基于DSP技术和FPGA器件构造空间太阳望远镜星载图像处理系统

图像处理系统多采用DSP阵列、DSP加FPGA/CPLD或单由FPGA/CPLD器件等方式构成。采用DSP阵列构成的图像处理系统，其优点是处理功能可以通过软件灵活修改，其缺点主要有功耗大、体积大、成本高;采用单由FPGA/CPLD等可编程器件构成的系统，可以避免DSP阵列系统功耗大、体积大的缺点，并可以根据系统要求，在硬件构造上作灵活的配置，但对于复杂的算法，其设计复杂度急剧上升。正因为如此，当前很多设计选择DSP加FPGA/CPLD的结构来构造图像处理系统。本空间太阳望远镜星载图像处理系统，正是一种基于DSP和FPGA构造的图像处理系统。本文讨论了系统的功能任务、系统结构、FPGA设计的逻辑模块、DSP的软件结构和原理样机的实验结果。

1 图像处理系统的功能和任务

1.1 系统的外围接口

系统的外围接口如图1。处理系统接收来自CCD单元的图像数据和同步信号，同时向CCD单元提供复位、曝光开始、数据读出等控制信号;CEU是一个管理机，管理和控制CCD单元、图像处理单元和压缩单元，CEU单元向图像处理系统发送各种命令，如CCD标定、正常的观测测试及观测数据处理所需要的数据，如观测模式、时间等;系统将处理完成的数据送到压缩单元进一步压缩。

图1 处理系统的外围接口

1.2 系统的图像处理任务

图像处理系统的任务是接收CCD传来的图像和同步信号，进行图像积分、辐射校正、几何校正、磁图偏阵计算和图像格式化，然后把数据送到压缩单元进行压缩。

（1）图像积分：也就是图像的多帧叠加，其目的是提高信噪比和消除图像的时间相关性以压缩数据量。空间太阳望远镜有三个观测模式，分别是爆发模式、活动区模式和宁静态模式。经计算，三种观测模式下图像积分的帧数分别是：4帧、24帧、240帧;每个模式又顺次观测六个分量，六个分量分别是：SV1、SV2、SQ1、SQ2、SU1、SU2。爆发模式的观测时间是30s。30s的时间是这样安排的：每个分量连续采集4帧，每秒一帧，然后1s进行偏振光学元件的切换，如此直到六个分量观测完毕。活动区模式由6个连续的爆发周期构成，观测时间是3min;而宁静态模式又是10次活动区模式周期构成，观测周期是30min。

（2）图像的辐射校正：图像由于受到大气扰动、传感器自身特性、宇宙射线等辐射的影响，图像的质量会产生退化，必须进行辐射校正。主要考虑CCD的校正（暗流、偏置、平场）和条纹斑点的消除两个方面。

（3）图像的几何校正：图像的几何校正，成像过程中引起的几何畸变的校正;由于系统或随机因素造成图像产生几何畸变，必须进行校正。考虑图像漂移的校正，采用相关技术，求出活动图像相对于参考图像的的漂移量，再采用线性内插累加的方式，实现漂移前后图像的积分问题。根据太阳米粒的存活寿命，几何校正只对宁静模式观测进行，并且是以3min作为校正时间间隔。

（4）图像的偏振计算：空间太阳望远镜主要进行太阳磁场测量，磁图的偏振归算也是重要任务之一。磁场图像的归算还可以是数据量压缩1.5倍。

（5）图像格式化：给图像加上图像头，应包括：仪器号、时间、观测模式、观测分量等。

2 图像处理系统设计

2.1 系统结构

系统的硬件结构框图如图2。FPGA中的硬件模块，包括积分单元、多路开关单元、两个SDRAM控制器和串口控制器。DSP的所有总线都伸入到FPGA内部。存储器由两个SDRAM单元和一个SRAM单元构成，SRAM只供DSP使用。系统接收CCD传来的图像，在积分单元进行图像积分，积分就绪的图像再由DSP进行辐射校正、几何校正、偏振计算和图像格式化等操作，最后通过DSP的片上串口将图像送到压缩单元。通过串口单元系统与管理机单元通信，接受管理和控制。由于图像积分与DSP的数据处理、数据传送是同时并行进行的，因此积分器和DSP必须采用相互独立的存储区。为了避免图像在积分器和DSP的存储区之间来回进行图像传送，在设计中采用多路开关进行存储区乒乓方式切换。

2.2 FPGA逻辑模块

FPGA内部设计的逻辑模块主要包括图像积分单元、通路选择单元、异步通用串口（UART）单元、两个SDRAM控制和其它附加逻辑。下面分别介绍各块的结构，由于SDRAM控制器和串口单元（UART）均采用IP核实现，这里不作详细介绍。

2.2.1 积分单元

积分单元主要完成如下功能：（1）按给定的时序接收CCD的图像，并保存在寄存器中;（2）积分地址产生;（3）存储器控制;（4）积分操作;（5）积分扩展位清零，当每个分量的第一帧图像接收时，无须积分，但必须把存储器的高位（积分扩展位）清零，其它情况不必清零;（6）每帧图像积分结束，产生Irq信号中断DSP，以便由DSP进行工作安排。

积分单元的逻辑框图如图3，其输入输出如下：（1）CCD输入数据（CCD data），同步信号——点同步（ps）、行同步（ls）、帧同步（fs）;（2）DSP数据、地址和控制总线，irq是积分单元发给DSP的中断信号;（3）与存储器连接的数据、地址和存储器控制总线——data， mctrl， addr;（4）控制CCD的信号线——reset、start、read。

图3充色的方框是DSP存储器地址映射的寄存器，用于对积分单元进行控制和对DSP数据处理状态进行标识;无充色的方框则是积分单元的硬件结构，从CCD送来的数据通过数据寄存器（OP1），作为寄分的第一个操作数，从存储器送来的数据通过数据寄存器（OP2）作为积分的第二个操作数;从CCD送来的同步信号，送到帧内地址发生器，作为地址产生信号，并生成存储器需要的控制信号;CCD送来的OP1被寄存，同时产生地址从内存中取出要进行积分的操作数OP2，然后在点同步信号的下降沿，进行积分运算并存回存储器。

2.2.2 多路开关单元

多路开关单元如图4所示。本单元的功能是完成积分总线INT bus和DSP bus与SDRAM1和SDRAM2乒乓连接结构的切换。切换包括三大总线：数据、地址和控制总线。切换通过一位切换控制信号实现，控制信号是DSP地址映射的一个一位寄存器，由DSP控制乒乓切换。

2.3 DSP软件结构

软件部分包括系统软件框架和各处理软件模块、中断服务程序等;程序的流程和数据处理控制，都依赖于由DSP地址映射的寄存器的状态。

2.3.1 DSP在FPGA中的存储器映像寄存器及其作用

这一组寄存器都是在FPGA中实现的。作业（指令）采用16位寄存器，由于DSP地址空间较大，为了方便编程，寄存器不采用拼位的方法。系统的工作 受CEU的控制。CEU发送过来的指令格式如图5（a），其中DT表示CEU传来的数据类型，00表示数据、01表示观测指令、10表示CCD标定、11表示自测。接收时，若是命令则直接写到JOB或放入命令队列;若是数据，根据类型存放到相应的位置。Parameters是各种工作状态参数，如待机/自测要求的参数、测试的要求（内容、测试选择）、响应信息要求、观测模式和次数、CCD标定要求的参数、标定的内容等，以便于DSP查看。

如图5（b），当CEU送来命令DT=01时，即为观测命令。观测作业的格式如：00表示无作业待机、01表示观测指令、10表示CCD标定、JT=11表示自测;mode是当前观测模式标志，001表示爆发模式、010表示活动区模式、100表示宁静模式;Observ_Num是连续观测同一种模式的次数标志。

（1）作业类型寄存器（JOB）：标识系统工作内容（作业类型），如CCD标定、观测、自测试等;（2）模式寄存器（MODE）：标识观测的模式，爆发模式、活动区模式、宁静模式;（3）观测次数寄存器（OBSN）：用于保存一次作业的观测次数;（4）宁静态的观测次数寄存器（RESTN）：只用于宁静模式的观测，当为宁静态模式时，用它来标志3min观测的次数;（5）帧计数器（FRMN）：用于计数爆发模式、活动区模式及宁静模式下的前24帧图像，以便用于高位清零信号生成和地址高位生成;（6）SW电路控制寄存器（SWCTRL）：控制多路开关的切换;（7）reset寄存器（FRST）：用于DSP控制FPGA中INT单元的时序逻辑复位，每次观测结束，必须复位一次;（8）清零标识寄存器（ZERO）：由DSP根据FRMN的值修改它，以实现高位的清零任务;（9）分量寄存器（COMPO）：由DSP根据FRMN的值修改它，以实现高位地址的形成;（10）作业结束寄存器（END）：当一个作业结束时，用次寄存器进行标志，以便将程序的PC跳到作业检查入口;（11）数据状态寄存器（DAST）：DSP存储区数据状态标识：没有数据、爆发模式的待处理数据、活动区模式的待处理数据、宁静模式的待处理数据、宁静模式处理好数据及待送出数据等。DSP根据数据状态和观测模式，可以进行相应的处理;（12）相关数据状态（CORR）：标识相关运算用的数据的状态。

2.3.2 DSP的存储器空间分配

DSP的SYSCON寄存器的15～12位（MSIZE），可以设置以MS0～MS3作为片选信号时，每个分组的空间大小。其公式为：MSIZE=log2（块大小）-13;取每个块的大小为16MB，因此MSIZE=1011。

·片内空间：0000，0000H～0007，FFFFH;

·MS0——数据空间：0040，0000H～13F，FFFFH;数据是倒序放置的，最后一个单元放第一个数据;其中：

SQa:40，0000～5F，FFFF　 　SQb:60，0000～7F，FFFF

SUa:80，0000～9F，FFFF　 　SUb:a0，0000～bF，FFFF

SVa:c0，0000～dF，FFFF　 　SVb:e0，0000～fF，FFFF

Rest2m:100，0000～11F，FFFF　 　unused:120，0000～13F，FFFF

·MS1——SRAM空间：140，0000H～23F，FFFFH;

·MS2——CCD参数：240，0000H～33F，FFFFH;放置暗流、偏置和平场图像3帧2048×1024图像;

·MS3——未使用：340，0000H～43F，FFFFH;

·未分组空间：4040，0000～FFFF，FFFF所有存储器映射的寄存器。

2.3.3 DSP的软件结构

DSP的主程序框架如图6。系统初始化后，进行作业查询，根据查询结果，进行相应的处理任务（CCD标定、自测试、观测）。图6中仅以观测作业为例进行说明。进入观测后，首先由DSP对积分单元作相应的设置，设置完成后，积分器开始单独地积分工作;DSP接着查询本次观测是否结束，若结束回到作业查询，否则判断存储器中数据的 状态，根据数据状态，进行相应的处理;处理就绪的数据根据FLAG0的标志，可以向压缩单元传送数据。三种模式下的图像处理程序流图如图7，图7中ccdst（ ）是图像辐射标定子程序，format（）是格式化子程序，内插运算采用线性内插方法，相关运算采用FFT和逆FFT方法。

除了主程序和数据处理程序外，DSP还有一个重要的中断子服务，就是积分单元每帧图像积分完毕的中断服务程序，其流程框图如图8。它根据积分的图像帧数和观测模式，判断观测是否结束，根据不同的情况设置积分器中相应的寄存器，这些寄存器控制着积分器的工作行为和DSP的数据处理方法。图8中参考图像和活动图像的获取是在采集到的2048×1024图像的中心，获取256×256的子块，也就是说，相关运算是在两帧256×256的图像之间进行的;对于图像传送操作，考虑到宁静模式的数据处理，要求的存储器比爆发和活动区模式要大一倍。为了不把存储器设计得太大，对于宁静模式，不再采用乒乓存储器切换的结构，而是在数据就绪时，利用光学仪器调整的1s时间，将积分就绪的图像传到DSP的工作区内。

3 样机研制和实验结果

原理样机的研制过程中，DSP器件是AD公司ADSP21060，开发平台采用VisualDSP2.0。FPGA器件选用Xilinx公司100万门的Virtex II系列器件，开发平台采用ISE6.2。已完成的地面样机达到了合同的要求。用（接上页） DSP硬件仿真器对样机作了软硬件测试，首先对各接口进行了测试，在保证数据可以正确地接收和发送后，测试系统的功能。这些测试均在一个专门开发的地面支持系统测试平台上进行。经过单元测试，再与其它单元接在一起进行系统级的联调和系统级测试。结果表明达到设计目标，可以按要求完成系统的各项功能。