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第1章 概论1

1.1 可编程逻辑器件概述1

1.1.1 可编程逻辑器件简介2

1.1.2 可编程逻辑器件的发展历史2

1.1.3 可编程逻辑器件与设计软件7

1.2 FPGA分类与使用8

1.2.1 FPGA的分类9

1.2.2 FPGA的使用14

1.3 FPGA供应商及代表产品16

1.3.1 Xilinx公司的代表产品17

1.3.2 Altera公司的代表产品20

1.3.3 Actel公司的代表产品22

1.3.4 其他产品25

1.4 FPGA技术的发展与趋势25

1.5 机电伺服系统FPGA应用特点和设计要求33

第2章 FPGA设计基础35

2.1 FPGA的原理与结构35

2.1.1 FPGA的原理35

2.1.2 FPGA的结构36

2.1.3 软核、硬核以及固核的概念40

2.2 FPGA的工艺结构40

2.2.1 基于SRAM结构的FPGA41

2.2.2 基于反熔丝结构的FPGA42

2.2.3 基于Flash结构的FPGA44

2.2.4 FPGA工艺结构的对比分析44

2.3 FPGA与其他芯片的比较45

2.3.1 FPGA与CPLD45

2.3.2 FPGA与DSP46

2.3.3 FPGA与ARM48

2.4 FPGA常用开发工具48

2.4.1 集成开发环境49

2.4.2 仿真工具54

2.4.3 综合工具56

2.4.4 调试与加载56

2.5 FPGA的基本设计技术57

2.5.1 设计流程57

2.5.2 设计方法60

2.6 IP核及开发流程62

2.6.1 IP设计的四大阶段62

2.6.2 IP验证的主要过程63

2.6.3 IP的规格定义64

2.6.4 IP集成65

2.6.5 IP集成的一般考虑65

2.6.6 IP模块的评估与选择66

第3章 FPGA硬件描述语言67

3.1 VHDL语言基本结构67

3.1.1 VHDL的历史与特点68

3.1.2 VHDL相关申明方法69

3.1.3 结构体的描述方法70

3.1.4 程序包与程序包体72

3.1.5 VHDL的程序库73

3.2 VHDL语言的数据类型与运算75

3.2.1 VHDL语言的数据对象75

3.2.2 VHDL语言的数据类型77

3.2.3 VHDL语言的运算78

3.3 VHDL语言的预定义属性79

3.3.1 VHDL的预定义数据类型79

3.3.2 IEEE预定义标准逻辑位与矢量80

3.4 Verilog HDL语言基本结构81

3.4.1 Verilog HDL的历史与特点81

3.4.2 Verilog HDL相关声明方法82

3.4.3 结构体的描述方法82

3.5 Verilog HDL语言的数据类型与运算83

3.5.1 标志符83

3.5.2 数据类型83

3.5.3 模块端口85

3.5.4 常量集合85

3.5.5 运算符和表达式87

3.6 Verilog HDL语言描述91

3.6.1 门极建模形式91

3.6.2 数据流建模形式91

3.6.3 行为建模形式92

第4章 FPGA软件开发环境100

4.1 ISE开发软件101

4.1.1 ISE软件简介101

4.1.2 ISE系统要求与安装101

4.1.3 ISE软件的使用方法104

4.2 QuartusⅡ设计开发软件113

4.2.1 QuartusⅡ软件简介113

4.2.2 QuartusⅡ系统要求与安装113

4.2.3 QuartusⅡ软件的使用方法114

4.3 MAX+PLUSⅡ开发软件121

4.3.1 MAX+PLUSⅡ软件简介121

4.3.2 MAX+PLUSⅡ系统要求与安装122

4.3.3 MAX+PLUSⅡ软件的使用方法122

第5章 基于FPGA数据通信模块的实现131

5.1 RS232串口数据通信131

5.1.1 RS232通信概况132

5.1.2 RS232通信协议及实现方案132

5.1.3 信号检测模块的实现134

5.1.4 波特率发生器模块136

5.1.5 移位寄存器模块137

5.1.6 计数器模块140

5.1.7 奇偶校验模块142

5.1.8 测试平台的编写和仿真144

5.2 I2C数据通信145

5.2.1 I2C总线概况145

5.2.2 I2C协议具体FPGA实现149

5.2.3 程序的仿真与测试164

5.3 CAN总线数据通信164

5.3.1 CAN总线协议概述164

5.3.2 CAN总线控制器程序框架167

5.3.3 CAN总线控制器的FPGA实现167

5.3.4 CRC检验码的FPGA实现168

5.4 USB接口控制器170

5.4.1 USB接口简介170

5.4.2 USB体系结构171

5.4.3 USB固件开发173

5.4.4 USB驱动和软件开发174

5.5 SPI数据通信175

5.5.1 SPI数据通信概述176

5.5.2 SPI数据通信特点176

5.5.3 SPI协议具体FPGA实现177

5.6 1553B总线数据通信181

5.6.1 1553B总线协议概述181

5.6.2 1553B总线优点187

5.6.3 1553B总线系统的FPGA实现188

5.7 光纤总线通信196

5.7.1 光纤通信协议框架设计197

5.7.2 通信协议的实现198

5.7.3 光纤总线通信的FPGA设计203

5.7.4 通信协议仿真212

第6章 FPGA中的数字信号处理基础214

6.1 FPGA最小系统214

6.1.1 FPGA管脚设计214

6.1.2 FPGA存储器设计217

6.1.3 FPGA开关、按键电路设计220

6.1.4 FPGA电源及复位电路设计221

6.1.5 FPGA时间及定时器电路设计222

6.2 二进制加法器和乘法器设计223

6.2.1 数的表示方法223

6.2.2 流水线加法器224

6.2.3 流水线乘法器227

6.3 基于FPGA数字滤波器设计234

6.3.1 数字滤波器分类及工作原理235

6.3.2 FIR滤波器设计与实现236

6.3.3 IIR滤波器设计与实现241

6.4 基于FPGA傅立叶变换器设计246

6.4.1 FFT算法基本原理246

6.4.2 FFT模块设计253

6.4.3 输出缓冲器设计260

第7章 基于FPGA的数据采集技术262

7.1 数据采集的基本概念262

7.1.1 数据采集的研究现状与发展264

7.1.2 数据采集系统主要性能指标266

7.1.3 采样定理267

7.2 A/D转换原理及模块269

7.3 基于FPGA的多路数据采集系统设计271

7.3.1 多通道选择开关设计271

7.3.2 A/D转换电路（AD7862）271

7.3.3 基于FPGA控制的多通道选择模块273

7.3.4 基于FPGA的A/D控制模块274

7.4 基于FPGA的同步数据采集设计275

7.4.1 A/D转换电路（AD7656）275

7.4.2 FPGA控制功能模块275

7.4.3 功能实现277

第8章 FPGA伺服电动机控制技术280

8.1 FPGA在直流电动机中的应用280

8.1.1 直流电动机的工作原理281

8.1.2 直流电动机PWM调速原理282

8.1.3 FPGA在直流电动机调速系统中的应用284

8.1.4 FPGA在直流电动机位置控制系统中的应用290

8.2 FPGA在步进电动机控制器中的应用293

8.2.1 步进电动机工作原理293

8.2.2 FPGA在步进电动机联动控制方案中的应用295

8.2.3 步进电动机细分技术301

8.2.4 细分驱动模块FPGA实现304

8.3 FPGA在无刷直流电动机中的应用306

8.3.1 无刷直流电动机驱动系统的基本结构306

8.3.2 无刷直流电动机驱动系统的工作原理310

8.3.3 无刷直流电动机的数学模型311

8.3.4 基于FPGA的无刷直流调速系统313

8.4 FPGA在无位置传感器的无刷直流电动机应用321

8.4.1 反电动势过零法数学模型的建立321

8.4.2 三段式无传感器运行算法设计324

8.5 FPGA在交流永磁同步电动机中的应用330

8.5.1 永磁同步电动机工作原理330

8.5.2 永磁同步电动机矢量控制原理333

8.5.3 FPGA在交流永磁同步电动机控制器中的设计与实现338

8.6 FPGA在交流感应电动机中的应用351

8.6.1 交流感应电动机工作原理351

8.6.2 交流感应电动机的矢量控制系统353

8.6.3 交流感应电动机模糊矢量控制原理356

8.6.4 基于FPGA的感应电动机模糊控制系统360

8.7 FPGA在开关磁阻电动机中的应用367

8.7.1 开关磁阻电动机的结构及其工作原理367

8.7.2 开关磁阻电动机驱动系统控制方式371

8.7.3 基于FPGA的开关磁阻电动机位置检测算法研究373

8.7.4 基于FPGA的开关磁阻电动机无传感器控制系统375

第9章 FPGA容错技术及测试方法381

9.1 FPGA典型故障类型381

9.1.1 容错技术概述381

9.1.2 常见的FPGA故障模型384

9.1.3 典型的FPGA故障检测方法387

9.2 可编程逻辑功能模块的测试设计389

9.2.1 查找表（LUT）的测试389

9.2.2 进位逻辑模块的测试390

9.2.3 函数发生器RAM模式的测试391

9.3 可编程互连资源的测试393

9.3.1 互连资源内建自测试概述393

9.3.2 构建内建自测试子模块397

9.3.3 通用布线资源测试的实现398

9.3.4 互连资源的诊断方法406

9.4 FPGA动态可重构容错技术410

9.4.1 可重构技术的基本原理410

9.4.2 动态重构设计方法413

9.4.3 基于FPGA的局部动态可重构技术415

第10章 FPGA在工程领域的应用421

10.1 FPGA技术的基本应用421

10.1.1 FPGA技术在数字中频处理中的应用421

10.1.2 FPGA中植入嵌入式系统处理器422

10.1.3 基于FPGA的DSP系统设计422

10.1.4 FPGA技术在单片机中的应用423

10.1.5 FPGA在人工神经网络领域的实现研究423

10.2 FPGA在航天领域的应用425

10.2.1 国外FPGA航天技术研究现状425

10.2.2 FPGA在航天伺服系统中的应用427

10.2.3 航天应用FPGA的可靠性设计428

10.3 FPGA在军事领域的应用430

10.3.1 FPGA攻击原理分析430

10.3.2 FPGA加密保护技术431

10.3.3 军用龙芯计算机系统板的FPGA加密方法431

10.3.4 基于FPGA在防空导弹发射机构测试技术433

10.3.5 FPGA在坦克炮控系统中的应用435

10.3.6 基于FPGA的导弹制导站系统设计436

10.4 FPGA在工业领域的应用研究440

10.4.1 FPGA在水下领域的应用440

10.4.2 FPGA在矿山领域的应用444

10.5 FPGA在民用领域（医疗设备）中的应用445

10.5.1 FPGA在心电设备中的应用445

10.5.2 FPGA在超声设备中的应用447

10.5.3 FPGA在电子内窥镜中的应用448

参考文献450