多探測器數據控制思考范文

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《紅外與激光工程雜志》2016年第四期

摘要：

全譜段光譜成像儀集成可見多光譜、短波/中波紅外以及長波紅外三種探測器，覆蓋十多個譜段，具有目前國內同類遙感儀器最寬光譜信息，同時系統復雜且技術難度較大。為解決全譜段光譜成像儀多探測器同步控制、海量數據存儲與集成處理以及探測器在軌增益、級數、積分時間等其他參數調整問題，設計了一種多探測器數據控制與處理系統。該系統硬件以現場可編程門陣列(FPGA)為核心控制處理單元，采用光耦合差分器件與其它設備進行連接和傳輸；FPGA軟件采用模塊化設計思想，自頂向下用硬件描述語言(VHDL)進行設計；利用仿真工具、硬件模擬器進行驗證，結果證明了該設計的正確性和有效性。在實際工程應用中，該系統功能全面、接口靈活、可靠性高且易擴展。

關鍵詞：

數據處理；同步控制；多探測器；FPGA；全譜段光譜成像儀

隨著光譜成像技術和焦平面技術的發展，進一步推動光譜成像儀不僅向高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率方向發展，同時向著多波段、寬光譜覆蓋及小型化方向發展[1]。將多種探測器集成應用于同一臺成像儀，可獲得更多波段、更寬光譜的光譜信息，實現快速、連續、全天候、多方位的觀測，從而得到更加精確和實時的目標信息[1-2]。例如美國陸地衛星Landsat系列載荷業務陸地成像儀(OLI)，采用推掃方式成像、探測器陣列，光譜范圍從可見光到紅外光區，能以足夠的空間、光譜、時間分辨率探測到可能發生的變化、季度性的實現地球陸地表面的全球覆蓋；歐洲全球環境與安全監測(GMES)計劃哨兵(Sentinel)-2衛星，采用推掃方式成像、多波段寬幅集成探測器，光譜范圍可覆蓋從可見光到長波紅外或短波紅外的十多個譜段，用于森林覆蓋和陸地監測；此外美國能源部的多光譜熱成像儀(MTI)衛星，具有15個成像通道，光譜范圍從0.45～10.7μm,其目的用于探測和辨別大規模殺傷性武器設施等[3-6]。這些衛星均具有全譜段光譜成像能力。為實現大范圍、全天候的動態環境監測，我國研制了獨立載荷全譜段光譜成像儀，它采用國際上先進的光學系統設計方案，推掃方式成像，集成可見多光譜、短/中波紅外、長波紅外三種類型探測器，光譜范圍可覆蓋十多個譜段，是目前國內載荷光譜范圍最寬的成像儀之一，其研制關鍵除涉及前端復雜光學系統設計、探測器拼接技術外，還涉及到多探測器控制與數據處理技術、后端大規模讀出電路技術等多項關鍵技術，文中針對多探測器控制與數據處理技術，設計了多探測器數據控制與處理系統(MDCPS)，以解決多探測器同步工作控制、海量數據存儲、多源數據集成處理和在軌參數調整等問題。文中首先簡要介紹了該系統應用背景及主要功能，重點描述了系統各硬件設計和軟件模塊詳細設計思路和方法，通過仿真軟件和硬件模擬器對該設計進行了驗證與測試，最后給出驗證及測試結果。

1系統概述

1.1應用背景MDCPS應用于全譜段光譜成像儀，其所在位置如圖1所示。此成像儀由光機分系統和電子學分系統兩大部分組成，前者包括主光學系統、分光系統、探測器焦面組件；后者包括三個視頻電路系統、數據控制與處理系統(MDCPS)、管理控制系統。成像過程為：入射光束經主光學系統后經分光系統分為可見多光譜、短/中波紅外、長波紅外三個通道，分別會聚到多光譜CCD、短/中波和長波紅外焦面組件探測器實現各譜段成像，后經過各自視頻處理系統完成模擬信號合成、采樣保持、信號放大、A/D轉換及數據處理后發送至MDCPS，經過數據集成處理編排后發送給數據傳輸系統，其中管理控制系統接收衛星遙控指令并轉發MDCPS,由MDCPS完成焦成像參數在軌調整。

1.2系統功能MDCPS功能有：(1)發送時鐘、行同步信號給三個視頻處理系統以同步控制各自探測器工作；(2)接收三個視頻處理系統輸出的圖像數據，數據集成處理后按照衛星數據要求進行格式編排，分包輸出給數據傳輸處理系統；(3)接收管理控制系統發來的遙控指令包括焦面成像參數和其他開關指令等，轉發至三個視頻處理系統，以完成相應探測器級數、增益、積分時間調整,算法校正等；(4)接收管理控制系統發來衛星參數(姿態、時間碼等)，并打入輔助數據中相應位置。

2系統設計實現

2.1硬件設計MDCPS硬件結構包括FPGA、PROM配置芯片、時鐘管理電路、電源電路、視頻處理系統接口電路(包括可見光、短/中波紅外、長波紅外視頻接口電路)、數據傳輸系統接口電路及管理控制系統接口電路。其示意圖如圖2所示。(1)可編程邏輯器件FPGAFPGA為整個系統的核心器件，具有編程靈活、集成度高、適用范圍寬等特點。它提供了最高的邏輯密度和高性能I/O，以及嵌入式塊RAM、數字時鐘管理模塊和DSP算術功能[7-9]，如采用90nm工藝技術FPGA器件，其芯片密度高達20萬邏輯單元，從邏輯結構到內建模塊均能運行于高達500MHz時鐘頻率，加法器、計數器和存儲器(RAM/ROM)等，可利用LUT(查找表)實現的邏輯結構以及內建的存儲器和DSP等模塊都可以運行在此時鐘速率下。因此，FPGA在數據吞吐量、集成度以及整體功耗方面具有優越性，且有豐富的IP資源，從而可滿足海量數據存儲并準確快速處理[10]。(2)可靠性設計MDCPS是與多臺設備相連，其可靠性關系到多路數據傳輸的準確與穩定，文中采取的措施有：系統核心部分的電源、地與輸入、輸出信號完全隔離，這樣受到外界的干擾比較小，處理數據就相對準確；電源采用隔離電源模塊與外部分開；與管理控制系統傳輸的遙控信號通過光電耦合器件隔離；與視頻處理系統、數據傳輸系統的同步、數據等信號采用差分器件LVDS來傳輸以增強信號傳輸中抗干擾能力；采用專用時鐘管理芯片來產生FPGA工作時鐘，電路包括時鐘同步器、VXCO(壓控晶振)、低通濾波器。時鐘同步器具有高性能、低相位噪聲與低時鐘歪斜特性，可為FPGA提供穩定的工作時鐘。

2.2軟件設計FPGA軟件是整個系統的中心樞紐，按照系統功能劃分為四個模塊：同步控制模塊、圖像數據處理模塊、遙控遙測模塊、輔助數據處理模塊。其工作原理如圖3所示。由同步控制模塊產生信號2(時鐘、行同步)發送給視頻處理系統后，接收三臺視頻處理系統圖像數據信號3(數據、門控、時鐘)，由圖像數據處理模塊接收(進行串并轉換)、存儲集成處理后發送(進行并串轉換)給數傳系統信號5(數據、門控、時鐘)，遙控遙測模塊接收管理控制系統遙控指令信號4(串行數據、使能、時鐘)并轉發給三個視頻處理系統信號1(串行數據、使能、時鐘)，同時發送給輔助數據處理模塊，信號6為時鐘管理芯片驅動信號。各模塊設計實現如下。(1)同步控制模塊該模塊首先產生驅動時鐘管理芯片工作時序，從而獲得穩定FPGA工作時鐘CLKFPGA12；其次產生時鐘CLKFPGA6、行同步LSYN給三臺視頻處理系統以保證三個探測器同時工作。模塊中設計了ROM和計數器，ROM讀出時鐘和計數器時鐘為晶振時鐘CLK6，CLK6由CLK12分頻產生；ROM用于存儲時鐘管理芯片正常工作的配置碼字，上電復位完成后，通過計數器控制在固定時間段讀出相應碼字給時鐘管理芯片，待芯片配置完成后，輸出穩定的工作時鐘CLKFPGA12給FPGA。由CLKFPGA12通過BUFG后進行二分頻，產生CLKFPGA6，LSYN由計數器來產生，計數器時鐘為CLKFPGA6通過BUFG進入全局時鐘網絡。(2)圖像數據處理模塊該模塊用于接收三個視頻處理系統輸出的N位串行數據并轉換成并行數據后進行存儲并處理，同時接收輔助數據處理模塊輸出的參數數據，按照衛星數據格式要求進行編排，最后輔助數據按照M位、圖像數據按照N-1位串行數據發后送給數據輸系統。

模塊的接收設計：外部輸入該模塊信號有三組，來自三個視頻處理系統，每組有串行數據、門控、時鐘CLK3。模塊中設計了移位寄存器、鎖存器、分頻器。分頻器在門控信號下降沿復位并進行N分頻產生各自鎖存器時鐘CLK3N。串行數據進入移位寄存器，移位時鐘為CLK3，每Nbit數據存入鎖存器。CLK3N、CLK3均通過內部BUFG進入全局時鐘網絡。模塊的存儲設計：設計RAM控制子模塊和兩組RAM來存儲三個探測器圖像數據，RAM控制子模塊中有四個計數器，其中三個計數器時鐘為各組CLK3N時鐘，分別控制三個探測器RAM寫地址、寫使能，另外一個計數器時鐘為讀RAM時鐘CLKoutN-1,由數據傳輸時鐘CLKout進行N-1分頻后得到,控制RAM讀地址、讀使能；RAM讀寫采用乒乓操作模式。

模塊的發送設計：模塊把高N-1位并行圖像數據和M位并行輔助數據轉換成串行數據，在每行固定位置輸出輔助數據和圖像數據給數據傳輸系統。設計了移位寄存器、2個鎖存器、選擇器和計數器。移位寄存器、計數器的時鐘為CLKout，鎖存器時鐘分別為CLKoutN-1和CLKoutM，CLKoutM由CLKout進行M分頻后得到，并通過內部BUFG進入全局時鐘網絡。數據由選擇器在固定時刻來選擇輸出輔助數據或圖像數據。(3)遙控遙測模塊該模塊接收管理控制系統發來的焦面成像參數(增益、積分時間和級數等)和控制指令(算法開關、測試模式開關等)，并轉發給視頻處理系統，同時將焦面成像參數發送給輔助數據處理模塊；該模塊還接收衛星參數(姿態、時間碼等)及工程遙測參數給輔助數據處理模塊。模塊中設計了移位寄存器、鎖存器、選擇器、FIFO、計數器、RAM以及狀態機，其所用時鐘均為CLKFPGA6，同時以管理系統發來的串行時鐘CLKyk、串行使能ENyk為控制信號。對于管理控制系統發來的串行指令首先經過移位寄存器、鎖存器，按照指令碼字，由選擇器分類，若為衛星參數(姿態、時間碼等)及工程遙測參數存入RAM；若為焦面成像參數和控制指令則存入各自FIFO，由狀態機轉移輸出，有限狀態機如圖4所示。以可見光探測器視頻處理系統為例，發送狀態分為空閑狀態、增益狀態、級數狀態、校正開關狀態、測試模式狀態五個基本狀態。系統上電后首先進入空閑狀態，接收到發送標志信號SendLoadFlag后，首先判斷增益FIFO是否為空,若不為空且允許讀出增益指令,那么讀出并發送增益,若FIFO為空或不允許讀出增益指令,那么進入級數狀態,同樣判斷級數FIFO是否為空,若不為空且允許讀出級數指令,那么讀出并發送級數,否則跳轉下一狀態,以此類推,直到一個循環結束再次進入空閑狀態，其中各FIFO讀信號和SendLoadFlag在一個行周期的固定時刻輸出。(4)輔助數據處理模塊該模塊處理遙控遙測模塊發來的焦面成像參數、控制指令及衛星參數，按格式要求進行編排。模塊中設計計數器、寄存器和選擇器，所用時鐘均為CLKoutM；寄存器存儲當前焦面成像參數和控制指令，遙控遙測模塊中的RAM存儲衛星參數，計數器用于產生RAM讀地址和讀使能，以行周期為基準控制選擇器輸出時間，即在行周期特定時刻按衛星要求格式順序讀出焦面成像參數、控制指令和衛星參數。

3仿真驗證與測試

MDCPS設計采用VHDL硬件描述語言對FPGA內部模塊進行描述，采用自頂向下的方法完成，在仿真平臺下進行仿真，通過與硬件模擬器聯試對系統進行了驗證。以下說明各模塊驗證結果。同步控制模塊的驗證：從內部ROM中讀出的配置碼字發送給時鐘管理芯片，如圖5中的1所示，包括配置時鐘、使能、碼字，3為放大后的配置碼字時序關系；由主時鐘生成三個視頻處理系統的同步和時鐘如圖5中的2所示，4為放大后的同步和時鐘的時序關系。圖像數據處理模塊驗證：采用硬件模擬器模擬三個視頻處理系統的數據發送給MDCPS，經過處理后按照衛星數據格式要求進行編排，輸出數據由采集卡采集顯示結果如圖6所示，第1～4包為可見光奇行數據、第7～10包為可見光偶行數據，第5、6包為短波奇行數據，第11、12包為短波偶行數據，第13包為中波數據，第14、15包為長波數據；圖中A所指數據為第1～4包固定數值HexCCC，B所指數據為第5、6包固定數值Hex3333，C所指數據為第7～15包漸變數據Hex30～C00。遙控遙測模塊的驗證：管理控制系統發送來遙控遙測信號和三個視頻處理系統接收遙控遙測信號時序關系相同如圖7所示，包括時鐘、數據、門控三個信號，其中t1≥1/4(t3+t4)，t2≥1/4(t3+t4)，t3=t4，二者時鐘頻率不同，前者時鐘頻率為1kHz，后者為15MHz。通過測試用例輸入遙控遙測模塊指令碼a：2200BADC(增益)、b：33000336(級數)、c：2800042C(增益)、d：46000C52(積分時間)、e：2C000430(增益)、f：4C000854(積分時間)，經過處理后分別轉發給三個視頻處理系統，圖8為遙控遙測模塊時序仿真圖。可以看出：1所標記為模擬管理控制系統發來的6條指令碼a、b、c、d、e、f；3為放大后的碼字時序關系圖；a、b發送給可見光視頻處理系統，c、d發送給短/中波紅外視頻處理系統，e、f發送給長波紅外視頻處理系統；5為放大后的時鐘測量圖，測量值為999.6ns，近似頻率1kHz；2所標記為輸出給三個視頻處理系統的指令碼，4為放大后的細節時序關系圖，經過各自狀態機，先輸出增益碼字，再輸出其他如級數或積分時間碼字等；6為放大后的時鐘測量圖，測量值為66.64ns，近似頻率15MHz。

4結束語

MDCPS以全譜段光譜成像儀研制為依托，解決了多探測器控制與數據處理問題，該系統硬件設計以FPGA為核心控制處理單元，采用光耦合差分器件進行隔離和傳輸，軟件設計采用模塊化思想，按照系統功能設計了同步控制模塊、圖像數據處理模塊、遙控遙測模塊和輔助數據處理模塊，通過仿真工具進行驗證，并與硬件模擬器連接進行測試，目前已完成與其他系統的聯試，且通過了力學試驗、熱循環試驗等各種環境試驗驗證，結果表明該系統已具有完備的功能和良好的性能，易于擴展，它解決了多時鐘域、多數據格式的數據控制與集成處理等問題，為研制多類型探測器集成的成像儀提供了有力的技術支持。

作者：成桂梅 劉濤 榮鵬 程甘霖 段京 單位：北京空間機電研究所