摘要：介紹一種基于ADSP21060和Virtex II的星載圖像處理系統(tǒng)。分析了圖像處理系統(tǒng)的功能和任務，給出了處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、FPGA的功能模塊、DSP的軟件框架和模塊。通過地面原理樣機開發(fā)，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性和高效性。
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)點是處理功能可以通過軟件靈活修改，其缺點主要有功耗大、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，并可以根據(jù)系統(tǒng)要求，在硬件構(gòu)造上作靈活的配置，但對于復雜的算法，其設(shè)計復雜度急劇上升。正因為如此，當前很多設(shè)計選擇DSP加FPGA/CPLD的結(jié)構(gòu)來構(gòu)造圖像處理系統(tǒng)。本空間太陽望遠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、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、FPGA設(shè)計的邏輯模塊、DSP的軟件結(jié)構(gòu)和原理樣機的實驗結(jié)果。
1 圖像處理系統(tǒng)的功能和任務
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)接收來自CCD單元的圖像數(shù)據(jù)和同步信號，同時向CCD單元提供復位、曝光開始、數(shù)據(jù)讀出等控制信號；CEU是一個管理機，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標定、正常的觀測測試及觀測數(shù)據(jù)處理所需要的數(shù)據(jù)，如觀測模式、時間等；系統(tǒng)將處理完成的數(shù)據(jù)送到壓縮單元進一步壓縮。
1.2 系統(tǒng)的圖像處理任務
圖像處理系統(tǒng)的任務是接收CCD傳來的圖像和同步信號，進行圖像積分、輻射校正、幾何校正、磁圖偏陣計算和圖像格式化，然后把數(shù)據(jù)送到壓縮單元進行壓縮。
(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間相關(guān)性以壓縮數(shù)據(jù)量。空間太陽望遠鏡有三個觀測模式，分別是爆發(fā)模式、活動區(qū)模式和寧靜態(tài)模式。經(jīng)計算，三種觀測模式下圖像積分的幀數(shù)分別是：4幀、24幀、240幀；每個模式又順次觀測六個分量，六個分量分別是：SV1、SV2、SQ1、SQ2、SU1、SU2。爆發(fā)模式的觀測時間是30s。30s的時間是這樣安排的：每個分量連續(xù)采集4幀，每秒一幀，然后1s進行偏振光學元件的切換，如此直到六個分量觀測完畢。活動區(qū)模式由6個連續(xù)的爆發(fā)周期構(gòu)成，觀測時間是3min；而寧靜態(tài)模式又是10次活動區(qū)模式周期構(gòu)成，觀測周期是30min。
(2)圖像的輻射校正：圖像由于受到大氣擾動、傳感器自身特性、宇宙射線等輻射的影響，圖像的質(zhì)量會產(chǎn)生退化，必須進行輻射校正。主要考慮CCD的校正(暗流、偏置、平場)和條紋斑點的消除兩個方面。
(3)圖像的幾何校正：圖像的幾何校正，成像過程中引起的幾何畸變的校正；由于系統(tǒng)或隨機因素造成圖像產(chǎn)生幾何畸變，必須進行校正。考慮圖像漂移的校正，采用相關(guān)技術(shù)，求出活動圖像相對于參考圖像的的漂移量，再采用線性內(nèi)插累加的方式，實現(xiàn)漂移前后圖像的積分問題。根據(jù)太陽米粒的存活壽命，幾何校正只對寧靜模式觀測進行，并且是以3min作為校正時間間隔。
(4)圖像的偏振計算：空間太陽望遠鏡主要進行太陽磁場測量，磁圖的偏振歸算也是重要任務之一。磁場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，應包括：儀器號、時間、觀測模式、觀測分量等。
2 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計
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、多路開關(guān)單元、兩個SDRAM控制器和串口控制器。DSP的所有總線都伸入到FPGA內(nèi)部。存儲器由兩個SDRAM單元和一個SRAM單元構(gòu)成，SRAM只供DSP使用。系統(tǒng)接收CCD傳來的圖像，在積分單元進行圖像積分，積分就緒的圖像再由DSP進行輻射校正、幾何校正、偏振計算和圖像格式化等操作，最后通過DSP的片上串口將圖像送到壓縮單元。通過串口單元系統(tǒng)與管理機單元通信，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)傳送是同時并行進行的，因此積分器和DSP必須采用相互獨立的存儲區(qū)。為了避免圖像在積分器和DSP的存儲區(qū)之間來回進行圖像傳送，在設(shè)計中采用多路開關(guān)進行存儲區(qū)乒乓方式切換。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
2.2 FPGA邏輯模塊
FPGA內(nèi)部設(shè)計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核實現(xiàn)，這里不作詳細介紹。
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)存儲器控制；(4)積分操作；(5)積分擴展位清零，當每個分量的第一幀圖像接收時，無須積分，但必須把存儲器的高位(積分擴展位)清零，其它情況不必清零；(6)每幀圖像積分結(jié)束，產(chǎn)生Irq信號中斷DSP，以便由DSP進行工作安排。
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——點同步(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；(3)與存儲器連接的數(shù)據(jù)、地址和存儲器控制總線——data，mctrl，addr；(4)控制CCD的信號線——reset、start、read。
圖3充色的方框是DSP存儲器地址映射的寄存器，用于對積分單元進行控制和對DSP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)進行標識；無充色的方框則是積分單元的硬件結(jié)構(gòu)，從CCD送來的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器(OP1)，作為寄分的第一個操作數(shù)，從存儲器送來的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器(OP2)作為積分的第二個操作數(shù)；從CCD送來的同步信號，送到幀內(nèi)地址發(fā)生器，作為地址產(chǎn)生信號，并生成存儲器需要的控制信號；CCD送來的OP1被寄存，同時產(chǎn)生地址從內(nèi)存中取出要進行積分的操作數(shù)OP2，然后在點同步信號的下降沿，進行積分運算并存回存儲器。
圖3 積分單元結(jié)構(gòu)
2.2.2 多路開關(guān)單元
多路開關(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。切換通過一位切換控制信號實現(xiàn)，控制信號是DSP地址映射的一個一位寄存器，由DSP控制乒乓切換。
圖4 多路開關(guān)單元
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中的存儲器映像寄存器及其作用
這一組寄存器都是在FPGA中實現(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)送過來的指令格式如圖5(a)，其中DT表示CEU傳來的數(shù)據(jù)類型，00表示數(shù)據(jù)、01表示觀測指令、10表示CCD標定、11表示自測。接收時，若是命令則直接寫到JOB或放入命令隊列；若是數(shù)據(jù)，根據(jù)類型存放到相應的位置。Parameters是各種工作狀態(tài)參數(shù)，如待機/自測要求的參數(shù)、測試的要求(內(nèi)容、測試選擇)、響應信息要求、觀測模式和次數(shù)、CCD標定要求的參數(shù)、標定的內(nèi)容等，以便于DSP查看。
圖5(a) CEU命令格式 圖5(b) 系統(tǒng)作業(yè)格式
如圖5(b)，當CEU送來命令DT=01時，即為觀測命令。觀測作業(yè)的格式如：00表示無作業(yè)待機、01表示觀測指令、10表示CCD標定、JT=11表示自測；mode是當前觀測模式標志，001表示爆發(fā)模式、010表示活動區(qū)模式、100表示寧靜模式；Observ_Num是連續(xù)觀測同一種模式的次數(shù)標志。
(1)作業(yè)類型寄存器(JOB)：標識系統(tǒng)工作內(nèi)容(作業(yè)類型)，如CCD標定、觀測、自測試等；(2)模式寄存器(MODE)：標識觀測的模式，爆發(fā)模式、活動區(qū)模式、寧靜模式；(3)觀測次數(shù)寄存器(OBSN)：用于保存一次作業(yè)的觀測次數(shù)；(4)寧靜態(tài)的觀測次數(shù)寄存器(RESTN)：只用于寧靜模式的觀測，當為寧靜態(tài)模式時，用它來標志3min觀測的次數(shù)；(5)幀計數(shù)器(FRMN)：用于計數(shù)爆發(fā)模式、活動區(qū)模式及寧靜模式下的前24幀圖像，以便用于高位清零信號生成和地址高位生成；(6)SW電路控制寄存器(SWCTRL)：控制多路開關(guān)的切換；(7)reset寄存器(FRST)：用于DSP控制FPGA中INT單元的時序邏輯復位，每次觀測結(jié)束，必須復位一次；(8)清零標識寄存器(ZERO)：由DSP根據(jù)FRMN的值修改它，以實現(xiàn)高位的清零任務；(9)分量寄存器(COMPO)：由DSP根據(jù)FRMN的值修改它，以實現(xiàn)高位地址的形成；(10)作業(yè)結(jié)束寄存器(END)：當一個作業(yè)結(jié)束時，用次寄存器進行標志，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存儲區(qū)數(shù)據(jù)狀態(tài)標識：沒有數(shù)據(jù)、爆發(fā)模式的待處理數(shù)據(jù)、活動區(qū)模式的待處理數(shù)據(jù)、寧靜模式的待處理數(shù)據(jù)、寧靜模式處理好數(shù)據(jù)及待送出數(shù)據(jù)等。DSP根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)和觀測模式，可以進行相應的處理；(12)相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)(CORR)：標識相關(guān)運算用的數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
2.3.2 DSP的存儲器空間分配
DSP的SYSCON寄存器的15～12位(MSIZE)，可以設(shè)置以MS0～MS3作為片選信號時，每個分組的空間大小。其公式為：MSIZE=log2(塊大小)-13；取每個塊的大小為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，最后一個單元放第一個數(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，進行作業(yè)查詢，根據(jù)查詢結(jié)果，進行相應的處理任務(CCD標定、自測試、觀測)。圖6中僅以觀測作業(yè)為例進行說明。進入觀測后，首先由DSP對積分單元作相應的設(shè)置，設(shè)置完成后，積分器開始單獨地積分工作；DSP接著查詢本次觀測是否結(jié)束，若結(jié)束回到作業(yè)查詢，否則判斷存儲器中數(shù)據(jù)的 狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，進行相應的處理；處理就緒的數(shù)據(jù)根據(jù)FLAG0的標志，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( )是圖像輻射標定子程序，format()是格式化子程序，內(nèi)插運算采用線性內(nèi)插方法，相關(guān)運算采用FFT和逆FFT方法。
圖6 DSP主程序框架
圖7 圖像處理程序模塊流圖
圖8 積分單元中斷服務程序流圖
除了主程序和數(shù)據(jù)處理程序外，DSP還有一個重要的中斷子服務，就是積分單元每幀圖像積分完畢的中斷服務程序，其流程框圖如圖8。它根據(jù)積分的圖像幀數(shù)和觀測模式，判斷觀測是否結(jié)束，根據(jù)不同的情況設(shè)置積分器中相應的寄存器，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，相關(guān)運算是在兩幀256×256的圖像之間進行的；對于圖像傳送操作，考慮到寧靜模式的數(shù)據(jù)處理，要求的存儲器比爆發(fā)和活動區(qū)模式要大一倍。為了不把存儲器設(shè)計得太大，對于寧靜模式，不再采用乒乓存儲器切換的結(jié)構(gòu)，而是在數(shù)據(jù)就緒時，利用光學儀器調(diào)整的1s時間，將積分就緒的圖像傳到DSP的工作區(qū)內(nèi)。
3 樣機研制和實驗結(jié)果
原理樣機的研制過程中，DSP器件是AD公司ADSP21060，開發(fā)平臺采用VisualDSP2.0。FPGA器件選用Xilinx公司100萬門的Virtex II系列器件，開發(fā)平臺采用ISE6.2。已完成的地面樣機達到了合同的要求。用(接上頁) DSP硬件仿真器對樣機作了軟硬件測試，首先對各接口進行了測試，在保證數(shù)據(jù)可以正確地接收和發(fā)送后，測試系統(tǒng)的功能。這些測試均在一個專門開發(fā)的地面支持系統(tǒng)測試平臺上進行。經(jīng)過單元測試，再與其它單元接在一起進行系統(tǒng)級的聯(lián)調(diào)和系統(tǒng)級測試。結(jié)果表明達到設(shè)計目標，可以按要求完成系統(tǒng)的各項功能。
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