Развитие технологии сигма-дельта модуляции для создания в архитектуре ПЛИС ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Романов, Алексей Михайлович

• Романов, Алексей Михайлович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Романов, Алексей Михайлович

Оглавление

Введение

1. Системы управления мехатронных модулей на базе ПЛИС

1.1. ПЛИС, как базовый элемент устройств управления мехатронно-модульных систем

1.2. Анализ подходов к оптимизации аппаратно-программного обеспечения устройств управления на базе ПЛИС

1.3. Предварительная оценка перспективности применения сигма-дельта модуляции в устройствах управления на базе ПЛИС

1.4. Задачи диссертационной работы

Выводы по главе 1

2. Структурная реализация математических операций с сигма-дельта модулированными импульсными потоками

2.1. Кодирование и восстановление информации в сигма-дельта модулированных импульсных потоках

2.2. Исследование особенностей структурной реализации математических операций с сигма-дельта модулированными импульсными потоками

2.2.1. Оценка точности выполнения линейных импульсных математических операций

2.2.2. Особенности реализации и оценка точности выполнения нелинейных импульсных математических операций

2.2.3. Особенности формирования сигма-дельта модулированных импульсных потоков с заданными характеристиками

2.3. Оценка погрешностей, вносимых сигма-дельта модулятором

Выводы по главе 2

3. Аппаратная реализация импульсных математических операций на

базе сигма-дельта модуляции в архитектуре ПЛИС

3.1. Обеспечение возможности оптимизации аппаратно-программного обеспечения ПЛИС

3.2. Обоснование выбора параметров сигма-дельта модулированных импульсных потоков

3.3. Схемотехнические решения блоков импульсных математических операций с сигма-дельта модулированными потоками

3.3.1. Модуляторы

3.3.2. Базовые математические операции с сигма-дельта модулированными импульсными потоками

3.3.3. Демодуляторы

3.3.4. Сопряжение тракта вычисления импульсных математических операций с объектом управления

3.3.5. Рекомендации по созданию специализированных модулей импульсных математических операций

3.4 Оценка перспективности применения сигма-дельта модуляции в

устройствах управления на базе ПЛИС

Выводы по главе 3

4. Устройство управления на базе ПЛИС прецизионного

мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа

4.1. Система управления исполнительного уровня прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа

4.2. Методика проектирования в архитектуре ПЛИС устройств

управления на основе сигма-дельта модуляции

4.3. Экспериментальные исследования

Выводы по главе 4

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие технологии сигма-дельта модуляции для создания в архитектуре ПЛИС ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами»

Введение

На сегодняшний день создание устройств управления (УУ) мехатронных систем на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) получило широкое развитие [24, 34, 43, 51]. Технология ПЛИС позволяет реализовать все основные функции системы управления при помощи одной микросхемы. Такой подход обеспечивает существенное улучшение качественных характеристик конечного устройства, добившись уменьшения массогабаритных размеров и снижения энергопотребления. Сокращение числа компонентов на печатной плате в результате использования ПЛИС приводит к увеличению надежности УУ.

Ключевой особенностью микросхем ПЛИС является возможность обновления аппаратного обеспечения путем перепрограммирования на этапе эксплуатации устройств управления (УУ). Это сокращает сроки выхода на рынок новых устройств за счет возможности исправления аппаратных ошибок на поздних этапах проектирования. Возможность реконфигурации аппаратных средств позволяет использовать для реализации различных УУ мехатронных модулей унифицированные печатные платы, что является важным аспектом с точки зрения технологии серийного производства.

Уменьшение ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения (АПО) ПЛИС является одним из важнейших направлений в ходе разработки УУ мехатронных модулей, поскольку позволяет не только сократить энергопотребление и тепловыделение, но и снизить стоимость элементной базы.

На сегодняшний день известно несколько подходов к сокращению ресурсоемкости АПО ПЛИС: алгоритмическая оптимизация (применение алгоритмов, более эффективных с точки зрения цифровой реализации), повторное использование вычислительных модулей и уменьшение разрядности операндов при реализации математических операций.

Первый метод не является универсальным и требует индивидуального подхода к решению каждой задачи, а второй, приводит увеличению транспортных задержек внутри ПЛИС и не позволяет достигнуть параллелизма вычислений, что снижает быстродействие.

В 1972 г. Локхарт (Lockhart) [2] предложил оригинальный подход аппаратной реализации вычислений, использующий представление сигналов в форме сигма-дельта модуляции (СДМ). Существенный вклад в развитие данной технологии внесли работы Н. Коувараса (Kouvaras) и его коллег. В 1978 г. они предложили [7] полностью цифровую схему сумматора для сигма-дельта модулированных сигналов и показали эффективность его аппаратной реализации. Позже их результат был расширен для случая трехуровневой модуляции [10] На протяжении 80-х и 90-х годов публиковались работы, посвященные реализации операций непосредственно над сигналами с импульсной модуляцией (сигма-дельта, ЧИМ, ШИМ) для решения задач цифровой фильтрации [15, 16], обработки звука [18], создания искусственных нейронных сетей [13]. За это время новая технология так и не получила единого устоявшегося названия, именуясь в различных работах как: direct sigma-delta processing (прямая обработка сигма-дельта модуляции), bit-stream signal processing (обработка битовых потоков), sigma-delta arithmetics (сигма-дельта арифметика) [11, 13, 16].

В начале 21 века появляются работы, посвященные реализации данного подхода к организации вычислений на базе ПЛИС [35, 38, 39, 42]. В них отмечается эффективность реализации вычислений (в смысле минимизации требуемых аппаратных ресурсов) на основе сигма-дельта модуляции по сравнению с классическими подходами и, кроме того, обосновываются преимущества, связанные с малыми транспортными задержками. Это открывает перспективу использования сигма-дельта модуляции для уменьшения ресурсоемкости АПО ПЛИС при реализации ресурсоемких УУ мехатронных комплексов, включающих различные подсистемы управления от приводного до поведенческого уровня.

Существенным ограничением применения рассматриваемых выше методов организации вычислений (основанных на частотном представлении сигналов) является необходимость последующей низкочастотной фильтрации результатов. При использовании сигма-дельта модуляции в УУ исполнительными механизмами мехатронных систем это ограничение не является существенным, так как результат вычислений, в конечном счете, поступает на вход объекта управления, который, как, правило является фильтром низких частот.

Современные УУ мехатронными и робототехническими системами включают в себя подсистемы управления исполнительными механизмами, подсистемы системы управления поведенческого уровня, подсистемы очувствления и т. п. [19]. Уменьшение ресурсоемкое™ элементов УУ приводного уровня позволяет перераспределять элементную базу ПЛИС между другими подсистемами УУ, высвободить дополнительные аппаратные средства для реализации, например, видео-обработки в системе технического зрения или интеллектуальных функций систем управления.

Несмотря на то, что работы по теме сигма-дельта арифметики неоднократно публиковались, начиная с 1980-х годов 20 века, они, как правило, касались решения узких инженерных задач и не носили систематический характер. Многие аспекты применения и анализа устройств управления, использующих частотное представление информационно-управляющих сигналов не проработаны.

Таким образом, развитие технологии сигма-дельта модуляции для уменьшения ресурсоемкости элементов устройств управления мехатронно-модульными системами в архитектуре ПЛИС является актуальной задачей, так как нет общего обоснования перспективности применения СДМ в УУ, отсутствуют исследования, связанные с реализацией математических операций с СДМ сигналами и оценкой их точности, нет схемотехнических решений элементов систем управления приводного уровня, обеспечивающих уменьшение ресурсоемкости АПО при реализации устройств управления, реализованных на ПЛИС, за счет использования сигма-дельта модуляции.

Целью работы является разработка новой технологии проектирования с использованием сигма-дельта модуляции, обеспечивающей уменьшение ресурсоемкости аппаратно-программного обеспечения устройств управления в архитектуре ПЛИС.

Предметом исследования данной работы являются сигма-дельта модулированные информационные потоки, схемотехнические решения, обеспечение точности выполнения импульсных математических операций, обоснование возможности создания ресурсоемких устройств управления мехатронно-модульными системами в архитектуре ПЛИС.

Объектом исследования являются устройства управления исполнительного уровня мехатронно-модульных систем на базе ПЛИС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать подходы к реализации различных математических операций на основе сигма-дельта модуляции;

2. определить структуры и параметры сигма-дельта модуляторов, наиболее эффективных для реализации блоков, выполняющих математические операции сложения, умножения, возведения в квадрат, интегрирования, нахождения синуса и косинуса и т.п.;

3. исследовать точность представления и преобразования сигма-дельта модулированных сигналов при реализации математических операций;

4. разработать методику проектирования в архитектуре ПЛИС устройств управления на основе сигма-дельта модуляции, обеспечивающую уменьшение ресурсоемкости АПО ПЛИС;

5. реализовать на базе предложенных схемотехнических решений и методики проектирования в архитектуре ПЛИС устройство управления прецизионного мехатронно-модульного опорно-поворотного устройства телескопа.

Методы исследования: математический анализ, теория автоматического управления, математическое моделирование, статистический анализ,

компьютерное моделирование, синтез АПО ПЛИС.

1. Системы управления мехатронных модулей на базе ПЛИС

1.1. ПЛИС, как базовый элемент устройств управления мехатронно-модульных систем

Существенные достижения последних 10 лет в области программируемых логических интегральных схем привели к их широкому использованию в реконфигурируемых устройствах управления сложными динамическими объектами, к которым относятся мехатронно-модульные системы, роботы и т.п.

Возможность реконфигурации АПО ПЛИС, после монтажа на печатную плату позволила производителям значительно унифицировать свое производство. Исчезла необходимость изготавливать отдельные печатные платы для каждого нового устройства. Теперь, когда вся основная «начинка» устройства располагается внутри ПЛИС, одна и та же печатная плата может служить основой для десятка разнообразных устройств, выполняющих совершенно различные функции.

В результате произошло снижение, как цены серийного производства, так и времени, необходимого на разработку и выход на рынок новых устройств. Также на сокращение сроков разработки повлиял тот факт, что большая часть микросхем ПЛИС поддерживает многократную реконфигурацию.

Раньше к моменту выпуска устройства на рынок оно должно было включать весь необходимый функционал. Требования к тестированию аппаратного обеспечения также были существенно выше. Причиной тому была высокая стоимость каждой ошибки, допущенной при проектировании и изготовлении аппаратного обеспечения. В случае, если после выхода на рынок возникали какие-либо аппаратные неполадки - это грозило производителю как минимум затратами на дополнительное сервисное обслуживание, а в худшем случае отзывом всей

партии обратно на производство.

Переход к проектированию устройств на базе ПЛИС сводит риски производителя к минимуму. Уменьшение количества соединений на печатной плате упрощает ее проектирование и снижает риск ошибки. Необходимость в сверхдлительном тестировании аппаратного обеспечения также отпадает, так как, даже если ошибка будет найдена после выхода устройства на рынок, ее можно будет исправить при помощи перепрограммирования ПЛИС. Причем, эта операция может выполняться как в специализированном сервисном центре, так и самим пользователем, при условии что такой функционал был заложен производителем изначально.

Тоже самое относится к добавлению новых функций в уже произведенные устройства. Если раньше такие изменения могли касаться только программного обеспечения, то с массовым использованием ПЛИС появилась возможность изменения и аппаратного обеспечения. В результате выпущенные сегодня музыкальные проигрыватели с аппаратной декомпрессией звука смогут поддерживать новые форматы записи, а электропривода позволят подключать к себе новые типы датчиков, интерфейсы которых на сегодняшний день еще не разработаны.

Технология ПЛИС постоянно развивается. Так компания Actel уже несколько лет выпускает микросхемы семейства SmartFusion. Каждая микросхема SmartFusion включает в себя процессор ARM Cortex-МЗ, программируемую логическую матрицу и конфигурируемую аналоговую подсистему, связанные между собой мультимастерной шиной AHB (рис. 1). При использовании этой микросхемы возможна реконфигурация не только цифровой, но и аналоговой части аппаратного обеспечения. В работе [49] приведен пример применения данной микросхемы в многокоординатном электроприводе.

Перспективной областью применения ПЛИС являются устройства, работающие в экстремальных условиях. Если раньше подбор необходимых комплектующих с требуемой степенью защиты мог стать серьезной проблемой, то

сегодня эту задачу можно упростить до подбора одной микросхемы ПЛИС, обладающей требуемыми объемом ресурсов и степенью защищенности.

В настоящее время большая часть микросхем ПЛИС доступна сразу в нескольких температурных исполнениях, включая военное (от -55 до +125°С). Ведущие компании производители имеют линейки микросхем пригодных для работы в условиях космоса и жесткого радиационного излучения.

Рис. 1. Структурная схема микросхемы Actel Smart Fusion

С точки зрения надежности современные ПЛИС уже не уступают заказным микросхемам. В результатах сравнительного исследования, выполненного по заказу NASA, указывается, что микросхемы Xilinx, производимые для космической промышленности, имеют вероятность отказа около одного отказа за 65 лет. Для отдельных ПЛИС Actel заявляется беспрецедентно низкая вероятность отказа: не более одного отказа на тысячу лет [25]. Таким образом, эти ПЛИС можно будет использовать в оборудовании для исследования дальнего космоса.

Использование ПЛИС дает практически неограниченные возможности по обеспечению информационного обмена между различными компонентами системы. Традиционный же подход, основанный на объединении компонентов системы посредством печатных плат, заранее ограничивает разработчика в

возможностях информационного обмена из-за фиксированного количества и функционала выводов на корпусах микросхем. Также нельзя не отметить, что скорости и объемы передачи информации между компонентами системы, доступные для разработчиков ПЛИС, в несколько раз превышают аналогичные характеристики для систем на базе отдельных микросхем и печатных плат.

Принятая на сегодняшний день методология разработки ПЛИС [28], подразумевает параллельное проектирование блоков интеллектуальной собственности (БИС) с последующим их объединением в рамках одной системы. Под БИС понимается законченный блок описания аппаратного или программного обеспечения, реализующего ту или иную функцию, имеющий полную документацию и средства его тестирования.

Таким образом, использование ПЛИС позволяет перевести понятие модульности в мехатронных системах на совершенно новый уровень. Теперь аппаратное обеспечение системы управления мехатронного модуля также может быть подвержено делению на модули, а также реконфигурации в процессе работы [47].

Такое важное свойство мехатронных систем, как проблемно-ориентированность, благодаря возможностям реконфигурации аппаратного обеспечения, может быть совмещено с полной унификацией самих мехатронных модулей на этапе производства. Теперь нет необходимости для каждой модификации мехатронного устройства делать свою уникальную систему управления. По сути, это означает возможность создания универсальных мехатронных модулей, которые могут быть скомпонованы в проблемно-ориентированные мехатронные системы и наделены необходимым функционалом. Также в этом случае остается возможность реконфигурации мехатронной системы для решения новых задач. При этом такая универсальная система в каждой конкретной конфигурации обладает ярко выраженными проблемно-ориентированными свойствами.

ПЛИС удачно вписываются в идеологию мехатронно-модульных устройств,

полностью удовлетворяя всем требованиям, предъявляемым к системам управления мехатронных модулей. Что же касается вопросов взаимодействия с различными информационными и исполнительными устройствами, то здесь ПЛИС также демонстрируют широкие возможности, позволяя управлять фактически всеми существующими на сегодняшний день типами двигателей и обрабатывать сигналы любых датчиков обратной связи. Эти данные подтверждаются опытом использования таких плат как ЦМКП-В2 . При этом, сохраняя в общем универсальность решения, каждая конкретная конфигурация ПЛИС является узкоспециализированной и направленной на достижение требуемого результата, что также хорошо отражает мехатронные принципы проектирования.

Немаловажно отметить и дополнительный вычислительный потенциал систем на базе ПЛИС. Сохраняя все возможности микропроцессорных систем, разработчик получает доступ к созданию собственных задачно-ориентированных сопроцессоров и организации параллельных вычислений. На сегодняшний день есть успешные реализации на ПЛИС систем управления всеми основными типами двигателей, как в датчиковом, так и в бесдатчиковом режимах [33, 44, 45, 48].

Возможность использования параллельных вычислений необходимо рассматривать не только как способ увеличения производительности системы, но и как возможность для повышения ее надежности. Например, в многокоординатном электроприводе реализация на базе ПЛИС позволяет сделать контуры управления каждой координатой полностью аппаратно-независимыми. Это означает, что сбой одной из координат гарантированно никак не затронет остальные.

Резюмируя все выше сказанное, перспективность применения ПЛИС в мехатронике обосновывается улучшением характеристик устройств управления модулей сразу по нескольким ключевым направлениям:

• уменьшение массогабаритных размеров;

• снижение энергопотребления;

• минимизация количества и номенклатуры компонентов, используемых при изготовлении печатных плат;

• унификация печатных плат и снижение стоимости в серийном производстве;

• увеличение надежности за счет сокращения числа компонентов на печатной плате;

• простота перехода от коммерческого исполнения устройств к индустриальному или радиационностойкому путем замены всего лишь одной микросхемы;

• увеличение скорости передачи данных между различными элементами системы управления;

• возможность модернизации аппаратного обеспечения без изменения печатных плат (путем перепрограммирования) в том числе самим пользователем;

• возможность реконфигурации аппаратного обеспечения системы управления отдельного модуля, в том числе в процессе работы;

• широкие возможности по реализация сложных алгоритмов управления многокоординатными объектами в том числе с использованием массового параллелизма вычислений.

1.2. Анализ подходов к оптимизации аппаратно-программного обеспечения устройств управления на базе ПЛИС

При создании новых устройств управления мехатронных модулей перед разработчиком, как правило, встает задача оптимизации аппаратного обеспечения с целью улучшения таких параметров как ресурсоемкость, энергопотребление, тепловыделение, габаритные размеры, надежность, стоимость.

Ресурсоемкость АПО напрямую связана с количеством задействованных в

вычислительном процессе элементов ПЛИС, а, следовательно, с их энергопотреблением, выделенным теплом. Уменьшение количества элементов схемы повышает ее надежность. Кроме того, ПЛИС с меньшим количеством вентилей имеет меньшие размеры.

Задача снижения энергопотребления мехатронных модулей особенно остро стоит при реализации мобильных систем. Время автономной работы таких систем определяется емкостью бортового автономного источника питания (аккумулятора) и объемом энергозатрат в процессе работы системы. Увеличение аккумулятора приводит к увеличению размеров и веса мехатронной системы. В результате, для сохранения требуемых динамических характеристик приходится увеличивать мощность электромеханических преобразователей, что в итоге приводит к росту энергопотребления и сводит на нет все усилия по увеличению времени автономной работы.

Существенное сокращение энергозатрат за счет применения специальных законов управления движением возможно, но требует дополнительных вычислительных затрат на анализ и формирование специальных траекторий движения, минимизирующих влияние динамических и статических нагрузок. Энергия, потребляемая двигателем, определяется, в первую очередь, силами сопротивления и массой модуля, которые влияют на энергопотребление в процессе управляемого движения. К тому же для многих мобильных мехатронных систем, особенно в задачах поиска и мониторинга, актуально длительное время работы в режиме ожидания, когда движение фактически не осуществляется или осуществляется в малом диапазоне перемещений с малыми энергозатратами. В этом случае именно снижение энергопотребления устройства управления является ключом к увеличению времени автономной работы мобильной системы.

Задача сокращения тепловыделения печатных плат актуальна, в первую очередь, для техники, эксплуатируемой в жестких условиях. Стандартным решением для защиты электроники от агрессивных условий внешней среды является применение герметичных корпусов с классом защиты 1Р67 и выше.

Главным недостатком такого подхода является проблема с поддержания температурного режима внутри корпуса, обусловленная плотностью расположения печатных плат и ограниченными возможностями по теплоотводу.

Существует три решения данной проблемы:

- увеличение внутреннего объема корпуса

- применение систем кондиционирования

- снижение тепловыделения внутри герметичного корпуса модуля

Первый подход приведет к увеличению габаритных размеров модуля.

Второй подход неминуемо приведет как к увеличению энергопотребления системы, так и к ее удорожанию.

Наиболее приемлемым является снижение тепловыделения внутри герметичного корпуса. В случае, если электроника модуля архитектурно построена на базе ПЛИС, эта задача равносильна сокращению энергопотребления микросхемы ПЛИС. В свою очередь, сокращение энергопотребления ПЛИС зависит от снижения двух ключевых параметров: тактовой частоты и количества использованных логических ресурсов [26].

Комплексная проблема сокращения энергопотребления и тепловыделения особенно актуально стоит в космической технике: с одной стороны мощность бортовой системы электропитания космического аппарата, как правило, существенно ограничена, с другой стороны работа в условиях вакуума создает серьезные проблемы с теплоотводом.

Еще одним основанием для уменьшения ресурсоемкости программного обеспечения ПЛИС мехатронного модуля является экономический фактор.

Себестоимость устройства управления мехатронного модуля фактически определяется стоимостью микросхемы ПЛИС. Несмотря на высокую стоимость датчиков и электромеханических преобразователей, общая стоимость микросхем ПЛИС для системы, состоящий из десятков модулей, будет составлять существенную статью расходов. В тоже время сокращение себестоимости системы за счет датчиков и двигателей без изменения ее качественных

характеристик, как правило, невозможно. Проведение же оптимизации АЛО ПЛИС по ресурсоемкости может позволить перейти к ПЛИС меньшей логической емкости, что неминуемо скажется на цене микросхемы. Отказ от использования в АПО блоков аппаратного умножения или модулей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) может позволить перейти к ПЛИС более бюджетного семейства и также сократить себестоимость готового мехатронного модуля.

Возможность использования освободившихся ресурсов в других подсистемах устройств управления дает дополнительную мотивацию к уменьшению ресурсоемкости АПО ПЛИС. Например, проведя оптимизацию приводного уровня системы управления, можно использовать высвободившиеся ресурсы для реализации более сложных интеллектуальных алгоритмов управления на тактическом и стратегическом уровне.

Подводя итог, можно сделать вывод, что оптимизация АПО ПЛИС с целью уменьшения требуемых для реализации ресурсов приводит к улучшению технических характеристик и снижению конечной стоимости устройства управления.

Для того, чтобы иметь возможность сравнивать различные варианты АПО ПЛИС по количеству требуемых ресурсов необходимо выбрать единицу измерения ресурсоемкости. Наиболее часто различные микросхемы ПЛИС принято сравнивать по количеству эквивалентных вентилей. Однако использование этой единицы для измерения ресурсоемкости АПО ПЛИС затруднительно, так как даже у производителей микросхем нет единого понимания того, какой объем логики соответствует одному эквивалентному вентилю. Одни производители называют эквивалентным вентилем двухвходовую функцию И-НЕ, другие «одну одиннадцатую минимального количества логики, необходимого для реализации полного одно битного сумматора» [36].

Аналогично ситуация обстоит с периферией ПЛИС разных производителей. Если один производитель использует, например, встроенные умножители 18x18, а другой 16x16, то для реализации 17-битного умножения понадобится один

встроенный умножитель при использовании микросхем первого производителя и два умножителя на микросхеме второго производителя. При этом в обоих случаях исходный код АПО ПЛИС будет одинаков.

Таким образом, объективность оценки при сравнении различного АПО ПЛИС с точки зрения занимаемых ресурсов может быть достигнута только путем сравнения результатов синтеза схемотехники для одной и той же микросхемы ПЛИС.

В данной работе в качестве такой эталонной микросхемы был выбран чип XC3S250E фирмы Xilinx из семейства Spartan ЗЕ. Выбор этой микросхемы обусловлен ее широким распространением, как в макетных образцах, так и в серийно производимом оборудовании.

Комбинаторная логика ПЛИС семейства Spartan ЗЕ реализуется при помощи логических ячеек (рис. 2). Каждая логическая ячейка включает в себя 4-х входовую таблицу истинности (LUT), мультиплексор и регистр. Таким образом, при сравнении различных алгоритмов с точки зрения объема требуемых ресурсов, необходимых для реализации на ПЛИС семейства Spartan ЗЕ, в качестве основной единицы ресурсоемкости в данной работе примем требуемое для реализации того или иного функционала количество LUT [32].

Рис. 2. Структурная схема логической ячейки Xilinx Spartan ЗЕ

Существует три основных подхода к оптимизации АПО ПЛИС с точки зрения требуемых ресурсов. Наиболее распространенным является метод многократного повторного использования блоков в нескольких вычислительных процессах. В ходе проектирования АПО ПЛИС выбираются наиболее ресурсоемкие блоки. После чего при помощи конечного автомата организуется повторное использование блока в различных вычислениях (рис. 3).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Романов, Алексей Михайлович, 2013 год

Список литературы

1. Andrew D. Booth A signed binary multiplication technique The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Volume IV, Pt. 2, 1950

2. Lockhart G., Babary S. Digital Encoding and Filtering Using Delta Modulation Radio and Electronic Engineer, Vol. 42m, No. 12, December 1972, pp 547-551

3. Ashouri M. A New Approach to the implementation of Signal Processors Fourth International Symposium on Network Theory, Ljubljana, Slovenia, September 1979, pp.91-96

4. Peled A., Liu B. A New Approach to the Realization of Nonrecursive Digital Filters IEEE Trans, on Audio and Electroacoustics, Vol. AU-21, No. 6, December 1973, pp.477-484.

5. Peled A., Liu B. A New Hardware Realization of Digital Filters IEEE Transactions on ASSP, Vol. ASSP-22, No. 6 December 1974, pp.456-462.

6. Нетушил A.B. Теория автоматического управления Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Высшая школа», 1976. - 400 с. ил.

7. Kouvaras N. Operations on delta-modulated signals and their application in the realization of digital filters The Radio and Electronic Engineer, Vol. 48, No. 9, pp. 431438, Sept. 1978.

8. Байков В. Д., Смолов В. Б. Специализированные процессоры: итерационные алгоритмы и структуры Москва, Радио и связь, 1985, 288 стр.

9. Воронов А.А. Введение в динамику сложных управляемых систем. - М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 352 с.

10. Zrilic Dj., Mallinson М., Zangi К., Mavretic A. Implementation Signal Processing Functions on Ternary Encoded Delta-Modulated Pulse Streams 1988 IEEE Internation Symposium on Circuits and Systems, Proceedings, Volume 2 of 3, pp. 15531556

11. P. W. Wong, R. M. Gray FIR fdters with delta-sigma modulation encoding, IEEE

Trans. Acousc., Speech, Signal Processing, vol. 38, pp. 979-990, June 1990.

12. Johns, D.A.; Lewis, D.M., Sigma-delta based IIR filters, Circuits and Systems, 1991., Proceedings of the 34th Midwest Symposium on , vol., no., pp.210,213 vol.1, 1417 May 1991

13. Alan F. Murray, Dante Del Corso, Lionel Tarassenko Pulse-Stream VLSI Neural Networks Mixing Analog and Digital Techniques IEEE transactions on neural networks, vol. 2, no. 2, march 1991

14. F. Maloberti Non conventional signal processing by the use of sigma delta technique: a tutorial introduction, in Proc. IEEE Int. Symp. Circ. and Syst., San Diego, CA, 6, 2645 (1992)

15 S. M. Kershaw, M. B. Sandler Digital signal processing on a sigma delta bitstream IEE Colloquium on Oversampling Techniques and Sigma-Delta Modulation, Imperial College, March 1994, pp. 9/1-9/8.

16. Pneumatikakis A., Anastassopoulos V., Deliyannis T. Realization of a High Order IIR Delta Sigma Filter Int. J. Electronics, vol. 78, no. 6, pp. 1071-1089, June 1995

17. L. Harnefors Speed estimation from noisy resolver signals, Power Electronics and Varibale Speed Drive, 23-25 September 1996, Conference Publication No. 439

18. Angus, J., Direct DSP on sigma-delta encoded audio signals, AES UK Conference, paper ASC-06, June 1999

19. Подураев В.Ю. Основы мехатроники Учебное пособие. - М: МГТУ "СТАНКИН", 2000. -80 с: ил.38, табл.5, библ. 66 назв

20. Н. Fujisaka, R. Kurata, М. Sakamoto, М. Morisue Bit-stream signal processing and its application to communication systems IEICE Transaction on Fundamentals of Electronics Communications and Computer Sciences vol. 85, (4), pp. 853-860, 2002

21. Грушвицкий Р.И., Мурсаев A.X., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики — Спб.: БХВ-Петербург, 2002. — 608 с.

22. Боровиков, В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов / В. Боровиков. — СПб.: Питер, 2003. — 688 с

23. Голуб B.C. Сигма-дельта-модуляторы и АЦП - "Технология и

конструирование в электронной аппаратуре", №4. - 2003. с. 35-41.

24. Casalino, G.; Giorgi, F.; Turetta, A.; Caffaz, A., Embedded FPGA-based control of a multifingered robotic hand, Robotics and Automation, 2003. Proceedings. ICRA '03. IEEE International Conference on , vol.2, no., pp.2786,2791 vol.2, 14-19 Sept. 2003

25. Gary M. Swift, Ramin Roosta Tradeoffs in Flight-Design Upset Mitigation in State-of-the-Art FPGAs Hardened By Design vs. Design-Level Hardening Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology, Military and Aerospace Programmable Logic Device (MALPD)International Conference; 8-10 Sep. 2004; Washington, DC; United States

26. M.French "A Power Efficient Image Convolution Engine for Field Programmable Gate Arrays", 7th Annual International Conference on Military and Aerospace Programmable Logic Devices (MAPLD), Washington, D.C., September, 2004

27. Josh Reiss, Mark Sandler DIGITAL A UDIO EFFECTS APPLIED DIRECTLY ON A DSD BITSTREAM Proc. of the 7th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFX-04), Naples, Italy, October 5-8, 200Proc. of the 7 th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx'04), Naples, Italy, October 5-8, 2004

28. В.Немудров, Г.Мартин Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие Москва : Техносфера, 2004.-216с.

29. James Е. Stine Digital Computer Arithmetic Datapath Design Using Verilog HDL Kluwer Academic Publishers Norwell, MA, USA, 2004

30. U. Hatnik, S. Altmann Using ModelSim, Matlab/Simulink and NS for Simulation of Distributed Systems International Conference on Parallel Computing in Electrical Engineering (2004)

31. Djuro G. Zrilic Circuits and Systems Based on Delta Modulation. Linear, Nonlinear, and Mixed Mode Processing, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005

32. DS312 Технническая документация на ПЛИС семейства Xilinx Spartan-3E, [Электронный ресурс] = Xilinx DS312 Spartan-3E FPGA Family Data Sheet — Режим доступа: www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds312.pdf, свободный. — Загл. с экрана, 2005 г.

33. R. Beguenane, J.-G. Mailloux, S. Simard, and A. Tisserand. Towards the System-on-Chip Realization of a Sensorless Vector Controller with Microsecond-order Computation Time, In Proc. 2006 IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE 2006), pp. 908-912, 2006, IEEE.

34. Chakravarthy, N.; Jizhong Xiao, FPGA-based Control System for Miniature Robots, Intelligent Robots and Systems, 2006 IEEE/RSJ International Conference on , vol., no., pp.3399,3404, 9-15 Oct. 2006

35. Xiaofeng Wu, Vassilios Chouliaras, Jose Nunez-Yanez, Roger Goodall, Tanya Vladimirova A Novel Processor Architecture for Real-Time Control, Advances in Computer Systems Architecture, Lecture Notes in Computer Science Volume 4186, Springer Berlin Heidelberg, 2006, pp 270-280

36. Клайв Максфилд Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца Издательский дом «Додэка-XXI», Москва 2007 г.

37. Wai-Kai Chen The VLSI Handbook, Second Edition (Electrical Engineering Handbook), CRC Press, Boca Raton, 2007, стр.42-1 - 42-7

38. C.W. Ng, N. Wong, T.S. Ng Tri-level bit-stream signal processing circuits and applications Proc. Intl. Conf. Signal Processing and Communications Systems (ICSPCS 2007), 2007.

39. C.W. Ng, N. Wong, and T.S. Ng Bit-stream adders and multipliers for tri-level sigma-delta modulators IEEE Transactions on Circuits and Systems II, vol. 54, no. 12, pp. 1082-1086, 2007.

40. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».- Иваново, 2008

41. В. Mac Cleery, Z. М. Kassas, New mechatronics development techniques for FPGA-based control and simulation of electromechanical systems, Proc. 17-th World Congress - Int. Federation Automatic Control, Seoul, pp. 4434-4439, 2008

42. Amin Z. Sadik, Peter J. O'Shea Realization of Ternary Sigma-Delta Modulated Arithmetic Processing Modules Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on

Advances in Signal Processing, Volume 2009, Article ID 574627, 7 pages

43. Alves, J.C.; Cruz, N.A., An FPGA-Based Embedded System for a Sailing Robot, Digital System Design, Architectures, Methods and Tools, 2009. DSD '09. 12th Euromicro Conference on , vol., no., pp.830,837, 27-29 Aug. 2009

44. Savita Sonoli, K.Nagabhushan Raju Implementation of FPGA based PID Controller for DC Motor Speed Control System, Sensors & Transducers Journal Vol. 114, Issue 3, March 2010, pp. 170-183

45. José Carlos Gamazo-Real, Ernesto Vázquez-Sánchez and Jaime Gómez-Gil Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends, Sensors 2010, 10, p. 6901-6947

46. Махлин, А. Дельта-сигма модуляция: назад в будущее Компоненты и технологии. - 2010. - №11. - С. 154-158.

47. Roland Kasper, Steffen Toscher Reconfigurable Controllers—A Mechatronic Systems Approach, Dynamically Reconfigurable Systems , Springer Netherlands, 2010, pp 417-436

48. Badre Bossoufi, Mohammed Karim, Silviu Ionita, Ahmed Lagrioui FPGAs in Industrial Current Control for PMSM, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 2, February 2012

49. Комплект для управления двумя двигателями на базе SmartFusion [Электронный ресурс] = SmartFusion Dual Motor Control Kit — Режим доступа: http://www.microsemi.com/products/fpga-soc/design-resources/dev-kits/smartfusion/smartfusion-dual-motor-control-kitx, свободный. — Загл. с экрана.

50. vmodel — симулятор-расъиирение MATLAB основанный на Verilator [Электронный ресурс] = vmodel MATLAB simulator based on Verilator — Режим доступа: http://code.google.eom/p/vmodel/, свободный. — Загл. с экрана.

51. Kamenar, Е.; Zelenika, S., Micropositioning mechatronics system based on FPGA architecture, Information & Communication Technology Electronics & Microelectronics (MIPRO), 2013 36th International Convention on , vol., no., pp. 125,130, 20-24 May 2013