泛应用于对可靠性要求较高的军事、航空、航天等领域。

JPEG2000 MQ编码算法的优化和FPGA实现

作者:何国栋1,王芸1,杨凌云1,谢小娟1,桂岳2 1.安徽师范大学 物理与电子信息学院,芜湖 241000;2.合肥华开源恒信息技术有限公司

摘要: MQ编码是一种无损数据压缩技术,已被JPEG2000标准采用,其高复杂度成为JPEG2000系统实现的速度瓶颈。本文在分析MQ编码算法软件流程的基础上提出了一种优化的基于流水线处理的MQ编码算法;并利用Xilinx FPGA的可编程特性详细地将此算法模块化,最后实现仿真验证。结果表明,该算法在有限资源消耗情况下最高运算时钟频率可达89.8 MHz,算法对于压缩速度要求严格的JPEG2000实现具有一定实用价值。

JPEG2000是新一代静止图像压缩标准[12],通过多项创新技术的引入,JPEG2000可以提供比JPEG 更优质的压缩效果和更多的新功能。MQ算术编码器是一种基于上下文的自适应二进制算术编码器,作为JPEG2000 的关键技术之一,具有比传统 Huffman 编码好的压缩性能,但频繁的重归一化和串行处理也使得软件实现JPEG2000效率很低。随着高性能的FPGA发展和大分辨的图像压缩需求不断增加,JPEG2000高速硬件处理已成必然。

相控阵三维声呐信号采集与处理系统

摘要:高精度三维成像声呐的实现需要完成大规模信号同步采集和海量数据并行计算,为此,提出基于现场可编程逻辑门阵列的并行计算系统。在使用同源时钟的前提下,利用Spartan-3 对平面阵2304 路换能器信号进行同步采样,通过离散傅里叶变换降采样以减小采样数据规模,采用Virtex-5 重新计算换能器权重以降低运算量,使用分步的波束形成算法以减小系统所消耗的存储器规模,同时在PC 上实现三维图像实时显示。实验结果证明了该系统的可行性。

1 概述
高精度三维成像技术是目前水声设备研究的重要创新领域,在海底勘探、沉船打捞、海洋研究等领域都有重要应用。目前研制高精度三维声呐成像系统需要克服的关键技术难点在于大规模换能器数据的同步采集和海量数据的并行计算所带来的巨大的硬件开销[1]。为此,文献[2]提出使用稀疏矩阵换能器阵列,对平面阵内不同索引号的换能器进行权重分配,对权重为0 的换能器做忽略处理从而减少前端信号采集通道和后端的数据运算量。从减少波束形成过程中参与并行运算矩阵的大小出发,文献[3]提出将大阵列进行多子阵划分,通过换能器发射机和接收机做一定的匹配设计,使用波束多级合成的办法形成最终的波束,也能做到减少运算量。

基于FPGA的雷达信号源设计

摘  要: 介绍了直接数字频率合成(DDS)的基本原理,并基于Xilinx公司的FPGA设计出产生连续波、重频参差抖动、频率捷变、线性调频以及二相编码等雷达信号的系统方案。实验结果表明,该设计灵活且性能良好,具有广泛的应用前景。     雷达信号源是现代雷达系统的核心部分。随着电子信息技术的发展,雷达系统对雷达信号源的要求越来越高[1]。    本文基于软件无线电的思想和直接数字频率合成的基本原理,采用Xilinx公司的Virtex-5系列XC5VLX70T FPGA,在此器件中实现相位累加、波形查找表、PCI9054的接口设计、数/模转换芯片AD9737的寄存器配置以及一些逻辑控制。使用Verilog HDL硬件描述语言在ISE开发环境中进行设计,完成了硬件设计、仿真、综合、测试的整个流程,并可以根据实际需要灵活修改。此方法不但提高了设计效率,而且使系统具有设计灵活、实现简单、性能稳定的特点,所产生的雷达信号具有分辨率高、相位连续可调等优点,能够满足现代雷达系统的要求。

基于Xilinx SOPC的TFT-LCD 控制器设计与实现

摘 要:根据TFT-LCD的工作原理,采用Xilinx公司的Microblaze微处理器软核,提出了一种基于嵌入式FPGA SOPC平台的TFT-LCD控制器方案.并验证了该方案的可行性。该控制器为进一步在嵌入式FPGA 片上系统进行图像和多媒体开发提供了一个稳固的平台。

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目前TFT (Thin Film Transistor,薄膜场效应晶体管)液晶已经广泛应用于信息显示系统,但是这些系统运算能力和工作效率较低,难以适应图像高速处理和数据传输的需求。

基于最新FPGA嵌入式设计方法,作者提出了一种TFT—LCD显示控制器的设计方案,采用Xilinx公司的MicroBlaze 32位微处理器软核,充分利用FPGA 的高速处理和片内大容量逻辑资源,设计了一个基于FPGA可编程片上系统(SOPC,System On Programmable Chip)的TFT彩屏液晶显示控制器。

摘要:为同时完成4 个Stokes 矢量参数的相关测量,反演海面风场,提出了新型数字相关器的设计方法。结合高速数字相关器在数字极化辐射计中的应用,介绍了高速数据采样和相关处理系统。通过两片高速A/D 转换器(ADC08D1500)同步采样四路信号,采样结果通过Xilinx 公司新一代现场可编程门阵列(FPGA)-Virtex5 芯片作相关运算,相关结果通过串口上传到计算机,详细介绍了系统各个部分的接口电路和时序控制的设计。系统可以实现四路信号最高1.5GHz 采样率的相关计算。

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海洋表面风场的研究在气象学、海洋学、气候学中有着极其重要的意义。全极化辐射计的新技术特点是,同时使用多路相关技术,对水平和垂直极化信号进行相关处理,产生反演海面风场模型所需的参量。修正的Stokes 矢量可以用来描述空间中辐射场的二阶统计特性。修正的Stokes 矢量中的元素以亮温K 作为单位,如下式所示。

基于IP核的PCI Express接口

现代测控系统和通信领域对数据传输速率的要求越来越高。相比PC 中其他技术的发展,总线技术的发展显得相对缓慢,总线性能已经成为制约系统性能发挥的瓶颈。传统的ISA, EISA 总线等已无法适应高速数据传输的要求,PCI 总线技术虽然经过了不断的修正和发展,但是由于它固有的缺陷,使其应用领域受到限制[1]。PCI Express 总线以其优异的性能和低廉的造价引起了业界的广泛关注,具有广阔的应用前景。本文介绍PCI Express 总线接口的设计方法,,并实现一个基于IP核的PCI Express 总线接口。

基于DSP 和FPGA 的光伏并网控制器设计与实现

提出一种DSP 和现场可编程门阵列(FPGA)双CPU 结构的新型单相光伏并网控制方案。DSP 负责基于压频转换器的高精度数据采集、最大功率点跟踪算法和电压控制环,并将计算出的最大功率点跟踪电流通过串行外围设备接口(SPI)通信方式传送给FPGA;FPGA 负责新型电网电压数字锁相环算法、电流环无差拍控制和正弦脉宽调制(SPWM)驱动算法,并通过光耦HCPL-316J 驱动电路控制逆变器各桥臂开关的通断。该方案被应用于一台5 kW 单相光伏并网逆变器中。实验表明:该控制器集DSP 快速运算性能和FPGA的高可靠性于一体,并网运行性能好。

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