基于DSP技術(shù)和FPGA器件構(gòu)造空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡星載圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)多采用DSP陣列、DSP加FPGA/CPLD或單由FPGA/CPLD器件等方式構(gòu)成。采用DSP陣列構(gòu)成的圖像處理系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是處理功能可以通過(guò)軟件靈活修改，其缺點(diǎn)主要有功耗大、體積大、成本高;采用單由FPGA/CPLD等可編程器件構(gòu)成的系統(tǒng)，可以避免DSP陣列系統(tǒng)功耗大、體積大的缺點(diǎn)，并可以根據(jù)系統(tǒng)要求，在硬件構(gòu)造上作靈活的配置，但對(duì)于復(fù)雜的算法，其設(shè)計(jì)復(fù)雜度急劇上升。正因?yàn)槿绱耍?dāng)前很多設(shè)計(jì)選擇DSP加FPGA/CPLD的結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造圖像處理系統(tǒng)。本空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡星載圖像處理系統(tǒng)，正是一種基于DSP和FPGA構(gòu)造的圖像處理系統(tǒng)。本文討論了系統(tǒng)的功能任務(wù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、FPGA設(shè)計(jì)的邏輯模塊、DSP的軟件結(jié)構(gòu)和原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 圖像處理系統(tǒng)的功能和任務(wù)

1.1 系統(tǒng)的外圍接口

系統(tǒng)的外圍接口如圖1。處理系統(tǒng)接收來(lái)自CCD單元的圖像數(shù)據(jù)和同步信號(hào)，同時(shí)向CCD單元提供復(fù)位、曝光開(kāi)始、數(shù)據(jù)讀出等控制信號(hào);CEU是一個(gè)管理機(jī)，管理和控制CCD單元、圖像處理單元和壓縮單元，CEU單元向圖像處理系統(tǒng)發(fā)送各種命令，如CCD標(biāo)定、正常的觀測(cè)測(cè)試及觀測(cè)數(shù)據(jù)處理所需要的數(shù)據(jù)，如觀測(cè)模式、時(shí)間等;系統(tǒng)將處理完成的數(shù)據(jù)送到壓縮單元進(jìn)一步壓縮。

圖1 處理系統(tǒng)的外圍接口

1.2 系統(tǒng)的圖像處理任務(wù)

圖像處理系統(tǒng)的任務(wù)是接收CCD傳來(lái)的圖像和同步信號(hào)，進(jìn)行圖像積分、輻射校正、幾何校正、磁圖偏陣計(jì)算和圖像格式化，然后把數(shù)據(jù)送到壓縮單元進(jìn)行壓縮。

（1）圖像積分：也就是圖像的多幀疊加，其目的是提高信噪比和消除圖像的時(shí)間相關(guān)性以壓縮數(shù)據(jù)量?？臻g太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡有三個(gè)觀測(cè)模式，分別是爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式和寧?kù)o態(tài)模式。經(jīng)計(jì)算，三種觀測(cè)模式下圖像積分的幀數(shù)分別是：4幀、24幀、240幀;每個(gè)模式又順次觀測(cè)六個(gè)分量，六個(gè)分量分別是：SV1、SV2、SQ1、SQ2、SU1、SU2。爆發(fā)模式的觀測(cè)時(shí)間是30s。30s的時(shí)間是這樣安排的：每個(gè)分量連續(xù)采集4幀，每秒一幀，然后1s進(jìn)行偏振光學(xué)元件的切換，如此直到六個(gè)分量觀測(cè)完畢?；顒?dòng)區(qū)模式由6個(gè)連續(xù)的爆發(fā)周期構(gòu)成，觀測(cè)時(shí)間是3min;而寧?kù)o態(tài)模式又是10次活動(dòng)區(qū)模式周期構(gòu)成，觀測(cè)周期是30min。

（2）圖像的輻射校正：圖像由于受到大氣擾動(dòng)、傳感器自身特性、宇宙射線等輻射的影響，圖像的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生退化，必須進(jìn)行輻射校正。主要考慮CCD的校正（暗流、偏置、平場(chǎng)）和條紋斑點(diǎn)的消除兩個(gè)方面。

（3）圖像的幾何校正：圖像的幾何校正，成像過(guò)程中引起的幾何畸變的校正;由于系統(tǒng)或隨機(jī)因素造成圖像產(chǎn)生幾何畸變，必須進(jìn)行校正?？紤]圖像漂移的校正，采用相關(guān)技術(shù)，求出活動(dòng)圖像相對(duì)于參考圖像的的漂移量，再采用線性內(nèi)插累加的方式，實(shí)現(xiàn)漂移前后圖像的積分問(wèn)題。根據(jù)太陽(yáng)米粒的存活壽命，幾何校正只對(duì)寧?kù)o模式觀測(cè)進(jìn)行，并且是以3min作為校正時(shí)間間隔。

（4）圖像的偏振計(jì)算：空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡主要進(jìn)行太陽(yáng)磁場(chǎng)測(cè)量，磁圖的偏振歸算也是重要任務(wù)之一。磁場(chǎng)圖像的歸算還可以是數(shù)據(jù)量壓縮1.5倍。

（5）圖像格式化：給圖像加上圖像頭，應(yīng)包括：儀器號(hào)、時(shí)間、觀測(cè)模式、觀測(cè)分量等。

2 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2。FPGA中的硬件模塊，包括積分單元、多路開(kāi)關(guān)單元、兩個(gè)SDRAM控制器和串口控制器。DSP的所有總線都伸入到FPGA內(nèi)部。存儲(chǔ)器由兩個(gè)SDRAM單元和一個(gè)SRAM單元構(gòu)成，SRAM只供DSP使用。系統(tǒng)接收CCD傳來(lái)的圖像，在積分單元進(jìn)行圖像積分，積分就緒的圖像再由DSP進(jìn)行輻射校正、幾何校正、偏振計(jì)算和圖像格式化等操作，最后通過(guò)DSP的片上串口將圖像送到壓縮單元。通過(guò)串口單元系統(tǒng)與管理機(jī)單元通信，接受管理和控制。由于圖像積分與DSP的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送是同時(shí)并行進(jìn)行的，因此積分器和DSP必須采用相互獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)。為了避免圖像在積分器和DSP的存儲(chǔ)區(qū)之間來(lái)回進(jìn)行圖像傳送，在設(shè)計(jì)中采用多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)乒乓方式切換。

2.2 FPGA邏輯模塊

FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)的邏輯模塊主要包括圖像積分單元、通路選擇單元、異步通用串口（UART）單元、兩個(gè)SDRAM控制和其它附加邏輯。下面分別介紹各塊的結(jié)構(gòu)，由于SDRAM控制器和串口單元（UART）均采用IP核實(shí)現(xiàn)，這里不作詳細(xì)介紹。

2.2.1 積分單元

積分單元主要完成如下功能：（1）按給定的時(shí)序接收CCD的圖像，并保存在寄存器中;（2）積分地址產(chǎn)生;（3）存儲(chǔ)器控制;（4）積分操作;（5）積分?jǐn)U展位清零，當(dāng)每個(gè)分量的第一幀圖像接收時(shí)，無(wú)須積分，但必須把存儲(chǔ)器的高位（積分?jǐn)U展位）清零，其它情況不必清零;（6）每幀圖像積分結(jié)束，產(chǎn)生Irq信號(hào)中斷DSP，以便由DSP進(jìn)行工作安排。

積分單元的邏輯框圖如圖3，其輸入輸出如下：（1）CCD輸入數(shù)據(jù)（CCD data），同步信號(hào)——點(diǎn)同步（ps）、行同步（ls）、幀同步（fs）;（2）DSP數(shù)據(jù)、地址和控制總線，irq是積分單元發(fā)給DSP的中斷信號(hào);（3）與存儲(chǔ)器連接的數(shù)據(jù)、地址和存儲(chǔ)器控制總線——data， mctrl， addr;（4）控制CCD的信號(hào)線——reset、start、read。

圖3充色的方框是DSP存儲(chǔ)器地址映射的寄存器，用于對(duì)積分單元進(jìn)行控制和對(duì)DSP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)識(shí);無(wú)充色的方框則是積分單元的硬件結(jié)構(gòu)，從CCD送來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)寄存器（OP1），作為寄分的第一個(gè)操作數(shù)，從存儲(chǔ)器送來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)寄存器（OP2）作為積分的第二個(gè)操作數(shù);從CCD送來(lái)的同步信號(hào)，送到幀內(nèi)地址發(fā)生器，作為地址產(chǎn)生信號(hào)，并生成存儲(chǔ)器需要的控制信號(hào);CCD送來(lái)的OP1被寄存，同時(shí)產(chǎn)生地址從內(nèi)存中取出要進(jìn)行積分的操作數(shù)OP2，然后在點(diǎn)同步信號(hào)的下降沿，進(jìn)行積分運(yùn)算并存回存儲(chǔ)器。

2.2.2 多路開(kāi)關(guān)單元

多路開(kāi)關(guān)單元如圖4所示。本單元的功能是完成積分總線INT bus和DSP bus與SDRAM1和SDRAM2乒乓連接結(jié)構(gòu)的切換。切換包括三大總線：數(shù)據(jù)、地址和控制總線。切換通過(guò)一位切換控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)，控制信號(hào)是DSP地址映射的一個(gè)一位寄存器，由DSP控制乒乓切換。

2.3 DSP軟件結(jié)構(gòu)

軟件部分包括系統(tǒng)軟件框架和各處理軟件模塊、中斷服務(wù)程序等;程序的流程和數(shù)據(jù)處理控制，都依賴于由DSP地址映射的寄存器的狀態(tài)。

2.3.1 DSP在FPGA中的存儲(chǔ)器映像寄存器及其作用

這一組寄存器都是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的。作業(yè)（指令）采用16位寄存器，由于DSP地址空間較大，為了方便編程，寄存器不采用拼位的方法。系統(tǒng)的工作 受CEU的控制。CEU發(fā)送過(guò)來(lái)的指令格式如圖5（a），其中DT表示CEU傳來(lái)的數(shù)據(jù)類型，00表示數(shù)據(jù)、01表示觀測(cè)指令、10表示CCD標(biāo)定、11表示自測(cè)。接收時(shí)，若是命令則直接寫(xiě)到JOB或放入命令隊(duì)列;若是數(shù)據(jù)，根據(jù)類型存放到相應(yīng)的位置。Parameters是各種工作狀態(tài)參數(shù)，如待機(jī)/自測(cè)要求的參數(shù)、測(cè)試的要求（內(nèi)容、測(cè)試選擇）、響應(yīng)信息要求、觀測(cè)模式和次數(shù)、CCD標(biāo)定要求的參數(shù)、標(biāo)定的內(nèi)容等，以便于DSP查看。

如圖5（b），當(dāng)CEU送來(lái)命令DT=01時(shí)，即為觀測(cè)命令。觀測(cè)作業(yè)的格式如：00表示無(wú)作業(yè)待機(jī)、01表示觀測(cè)指令、10表示CCD標(biāo)定、JT=11表示自測(cè);mode是當(dāng)前觀測(cè)模式標(biāo)志，001表示爆發(fā)模式、010表示活動(dòng)區(qū)模式、100表示寧?kù)o模式;Observ_Num是連續(xù)觀測(cè)同一種模式的次數(shù)標(biāo)志。

（1）作業(yè)類型寄存器（JOB）：標(biāo)識(shí)系統(tǒng)工作內(nèi)容（作業(yè)類型），如CCD標(biāo)定、觀測(cè)、自測(cè)試等;（2）模式寄存器（MODE）：標(biāo)識(shí)觀測(cè)的模式，爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式、寧?kù)o模式;（3）觀測(cè)次數(shù)寄存器（OBSN）：用于保存一次作業(yè)的觀測(cè)次數(shù);（4）寧?kù)o態(tài)的觀測(cè)次數(shù)寄存器（RESTN）：只用于寧?kù)o模式的觀測(cè)，當(dāng)為寧?kù)o態(tài)模式時(shí)，用它來(lái)標(biāo)志3min觀測(cè)的次數(shù);（5）幀計(jì)數(shù)器（FRMN）：用于計(jì)數(shù)爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式及寧?kù)o模式下的前24幀圖像，以便用于高位清零信號(hào)生成和地址高位生成;（6）SW電路控制寄存器（SWCTRL）：控制多路開(kāi)關(guān)的切換;（7）reset寄存器（FRST）：用于DSP控制FPGA中INT單元的時(shí)序邏輯復(fù)位，每次觀測(cè)結(jié)束，必須復(fù)位一次;（8）清零標(biāo)識(shí)寄存器（ZERO）：由DSP根據(jù)FRMN的值修改它，以實(shí)現(xiàn)高位的清零任務(wù);（9）分量寄存器（COMPO）：由DSP根據(jù)FRMN的值修改它，以實(shí)現(xiàn)高位地址的形成;（10）作業(yè)結(jié)束寄存器（END）：當(dāng)一個(gè)作業(yè)結(jié)束時(shí)，用次寄存器進(jìn)行標(biāo)志，以便將程序的PC跳到作業(yè)檢查入口;（11）數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器（DAST）：DSP存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)識(shí)：沒(méi)有數(shù)據(jù)、爆發(fā)模式的待處理數(shù)據(jù)、活動(dòng)區(qū)模式的待處理數(shù)據(jù)、寧?kù)o模式的待處理數(shù)據(jù)、寧?kù)o模式處理好數(shù)據(jù)及待送出數(shù)據(jù)等。DSP根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)和觀測(cè)模式，可以進(jìn)行相應(yīng)的處理;（12）相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)（CORR）：標(biāo)識(shí)相關(guān)運(yùn)算用的數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

2.3.2 DSP的存儲(chǔ)器空間分配

DSP的SYSCON寄存器的15～12位（MSIZE），可以設(shè)置以MS0～MS3作為片選信號(hào)時(shí)，每個(gè)分組的空間大小。其公式為：MSIZE=log2（塊大?。?13;取每個(gè)塊的大小為16MB，因此MSIZE=1011。

·片內(nèi)空間：0000，0000H～0007，F(xiàn)FFFH;

·MS0——數(shù)據(jù)空間：0040，0000H～13F，F(xiàn)FFFH;數(shù)據(jù)是倒序放置的，最后一個(gè)單元放第一個(gè)數(shù)據(jù);其中：

SQa:40，0000～5F，F(xiàn)FFF SQb:60，0000～7F，F(xiàn)FFF

SUa:80，0000～9F，F(xiàn)FFF SUb:a0，0000～bF，F(xiàn)FFF

SVa:c0，0000～dF，F(xiàn)FFF SVb:e0，0000～fF，F(xiàn)FFF

Rest2m:100，0000～11F，F(xiàn)FFF unused:120，0000～13F，F(xiàn)FFF

·MS1——SRAM空間：140，0000H～23F，F(xiàn)FFFH;

·MS2——CCD參數(shù)：240，0000H～33F，F(xiàn)FFFH;放置暗流、偏置和平場(chǎng)圖像3幀2048×1024圖像;

·MS3——未使用：340，0000H～43F，F(xiàn)FFFH;

·未分組空間：4040，0000～FFFF，F(xiàn)FFF所有存儲(chǔ)器映射的寄存器。

2.3.3 DSP的軟件結(jié)構(gòu)

DSP的主程序框架如圖6。系統(tǒng)初始化后，進(jìn)行作業(yè)查詢，根據(jù)查詢結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的處理任務(wù)（CCD標(biāo)定、自測(cè)試、觀測(cè)）。圖6中僅以觀測(cè)作業(yè)為例進(jìn)行說(shuō)明。進(jìn)入觀測(cè)后，首先由DSP對(duì)積分單元作相應(yīng)的設(shè)置，設(shè)置完成后，積分器開(kāi)始單獨(dú)地積分工作;DSP接著查詢本次觀測(cè)是否結(jié)束，若結(jié)束回到作業(yè)查詢，否則判斷存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的 狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的處理;處理就緒的數(shù)據(jù)根據(jù)FLAG0的標(biāo)志，可以向壓縮單元傳送數(shù)據(jù)。三種模式下的圖像處理程序流圖如圖7，圖7中ccdst（ ）是圖像輻射標(biāo)定子程序，format（）是格式化子程序，內(nèi)插運(yùn)算采用線性內(nèi)插方法，相關(guān)運(yùn)算采用FFT和逆FFT方法。

除了主程序和數(shù)據(jù)處理程序外，DSP還有一個(gè)重要的中斷子服務(wù)，就是積分單元每幀圖像積分完畢的中斷服務(wù)程序，其流程框圖如圖8。它根據(jù)積分的圖像幀數(shù)和觀測(cè)模式，判斷觀測(cè)是否結(jié)束，根據(jù)不同的情況設(shè)置積分器中相應(yīng)的寄存器，這些寄存器控制著積分器的工作行為和DSP的數(shù)據(jù)處理方法。圖8中參考圖像和活動(dòng)圖像的獲取是在采集到的2048×1024圖像的中心，獲取256×256的子塊，也就是說(shuō)，相關(guān)運(yùn)算是在兩幀256×256的圖像之間進(jìn)行的;對(duì)于圖像傳送操作，考慮到寧?kù)o模式的數(shù)據(jù)處理，要求的存儲(chǔ)器比爆發(fā)和活動(dòng)區(qū)模式要大一倍。為了不把存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)得太大，對(duì)于寧?kù)o模式，不再采用乒乓存儲(chǔ)器切換的結(jié)構(gòu)，而是在數(shù)據(jù)就緒時(shí)，利用光學(xué)儀器調(diào)整的1s時(shí)間，將積分就緒的圖像傳到DSP的工作區(qū)內(nèi)。

3 樣機(jī)研制和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原理樣機(jī)的研制過(guò)程中，DSP器件是AD公司ADSP21060，開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用VisualDSP2.0。FPGA器件選用Xilinx公司100萬(wàn)門的Virtex II系列器件，開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用ISE6.2。已完成的地面樣機(jī)達(dá)到了合同的要求。用（接上頁(yè)） DSP硬件仿真器對(duì)樣機(jī)作了軟硬件測(cè)試，首先對(duì)各接口進(jìn)行了測(cè)試，在保證數(shù)據(jù)可以正確地接收和發(fā)送后，測(cè)試系統(tǒng)的功能。這些測(cè)試均在一個(gè)專門開(kāi)發(fā)的地面支持系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行。經(jīng)過(guò)單元測(cè)試，再與其它單元接在一起進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的聯(lián)調(diào)和系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以按要求完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。