基于FPGA的高速圖像預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

介紹了一種用單片FPGA實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)、多任務(wù)、高速圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)承擔(dān)著提高信噪比、壓縮數(shù)據(jù)量、Stokes參數(shù)觀測(cè)和儀器及觀測(cè)模式控制等任務(wù)。針對(duì)一個(gè)星載系統(tǒng)，采用了核心邏輯片內(nèi)冗余、設(shè)計(jì)了相應(yīng)的冗余管理線路等可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，采用了放置片內(nèi)測(cè)試和校驗(yàn)?zāi)K等可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)，使系統(tǒng)工作時(shí)鐘達(dá)40 MHz，圖像處理速率達(dá)100 Mbps。
關(guān) 鍵 詞 預(yù)處理; 檢錯(cuò)和糾錯(cuò); 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列; 狀態(tài)機(jī)

圖像處理一般都是用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)來(lái)完成的。但采用多DSP或DSP陣列的方法使系統(tǒng)在成本、重量、功耗等方面都會(huì)快速升高。近年來(lái)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或可編程器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)設(shè)計(jì)邏輯電路已成為了一種趨勢(shì)[1, 2]，其原因：1) 集成電路由于集成度IC(Integrated Circuit)的大大提高，可編程器件給用戶提供了豐富的可編程資源；2) 可編程器件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和仿真手段日臻完美；本文介紹的預(yù)處理系統(tǒng)是中科院國(guó)家天文臺(tái)即將立項(xiàng)的國(guó)家重大工程項(xiàng)目——空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(Space Solar Telescope，SST)科學(xué)數(shù)據(jù)處理單元(Science Data Processing Unit，SDPU)的一個(gè)子系統(tǒng)[3, 4]。SDPU的功能是對(duì)由觀測(cè)儀器采集到的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列復(fù)雜的圖像處理任務(wù)，以滿足天文學(xué)者對(duì)太陽(yáng)的分析要求。預(yù)處理系統(tǒng)是一個(gè)單片的FPGA系統(tǒng)，由于本系統(tǒng)是一個(gè)星載系統(tǒng)，除了功能設(shè)計(jì)外，還采用了可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)。

1 SDPU的數(shù)據(jù)處理任務(wù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
SDPU的功能是對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列復(fù)雜的處理，它擔(dān)負(fù)著巨大數(shù)據(jù)量的高速采集、壓縮、編碼、存儲(chǔ)任務(wù)，并具有高可靠度的容錯(cuò)技術(shù)[3, 4]。SDPU的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)陣列、預(yù)處理(Pre-Processing, PP)陣列、中央(Central Processing Unit, CPU)、海量存儲(chǔ)器(Mass Memory, MM)、壓縮單元DSP1和DSP2、下傳子系統(tǒng)(Down Link System, DLS)等構(gòu)成的。SDPU的任務(wù)按順序包括如下過(guò)程：數(shù)據(jù)采集、積分、相關(guān)運(yùn)算、CCD圖像標(biāo)定、Stockes參數(shù)計(jì)算、小波圖像壓縮、通信格式化和下傳等。數(shù)據(jù)采集由SST的5個(gè)觀測(cè)儀器共17個(gè)通道構(gòu)成的CCD(探測(cè)器)陣列來(lái)完成；積分的工作是在預(yù)處理完成的；CCD修正和Stockes計(jì)算、小波壓縮是由兩個(gè)DSP模塊(DSP1、DSP2)來(lái)完成；通信格式化和下傳任務(wù)是由下傳子系統(tǒng)(DLS)完成；各單元處理的數(shù)據(jù)都是由海量存儲(chǔ)器(MM)暫存；系統(tǒng)總體調(diào)度和管理由CPU來(lái)進(jìn)行。

2 預(yù)處理的數(shù)據(jù)處理任務(wù)及設(shè)計(jì)方案選擇
2.1 預(yù)處理的數(shù)據(jù)處理任務(wù)
從圖1可見(jiàn)，預(yù)處理系統(tǒng)共有17個(gè)處理模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊的基本功能是一致的。預(yù)處理(PP)的任務(wù)是進(jìn)行積分運(yùn)算，它具有如下的處理任務(wù)：1) 提高信噪比。SDPU各個(gè)儀器的信噪比要求是不相同的，但都是通過(guò)累加多幀連續(xù)的極化圖像來(lái)改善圖像的質(zhì)量，各儀器在不同的模式下，積分的幀數(shù)是各不相同的，預(yù)處理要正確識(shí)別和處理；2) 壓縮數(shù)據(jù)量。預(yù)處理每日的輸入數(shù)據(jù)是2 506 GB，而輸出數(shù)據(jù)是50 GB，因此在預(yù)處理要進(jìn)行平均60倍的壓縮。3) Stockes參數(shù)測(cè)量。太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的主光路中插入了一個(gè)偏振分析器，該分析器具有3個(gè)可控的元件，通過(guò)控制元件狀態(tài)可以組合成進(jìn)行Stockes參數(shù)6個(gè)分量的圖像測(cè)量。4) 觀測(cè)模式。其儀器有：爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式、寧?kù)o態(tài)模式3種。根據(jù)不同的觀測(cè)模式預(yù)處理有不同的積分行為。
2.2 預(yù)處理的邏輯功能
預(yù)處理的功能，總體上可以分為：1) 數(shù)據(jù)接收和積分：如圖2所示，數(shù)據(jù)高位清零工作是解決多幀積分的位擴(kuò)展空間的清零問(wèn)題；數(shù)據(jù)積分是基于象素點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的；不同模式有不同的積分幀數(shù)；圖像的就緒標(biāo)志是標(biāo)志某存儲(chǔ)塊或地址段的數(shù)據(jù)已積分完成，可以被送出。當(dāng)數(shù)據(jù)正在積分和數(shù)據(jù)已被送走以后，這個(gè)標(biāo)志是無(wú)效的；2) 數(shù)據(jù)傳送通道控制：是一個(gè)總線仲裁機(jī)構(gòu)，用于仲裁17個(gè)通道的哪一個(gè)通道有權(quán)使用所有通道共享的數(shù)據(jù)總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作。它采用順序輪詢的方式，被詢問(wèn)的通道若數(shù)據(jù)就緒便進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，否則繼續(xù)向后查詢。3) 數(shù)據(jù)傳送：它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送，以騰空數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；它所操作的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間段和積分使用的緩存空間段是應(yīng)分開(kāi)的，以免沖突發(fā)生；它和積分在時(shí)間上是重疊的，因此必須設(shè)計(jì)成并行邏輯。4) 儀器觀測(cè)模式和工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)：從CPU的送來(lái)了儀器觀測(cè)模式和狀態(tài)壓縮碼，預(yù)處理需解碼出來(lái)，分別送到相關(guān)的部分進(jìn)行預(yù)處理各部分工作模式的控制，因此要設(shè)計(jì)相應(yīng)的邏輯。