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2017年第1期空间电子技术SPACEELECTRONICTECHNOLOGY星载图像处理设备在轨可重构设计①陈瑞,杨新权,孙文方,李永峰(中国空间技术研究院西安分院,西安710000)摘要:针对星载图像处理设备对在轨可重构技术的需求,从可重构图像处理平台的体系结构,基于硬件描述语言的实现和在轨可重构的可靠性设计等方面开展了研究并实现.
该设计已经成功应用于星载图像处理设备,提升了现有可重构设备的集成度和可靠性.
关键词:图像处理设备;可重构技术;可靠性中图分类号:V474文献标识码:A文章编号:16747135(2016)06006505DOI:10.
3969/j.
issn.
16747135.
2017.
01.
014DesignforOnorbitReconfigurableImageProcessingDevicesCHENRui,YANGXinquan,SUNWenfang,LIYongfeng(ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi'an),Xi'an710000,China)Abstract:Fortheonboardimageprocessingdevices,theonorbitreconfigurabletechnologyisimportant,Basedonthereconfigurablearchitectureofimageprocessingplatform,hardwarebaseddescriptionlanguageandonorbitreliabilitydesign,thispapercarryouttheresearchandimplementofreconfigurableimageprocessingdevices.
Theexperimentshowstheusingofthereconfigurabletechnologyintheimageprocessingdevicescanlifttheintegrationandreliabilityoftheimageprocessingdevices.
Keywords:Imageprocessingdevices;Reconfigurabletechnology;Reliability0引言目前的高分辨率遥感卫星的空间分辨率逐步提升,在能够更清晰地对地面目标进行观测的同时,带来数据量爆炸式的增长,这一问题的解决需要吸收人工智能和计算机视觉的成果,通过数据分类、检测、识别、筛选等星上处理技术,实现数据的选择性传输,达到提高系统快速响应能力,节省用户后续处理时间的目的.
这就需要星载图像处理适应不同图像处理算法并快速实现切换.
我国现有的星载图像处理设备,都是针对固定的处理模式,卫星发射后,其技术状态固定,在寿命期内不可改变,无法适应新技术的更新换代.
因此,为了适应新技术发展需求,改变星载图像处理设备的现状,需要开展星载图像处理设备在轨重构技术研究.
国外已有将可重构计算应用于航天器电子系统设计的实例,例如澳大利亚CRCSS的FedSat[1]、NASA的可重构星载电子平台SRC6E[2];德国斯图加特大学小卫星计划的第一颗微小卫星———FlyingLaptop也采用了基于FPGA的可重构技术设计星载计算机[3].
本文针对星载图像处理设备的技术现状,重点进行星载图像处理设备可重构的设计,给出具体的体系结构与软件实现方式,为了验证可重构星载图像处理设备的功能,构建测试平台进行相应实验.
1可重构图像处理平台体系结构为满足星载图像处理设备性能、功能及可靠性的要求,进行在轨可重构的设计,需要通过可靠的途径将配置数据从地面传输到星上,星载图像处理设16①收稿日期:20160216;修回日期:20160928.
作者简介:陈瑞(1987—),硕士/工程师,主要研究方向为星载图像处理技术.
备通过接受不同的配置数据来实现不同的图像处理算法,进而适应各种图像处理的需求.
1.
1FPGA重构方案上注数据经地面控制系统处理后,通过可靠的传输途径发送给在轨星务系统,星务系统根据约定标识识别为图像处理设备的上注数据后,将该数据传递给控制单元,控制单元对接收数据的有效性进行判断,如果有效,就进行处理,否则丢弃.
星载图像处理设备接收星务系统的上注数据后根据特定的格式将上注数据进行集中式的存储,完成存储后根据相应的指令,完成上注数据的配置,完成图像处理设备的在轨可重构.
因而,图像处理设备的可重构系统需要配置数据接收、重构控制器、配置存储器等组成,其结构如下图1所示.
图1可重构图像处理设备系统组成Fig.
1Compositionofreconfigurableimageprocessingdevices星载图像处理设备各功能单元的设计描述如下:(1)控制单元:该单元作为图像处理设备的核心控制部分,负责管理所有的图像处理单元.
其中控制处理器采用反熔丝结构的FPGA实现,主要完成对上注数据进行接收、解析并根据提取的帧类型、图像处理单元ID等标识信息将校验无误的配置数据帧进行集中式的存储,根据相应的配置指令完成将配置数据送往相应的图像处理单元进行配置加载并获取反馈的配置加载状态等信息,完成与星务系统的信息交互;接口部分采用LVDS接口接收注入配置数据与图像处理单元进行数据帧的传输.
(2)图像处理单元:该单元作为图像处理的核心工作部分,负责图像处理算法的实现.
其中配置控制器接收控制单元传输的配置数据,并进行校验,保证配置数据接收无误,经过配置指令确认后,按照一定的控制时序将控制单元传送的配置数据进行加载;分布式存储器采用MRAM芯片,完成系统默认配置数据的存储,实现在紧急情况下,图像处理单元功能的恢复;核心处理器采用Xilinx公司的FPGA实现,按照配置时序完成配置加载成功后,具备相应图像处理的能力.
1.
2FPGA配置模式选择在Xilinx系列FPGA中共有5种配置方式:边界扫描模式(JTAG)、主动串行配置(MasterSerial)、被动串行配置(SlaveSerial)、主动串行配置(MasterSelectMAP)、被动串行配置(SlaveSelectMAP),配置中用到的配置引脚如表1所示[4].
表1配置引脚定义Table1Defineofconfigurepins名称方向功能描述CCLK输入配置时钟PROGB输入配置逻辑的异步复位DONE输入/输出配置状态及启动控制M2M1M0输入配置模式选择D[15∶0]输入/输出配置数据输入,回读数据输出CS_B输入片选信号,使能SelectMAP接口INIT_B输入/输出延迟配置,配置错误报告BUSY输入SelectMAP状态信号RDWRB输入数据读写标记其中,Master模式和Slave模式配置的主要区别是FPGA的配置时钟是否由FPGA提供.
Master模式,FPGA的配置时钟由FPGA提供;Slave模式,FPGA的配置时钟由微控制器或者微处理器提供.
此外,Master模式只能使用XILINX公司专用的配置PROM,Slave模式可使用通用的并行PROM.
5种配置模式中,JTAG模式主要用在设计的调试阶段,PC机通过JTAG模式配置FPGA,方便设计的调试;MasterSerial,MasterSelectMAP不需要外接微控制器或者微处理,因此配置过程比较简单;SlaveSerial,SlaveSelectMAP需要外接微控制器或者微处理,因此配置过程相对复杂,但通过配置不同设计的配置数据流,可在同一FPGA中实现多种功能,因此这2种配置模式比较灵活.
通过对配置模式分析可知,从串(SlaveSerial)配置和从并(SlaveSelectMAP)配26空间电子技术2017年第1期置模式通过配置控制器读取配置存储器里的FPGA配置数据流来实现FPGA的配置.
从串(SlaveSerial)配置模式采用串行的配置方式,从并(SlaveSelectMAP)配置模式采用并行的配置方式,因此从并(SlaveParallel)配置模式的速度要远快于从串(SlaveSerial)配置模式的速度,为了有效缩短重构间隙采用从并(SlaveSelectMAP)配置模式.
使用SelectMAP模式也可配置多个FPGA芯片,并同时启动Startup过程使所有FPGA进人用户状态.
配置多个FPGA时,各个芯片的CCLK、数据线、WRITE和BUSY信号并行连接.
通过控制CS信号可将数据写入不同的芯片中.
2基于VHDL的可重配置软件实现2.
1配置数据帧格式星载图像处理设备在轨可重构过程需要上注配置数据,为完成上行注入过程,图像处理设备的控制单元在接收到地面应用系统提供的配置文件后,按一定的数据帧格式将配置数据传送给图像处理单元,期间需要标识相应的配置信息,保证配置数据的完整可靠.
针对软件可重构的图像处理设备结构而设计的上行配电控制FPGA软件需要将从综合处理单元发送的上注程序包存储于外挂的NANDFLASH中,上注程序包具体格式如表2所示.
表2说明:(1)帧标识:4Bytes,标明为图像处理设备的上注数据;(2)单板编号:1Byte,区分不同图像处理单板;(3)FPGA标识:1Byte,区分不同图像处理单元中FPGA;(4)帧计数:3Bytes,标识FPGA配置数据(或刷新数据)的分割包的包号;(5)类型标识:4bit,"0001"表示起始帧,"0010"表示中间帧,"0011"表示结束帧;(6)数据标识:4bit,区分上传的数据为上注配置数据类型;(7)数据区域:244Bytes,上注配置数据或刷新数据的存储区域;(8)校验和:2Bytes,用于对除帧标记外的整个数据区域进行校验.
在重构过程中,注入过程及重构过程中的各种状态信息,可作为工作状态信息的一部分通过图像处理单元的配置控制器传回给控制单元,以便于实时掌握整个配置过程.
配置状态反馈格式见表3.
表2上注数据帧格式Table2FramepatternofuploaddataByte帧标识单板编号FPGA标识帧计数类型标识数据标识数据区域备用区域校验和42312562442表3配置状态反馈格式Table3FeedbackpatternofconfigurestateByte帧标识数据长度数据校验和结束字节21211表3说明:(1)帧标识:2Bytes,表示图像处理设备的配置状态反馈;(2)数据长度:1Byte,表示后续数据长度;(3)数据:2Bytes,表示程序帧接收成功的状态标识;(4)校验和:1Byte,整个数据区域进行校验;(5)结束字节:1Byte,表示整个状态反馈的结束.
2.
2可重构程序设计图像处理设备上电后,接收到配置指令,控制单元则将配置数据从集中存储器中读出,按照上注数据帧格式进行组帧,并通过LVDS接口送给图像处理单元的配置控制器,配置控制器在接收到配置数据后,进行格式解析、帧校验等工作,在确认配置数据正确后,产生XILINX的配置逻辑,进入FPGA配置程序.
FPGA配置模块主状态机分为:空闲状态、PROG_B置低状态、等待INIT_B变高状态、读取MRAM状态、配置FPGA状态和配置FPGA完成状态6个状态[5].
FPGA配置模块状态机各状态转移362017年第1期陈瑞,等:星载图像处理设备在轨可重构设计如图2所示.
空闲状态:系统上电后,模块状态机进入空闲状态,在此状态等待FPGA配置启动信号start,当启动信号有效时,在状态机时钟的下一个时钟周期到来时,状态从空闲状态转移到PROG_B置低状态.
图2可重构软件状态转移图Fig.
2StatetransitiondiagramofreconfigurablesoftwarePROG_B置低状态:状态机在此状态,置模块输出端口FPGAPROG_B低电平,通过计数器,延时300ns.
等待INIT_B变高状态:状态机在此状态,等待来自FPGA的INITB引脚的高电平,当FPGA的PROG_B引脚的低电平持续时间大于0.
3μs时,FPGA开始清除其内部的配置存储器,当配置存储器清除完毕后,INIT_B引脚输出高电平信号.
读取MRAM状态:当INIT_B引脚输出高电平后,在状态机时钟下一个时钟周期到来时,状态机从等待INIT_B变高状态转移到读取MRAM状态,模块输出读取MRAM存储器的使能信号RD到MRAM读控制器模块.
状态机在此状态,等待来自MRAM读控制器模块的数据准备好信号DATA_READY.
配置FPGA状态:当来自MRAM读控制器模块的数据准备好信号DATA_READY有效时,在状态机时钟下一个时钟周期到来时,状态从读取MRAM状态转移到开始配置FPGA状态,在此状态,状态机把来自MRAM读控制器模块的数据信号缓存到内部寄存器里,置模块CS和RDWR_B为低电平,准备配置FPGA.
状态机同时输出读MRAM存储器的使能信号MRAM_RD,使MRAM读控制器模块读取下一个地址单元的MRAM存储器数据.
状态机在此状态,在时钟FPGA_CCLK的配合下,通过D0_D15配置FPGA,当来自FPGA的BUSY信号变成高电平时,状态机暂停FPGA的配置进程,直到BUSY信号变为低电平,继续FPGA的配置进程.
当FPGA配置完成后,FPGA_DONE引脚输出高电平信号.
配置FPGA完成状态:当FPGADONE引脚输出高电平信号后,在状态机时钟下一个时钟周期到来时,状态从配置FPGA状态转移到此状态,在此状态下,置模块FPGA配置数据输出端口D0D15为高阻态.
3可靠性设计在轨可重构技术能够实现星载图像处理设备的在轨升级与故障自主处理[6],但应看到,在轨重构操作的可靠性设计也是极为重要的,为了增强可重构星载图像处理设备的可靠性,需要从以下几个方面进行考虑.
(1)配置存储与控制单元实时监控设计平台设计中选用反熔丝的ACTELFPGA作为配置控制器负责图像处理设备的可重构控制,可以实现对设备实时重构过程的全部监控,并根据监控结果判断是否需要进行故障处理;程序存储模块采用MRAM具备单粒子翻转免疫的特性,有效提高了数据的可靠性.
(2)系统故障自主处理应急处理机制星载图像处理设备可根据配置控制器对FPGA的监测结果,下载相应的配置文件对FPGA进行重新配置,当图像处理设备的重构过程出现故障时,能够自主进行故障处理,进入安全模式配置FPGA,加载默认的配置数据.
4系统测试针对星载图像处理设备的可重构功能设置一下测试,选取遥感图像为测试用例,完成星载图像设备的可重构功能验证,测试步骤如下:(1)发送遥感图像测试用例,图像处理设备对遥感图像进行云检测处理,设备自带的功能是图像块级别的云检测功能,并将处理结果送入数据接收记录设备;(2)发送重构指令,实现图像处理设备的重构,实现云检测算法的升级,达到像素级处理的效果;(3)发送遥感图像测试用例,图像处理设备对46空间电子技术2017年第1期遥感图像进行像素级别的云检测处理,并将处理结果送入数据接收记录设备.
测试的相关结果如图3所示.
(a)原始图像(b)默认处理结果(c)重构后处理结果图3设备重构功能测试效果Fig.
3Testpatternofthedevicereconfigurablefunction由图3可看出,针对原始图像分别实现图像块级云检测和像素级云检测,通过图像处理设备的重构完成了相应的测试.
据此可实现图像处理设备在轨功能更新及升级,达到提升星载图像处理设备通用性,进而降低成本的目的.
5结论本文介绍了基于ACTELFPGA+MRAM架构的星载图像处理设备的在轨可重构技术,详细讲述了该技术实现的平台体系结构和基于VHDL的可重配置软件实现过程.
图像处理设备的在轨可重构技术以可实现地面控制系统对星上图像处理设备的在轨功能更新及切换,大幅提升了图像处理设备的通用性和可靠性.
未来在轨可重构技术的应用,可使星载图像处理设备的处理能力大大加强,通过软件功能重构,可适应不同处理算法的需求,进而适应图像处理业务变化、新技术应用及故障修复等需求,进一步扩展了遥感卫星应用的灵活性.
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