【正文】 武漢理工大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 SOPC 的頻譜分析儀的設(shè)計 學院（系）： 信息工程學院 專業(yè)班級： 電子科學與技術(shù) 0603 班 學生姓名： 王 健 指導教師： 李方敏 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 年 月 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關(guān)學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學士論文評選機構(gòu)將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書 不保密囗 。 （請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打 “√”） 作者簽名： 年 月 日 導師簽名： 年 月 日 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )任務(wù)書 學生姓名 王健 專業(yè)班級 電子 0603 指導教師 李方敏 工作單位 武漢理工大學信息工程學院 設(shè)計 (論文 )題目 : 基于 SOPC 的頻譜分析儀的設(shè)計 設(shè)計（論文）主要內(nèi)容 ： 本設(shè)計主要以 Altera 公司提出的 SOPC（ System On Programmable Chip） 技術(shù)為指導，研究基于 FPGA 的嵌入 IP 軟核的 SOPC 系統(tǒng)。以 NIOS II 軟核處理器為開發(fā)平臺設(shè)計了嵌入式頻譜分析儀。 并說明了基于 Nios II 的嵌入式頻譜分析儀的優(yōu)點和研制技術(shù)指標，還對 Nios II 的體系結(jié)構(gòu)進行了深入的分析。 要求完成的主要任務(wù) : 12 篇的相關(guān)文資料 (包括 2 篇英文文獻 )。 。 ，利用 SOPC Builder 建立需要的 Nios II 系統(tǒng)，并利用 Nios II IDE 這個軟件在這個硬件基礎(chǔ)上完成頻譜分析的設(shè)計。然后再搭建外部的 AD采樣及顯示硬件模塊，完成整個系統(tǒng) 的設(shè)計；每周記錄設(shè)計的進度。 3 張 1~2圖紙的描繪。 5000 字外文翻譯材料（原文不少于 20210 印刷字符）； 6. 完成至少 15000 字的畢業(yè)論文的撰寫及于答辯論文相關(guān)的工作。 必讀參考文獻 : [1]周立功 .SOPC 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程 . 北京航空航天大學 . 2021 [2]汪國強． SOPC技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京：機械工業(yè)出版社， . [3] Baoping Tang． Implementation of Intelligent Virtual Controls Based on QinSModel[J].Proceedings of ， Jinan， China： 144150. 指導教師簽名 系主任簽名 院長簽名 (章 ) 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 武漢理工大學本科學生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析） 頻譜分析是信號分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對信號進行處理、分析以及顯示。目前，頻譜分析在生產(chǎn)實踐與科學研究中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。例如 ，在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面艦艇或潛艇，需要對噪聲信號進行頻譜分析，以提取有用信息，判斷艦艇運動速度、方向、位置、大小等：又如，對飛機、輪船、汽車、汽輪機、電機、機床等主體或部件進行實際運行的頻譜分析，可以提供設(shè)計數(shù)據(jù)和檢驗設(shè)計效果，或者尋找振源和診斷故障，以便及時排除潛在故障因素，保證安全運行等。 頻譜分析儀就是對我們所關(guān)心的信號進行頻譜分析，并將頻譜分析的結(jié)果以圖象或數(shù)字的方式顯示出來，以讓我們了解信號的頻域特征。早期的硬件化頻譜分析儀實質(zhì)上是一臺掃頻接收機，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后，經(jīng)過一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。由于帶通濾波器由電感、電容等多種無源、有源器件構(gòu)成，頻譜分析儀顯得很笨重，而且頻率分辨率不高。既然傅立葉變換可以把輸入信號分解成正交的頻率分量，同樣可起著濾波器類似的作用，借助快速傅立葉變換電路代替帶通濾波器，使頻譜分析儀的構(gòu)成簡化，分辨率增高，測量時間縮短，掃頻范圍擴大，這就是現(xiàn)代頻譜分析儀。其典型代表，如 Agilent公司的 E4405頻譜分析儀。 但是，這類頻譜分析儀仍然是以硬件電路來實現(xiàn)的傳統(tǒng)意義上的頻譜分析儀，他們有 著自身無法克服的缺點：復雜性、封閉性和昂貴性等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和普及，虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)頻譜分析儀的這種形態(tài)將能為虛擬儀器所取代。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到頻譜分析儀中，克服了傳統(tǒng)硬件化頻譜分析儀自身無法克服的缺點。這種 FFT頻譜分析儀將 FFT運算的任務(wù)全交給 CPU來完成，在通道數(shù)少，采樣率低的情況下能很好地滿足分析要求，但在高速、 多點運算 條件下難以滿足實際需求。所以我們要尋找一種更為合理的解決方案。 隨著微電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計已不再是利用各種通用 IC 進行 PCB 板級的設(shè)計而是轉(zhuǎn)向 以大規(guī)模 FPGA 或 ASIC 為物理載體的武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)芯片設(shè)計 (SOPC 或 SOC)，同時 EDA 工具的迅速發(fā)展，使得整個系統(tǒng)從行為算法級 (系統(tǒng)級 )到物理結(jié)構(gòu)級的全部設(shè)計易于在 FPGA 上實現(xiàn)。 Altera 公司提出的片上可編程系統(tǒng) (SOPC)解決方案，使得 FPGA 在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的地位越來越重要。 SOPC 是 PLD 和 ASIC 技術(shù)融合的結(jié)果。 利用 SOPC 解決方案可將 CPU、存儲器、 I／ O 接口、低電壓差分信號 (LVDS)技術(shù)、時鐘 數(shù)據(jù)自動恢復(CDR)以及鎖相環(huán) (PLL)等系統(tǒng)設(shè)計所必需的模塊集成到一片可編程器件 (PLD)上 ，構(gòu)成一個可編程的片上系統(tǒng)。目前，可編程器件供應(yīng)商還在不斷推出新的基于 FPGA 的嵌入式處理器及相應(yīng)的軟件開發(fā)工具。如 Altera 公司在第一代 Nios嵌入式處理器獲得成功的基礎(chǔ)上，推出了具有完善功能的軟件開發(fā)套件，包括 C／ C++編譯器、集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、 JTAG 調(diào)試器、實時操作系統(tǒng) (RTOS)和 TCP／ IP 協(xié)議棧的 32 位 RSIC 嵌入式處理器 NiosⅡ 。 基本內(nèi)容和技術(shù)方案 目前，高性能頻譜分析儀的典型產(chǎn)品主要以 Agilent和 Ramp。S公司的產(chǎn)品為主。國外高性能頻譜儀普遍采用嵌入式計算機技術(shù)，利用先 進的計算機及其軟件資源作為控制平臺，使現(xiàn)場總線與智能儀表的發(fā)展呈現(xiàn)多種總線及其儀表共存發(fā)展的局面。頻譜分析儀大都帶有 GPIB接口， LAN接口和 UBS接口等，而且能進行快速的遠程網(wǎng)絡(luò)測量。國內(nèi)很少有自主產(chǎn)品。本設(shè)計提出一種解決方案，該方案在硬件設(shè)計上以 SOPC(片上可編程系統(tǒng) )技術(shù)為基礎(chǔ)，在單片 FPGA上實現(xiàn)整個系統(tǒng)構(gòu)建；其中 CPU選用 A1tera公司的 NIOS II軟核處理器進行開發(fā)，硬件平臺關(guān)鍵模塊使用 Altera公司的 EDA軟件 Quartus II V8． 0設(shè)計。 本設(shè)計選擇基于 SOPC的頻譜分析儀的設(shè)計 這一研究課題，在將 Altera公司的 SOPC解方案 :NIOS II軟核處理器進行應(yīng)用的同時，積極尋找 SOPC新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有較大的工程意義。 實現(xiàn)基于 SOPC的數(shù)字頻譜分析儀的設(shè)計，算法采用周期圖法、系統(tǒng)的 FFT處理器使用硬件乘法器，加法器構(gòu)成，實現(xiàn)了信號的并行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無積壓處理。 NIOS II實現(xiàn)系統(tǒng)和顯示控制。另外從理論上講， 這種實現(xiàn)頻譜分析的方法，可以得到比模擬實現(xiàn)更高的頻率分辨率。這樣它便能夠很方便的解決了模擬系統(tǒng)分辨率不高和傳統(tǒng) DSP處理器速度慢缺點，方便實現(xiàn)了信號 高分辨的頻譜分析。 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 在本 設(shè)計中，針對基于 SOPC的頻譜分析儀的實現(xiàn)著重做兩方面的工作。一是主要利用 Altera公司 DE2開發(fā)板上的資源，并添加一些需要的硬件資源形成頻譜分析儀的硬件板；另一方面利用 Altera公司的 SOPC Builder開發(fā)工具選擇需要的資源 (包括 CPU及外設(shè)等 )形成軟件開發(fā)平臺，在該平臺上進行頻譜分析儀應(yīng)用程序的開發(fā)。本系統(tǒng)實現(xiàn)目標是實現(xiàn)一個基于 SOPC的頻譜分析儀，該頻譜分析儀通過 VGA顯示輸入信號的頻譜。 進度安排 第 1—3 周 : 查閱相關(guān)文獻資料，明確研究內(nèi)容，確定方案，完成開題報告。 第 4—5 周 : 收集有關(guān) SOPC 技術(shù)的資料，熟悉 NIOS II 開發(fā)平臺，能將 NIOS II 成功的植入 FPGA。 第 6—11 周 : 實現(xiàn)基于 SOPC 的數(shù)字頻譜分析儀的設(shè)計，解決 FFT核心技術(shù)。 第 12—13 周 : 完成 VGA 的顯示及外圍的硬件電路。 第 14—15 周 : 撰寫并修改畢業(yè)設(shè)計報告。 第 16 周 : 準備論文答辯。 指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 目 錄 摘 要 ................................................................................................................................I Abstract.......................................................................................................................... II .............................................................................................................................. 1 SOPC 技術(shù)的概括及發(fā)展 ...................................................................................... 1 頻譜分析儀的現(xiàn)狀及意義 ..................................................................................... 1 本文的結(jié)構(gòu) .......................................................................................................... 2 ....................................................................................................................... 3 頻譜分析儀的總體方案的確定 .............................................................................. 3 基于 SOPC 頻譜儀的設(shè)計方案 .............................................................................. 5 頻譜分析儀的性能指標 ........................................................................................ 5 主要芯片介紹 ...................................................................................................... 6 硬件系統(tǒng)的建立 ................................................................................................... 7 SOPC 基本開發(fā)流程 ............................................................................................. 7 建立設(shè)計所需要的基本 SOPC 模塊 ..