CN107967198A - 一种星上图像处理仿真评估装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星上图像处理仿真评估装置，包括定点DSP、浮点DSP、与定点DSP和浮点DSP相连的FPGA，FPGA，用于对星上图像在FPGA和星载ASIC上的处理进行仿真评估，当进行定浮点评估时，将星上图像的处理分为定点处理过程和浮点处理过程，定点处理过程在定点DSP上完成，浮点处理过程在浮点DSP上完成，FPGA用于定点处理过程与浮点处理过程之间的数据交互与同步，最终获得定浮点的运行性能。同时，两路FPGA与定点DSP和浮点DSP相连的处理结构，可以仿真星上图像处理系统的冗余设计。本发明具有对星上图像处理进行多维度评估的能力，具有评估范围大、覆盖面广的特点。

Description

一种星上图像处理仿真评估装置
技术领域
本发明属于星上图像处理与仿真评估领域，更具体地，涉及一种星上图像处理仿真评估装置。
背景技术
由于卫星获取的图像数据越来越多，传统星上图像传输到地面的模面临带宽瓶颈。图像的星上处理成为一个重要趋势。然而受制于卫星轨道环境的限制，常用的地面图像处理系统不能直接在星上应用。而当前适应星上恶劣环境的图像处理系统也面临代价高，无法适应多任务处理算法问题。所以，现有的星上图像处理方式与硬件平台无法适应未来多种星上处理任务。而新的处理方式与硬件平台的研发，需要与此相适应的仿真评估平台。
由此可见，现有技术存在无法面向星上多种图像处理任务进行多维度仿真评估的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种星上图像处理仿真评估装置，由此解决现有技术存在无法面向星上多种图像处理任务进行多维度仿真评估的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种星上图像处理仿真评估装置，包括定点DSP、浮点DSP、与定点DSP和浮点DSP相连的FPGA，
所述FPGA，用于对星上图像在FPGA和星载ASIC上的处理进行仿真评估，所述定点DSP，用于对图像处理在定点DSP上的运行性能进行定点评估时，对星上图像进行处理并获得定点运行性能；所述浮点DSP，用于对图像处理在浮点DSP上的运行性能进行浮点评估时，对星上图像进行处理并获得浮点的运行性能；
当对图像处理在星上图像处理仿真评估装置上进行定浮点运行性能评估时，将星上图像的处理分为定点处理过程和浮点处理过程，定点处理过程在定点DSP上完成，浮点处理过程在浮点DSP上完成，FPGA用于定点处理过程与浮点处理过程之间的数据交互与同步，最终获得定浮点的运行性能；
所述运行性能包括运行时间、精度、检测率和识别率。
进一步的，星上图像处理仿真评估装置还包括故障监测单元，所述故障监测单元包括依次连接的AD、MCU、报警电路和复位电路，
AD用于采集星上图像处理仿真评估装置的运行状态信息，MCU用于根据运行状态信息得到故障类型，报警电路用于根据故障类型发出故障报警信号，复位电路用于根据故障报警信号对星上图像处理仿真评估装置进行全局复位，模拟星上发生单粒子翻转故障的处理。
进一步的，星上图像处理仿真评估装置还包括故障模拟单元，所述故障模拟单元包括AD和MCU，AD用于采集星上图像处理仿真评估装置的运行状态信息，MCU用于根据运行状态信息得到故障类型并根据故障类型产生对应故障数据，并将运行状态信息和故障数据叠加后获得用于卫星状态监控的故障数据源。
进一步的，星上图像处理仿真评估装置用于对星上图像处理算法进行定点评估、浮点评估和定浮点评估，所述的星上图像处理算法包括星上图像压缩的LOCO-I算法、弱小目标检测的侧抑制算法和卫星图像增强算法。
进一步的，定点DSP包括A路定点DSP和B路定点DSP，浮点DSP包括A路浮点DSP和B路浮点DSP，FPGA包括A路FPGA和B路FPGA，所述A路FPGA与A路定点DSP和A路浮点DSP连接，所述B路FPGA与B路定点DSP和B路浮点DSP连接，A路定点DSP与A路浮点DSP之间通过McBSP接口传输数据，B路定点DSP与B路浮点DSP之间通过McBSP接口传输数据，A路FPGA和B路FPGA通过GTX高速接口和LVDS总线互联，进而实现星上图像处理冗余设计的仿真。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明包括定点DSP、浮点DSP、与定点DSP和浮点DSP相连的FPGA，用于对图像处理进行定点运行评估、浮点运行评估和定浮点运行评估。本发明可以对星上图像处理系统进行全方位仿真，对星上图像处理进行多维度评估的能力，具有评估范围大、覆盖面广、系统可重构的特点。
(2)本发明还具有故障监测单元，包括AD、MCU、报警电路和复位电路，根据AD采集星上图像处理仿真评估装置的运行状态信息，MCU根据运行状态信息进行故障的监控和自动处理，同时还包括故障模拟单元，将运行状态信息和根据输入故障类型产生的故障数据叠加得到模拟故障数据，为卫星状态监控的提供更多故障数据来源，对后续的卫星研究有重要意义。
(3)本发明的定点DSP包括A路定点DSP和B路定点DSP，浮点DSP包括A路浮点DSP和B路浮点DSP，FPGA包括A路FPGA和B路FPGA，此时本发明考虑到星上图像处理系统的冗余设计，故进行了类似的设计，从而使本发明对星上图像处理系统的仿真更全面。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种星上图像处理仿真评估装置的结构图；
图2是本发明实施例提供的单路图像处理计算架构框图；
图3是本发明实施例提供的图像处理计算架构框图；
图4是本发明实施例提供的冗余设计数据流转换示意图；
图5是本发明实施例提供的故障检测采样电路图；
图6是本发明实施例提供的平台故障监测点分布图；
图7是本发明实施例提供的故障监测、报警和自动处理示意图；
图8是本发明实施例提供的故障模拟单元结构图；
图9是本发明实施例提供的CAN总线与外设互联示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种星上图像处理仿真评估装置，包括包括定点DSP、浮点DSP、与定点DSP和浮点DSP相连的FPGA，
所述FPGA，用于对星上图像在FPGA和星载ASIC上的处理进行仿真评估，所述定点DSP，用于对图像处理在定点DSP上的运行性能进行定点评估时，对星上图像进行处理并获得定点运行性能；所述浮点DSP，用于对图像处理在浮点DSP上的运行性能进行浮点评估时，对星上图像进行处理并获得浮点的运行性能；
当对图像处理在星上图像处理仿真评估装置上进行定浮点运行性能评估时，将星上图像的处理分为定点处理过程和浮点处理过程，定点处理过程在定点DSP上完成，浮点处理过程在浮点DSP上完成，FPGA用于定点处理过程与浮点处理过程之间的数据交互与同步，最终获得定浮点的运行性能；
所述运行性能包括运行时间、精度、检测率和识别率。
本发明实施例优选的，星上图像处理仿真评估装置还包括故障监测单元，所述故障监测单元包括依次连接的AD、MCU、报警电路和复位电路，
AD用于采集星上图像处理仿真评估装置的运行状态信息，MCU用于根据运行状态信息得到故障类型，报警电路用于根据故障类型发出故障报警信号，复位电路用于根据故障报警信号对星上图像处理仿真评估装置进行全局复位，模拟星上发生单粒子翻转故障的处理。
本发明实施例优选的，所述星上图像处理仿真评估装置还包括故障模拟单元，所述故障模拟单元包括AD和MCU，AD用于采集星上图像处理仿真评估装置的运行状态信息，MCU用于根据运行状态信息得到故障类型并根据故障类型产生对应故障数据，并将运行状态信息和故障数据叠加后获得用于卫星状态监控的故障数据源。
本发明实施例优选的，星上图像处理仿真评估装置其评估范围具有通用性，可以对多种星上图像处理算法进行评估。所述的星上图像处理算法包括，星上图像压缩的LOCO-I算法，弱小目标检测的侧抑制算法和卫星图像增强算法。
如图2所示，FPGA选用Xilinx公司Kintex-7系列FPGA：XC7K325T。该芯片407600个CLB，4000KbDistributed RAM，16020Kb Block RAM，最大可用I/O引脚数为740个.DSP48Slices为840个。丰富的资源除了满足引脚和数据分发的逻辑设计外，还可以进行简单计算，本实例FPGA进行了图像的滤波去噪计算。浮点DSP选用TI公司的TMS320C6713，时钟频率可达300MHz，浮点计算能力可达2.4GFLOPS，片内内存容量256KB，高速通讯接口EMIF频率可达100MHz。定点DSP选用TI公司的TMS320C6455，时钟频率可达1.2GHz，定点计算能力可达9.6GMACS，片内内存容量2MB，高速通讯接口EMIF可达150MHz。本发明共选用2片Kintex-7FPGA，2片TMS320C6713 DSP，2片TMS320C6455 DSP。浮点计算能力可达4.8GFLOPS，定点计算能力可达19.2GMACS。完全满足算法分别进行的定点评估、浮点评估或定浮点同时评估的需求。器件之间数据传输带宽不低于100MB，为数据分发提供了高速数据通道。为了更好模拟星上环境，在板上控制器MCU方面，我们选用航天东方红公司专为卫星设计的微控制器LSMEU01，该模块已经在十几颗卫星上使用，集成有多路CAN控制器、AD和DA通道，完全满足本发明星上状态监测系统仿真与故障模拟单元的需求。相机数据或者PC机数据通过DS90CR285芯片转换为LVDS信号输入FPGA。XC7K325T FPGA接受外部LVDS信号，解析像素数据，经过滤波去噪预处理后，通过高速数据接口EMIF分发给浮点DSP TMS320C6713和定点DSP TMS320C6455。核心图像处理算法可以根据评估需要选择在定点DSP上进行定点评估，在浮点DSP上进行浮点评估还是同时在定点DSP和浮点DSP上进行定浮点评估。如果进行定点评估，则星上图像由FPGA分发给TMS320C6455。如果进行浮点评估，则星上图像由FPGA分发给TMS320C6713。如果进行定浮点评估，首先将星上图像处理算法分解为定点处理过程和浮点处理过程，然后定点处理过程在定点DSP上完成，浮点处理过程在浮点DSP上完成。定点处理过程与浮点处理过程之间所需的数据交互与同步，一方面由与两个DSP相连的FPGA作为中间传输通道进行控制，一方面由两个DSP之间的直接接口McBSP进行控制。处理结果由FPGA传输给DS90CR286转换为LVDS信号输出。为了满足图像处理数据存储以及器件自启动的需要，本发明对FPGA和DSP都外接了RAM和ROM。FPGA挂载2片DDR3 MT41K512M16作为扩展存储器，容量为1GB。FPGA的程序配置存储器选用PC28F00AP30TF，容量为128MB。TMS3206455DSP挂载1片DDR2 MT47H64M16作为扩展存储器，容量为128MB。TMS320C6455 DSP的程序配置存储器为S29GL512P，容量为32MB。TMS320C6713 DSP挂载1片SDRAM MT48LC4M16A2作为扩展存储器，容量为32MB。TMS320C6713 DSP的程序配置存储器为S29GL512P，容量为32MB。
如图3所示，两路处理结构以FPGA内部的GTX高速接口和LVDS总线互联。图像数据经DS90CR285转换后输入两个FPGA，这样两个FPGA都可以从本地获取图像数据，避免了一个FPGA向另一个FPGA分发数据的开销。两个FPGA将数据预处理后分发给4个DSP并行处理。当A、B两路DSP之间需要数据传输时，发送DSP先将数据通过EMIF发送给FPGA，FPGA再将数据通过GTX发送给另一路FPGA，最后FPGA通过EMIF发送给接收DSP。当单路两个DSP需要数据通信时，如果数据量较大，那么发送DSP先将数据通过EMIF总线发送给FPGA，再由FPGA发送给接收DSP，如果数据量小，那么两个DSP可以直接通过两个DSP之间的McBSP接口传输数据。图像处理结果由4个DSP发送给FPGA，正常情况下由A路FPGA将结果最终拼接处理后，经DS90CR286转换输出。考虑到冗余设计，本发明A、B两路FPGA均可以向DS90CR286输出数据。
本发明的冗余设计如图4所示。正常情况下信息处理流程如图4中正常工作(a)所示，系统2个FPGA和4个DSP并行完成处理。A、B两路除了上述并行处理功能外，也可以互为冗余，模拟星上图像处理系统冗余设计。本发明在FPGA内部都集成了数据流监测逻辑。正常情况下，在算法的运行过程中，FPGA会收到DSP的结果数据流，如果在一定时间内，一直没有收到DSP的处理数据，则发出超时信号，触发此DSP故障信号，假设为B路TMS320C6455 DSP故障。此时B路FPGA停止接收DS90CR285数据，停止向两个DSP分发数据，停止与A路FPGA交互数据，停止向DS90CR286发送结果数据。图像数据由DS90CR285转换后只经过A路FPGA和DSP处理，处理模式如图3的单路处理模式。两路FPGA之间也存在数据流监测模块，正常情况下，在算法的处理过程中，两个FPGA之间存在数据流交互，如果一个FPGA在一定时间内没有收到另一个FPGA数据流，则触发另一个FPGA故障信号，假设为A路FPGA故障。此时B路FPGA停止向A路FPGA发送数据。图像数据由DS90CR285转换后只经过B路FPGA和DSP处理，处理模式如图3的单路处理模式。
故障监测报警自动处理部分由AD采样电路、MCU和报警电路构成。AD采样电路如图5所示。对电压的采样则直接在采样点进行采样，对电流的采样，则通过电流流过采样电阻R，采集R两端的电压，通过差分电压运算放大器LM358将R两端电压差放大后输入LSMEU01的AD通道。在LSMEU01内部进行AD转换得到量化值。由于板上电压电流较多，本发明仅对重要电压电流，如电源芯片的电压输出、FPGA、DSP和MCU的工作电压电流等重要电压电流进行采样，采样点分布图如图6所示。通过对这些电压电流的采样，判断这些电压电流是否在正常状态。如果这些电压电流发生异常，则根据异常状况的组合，按照预定逻辑推断出故障类型，故障分析和故障推断逻辑表以及自动处理方案如表1所示。由表1可得，本发明预设了16种故障类型，每一种类型对应一种LED闪烁方式，和蜂鸣器报警音调。一旦MCU判断某一种故障的条件满足，则触发LED和蜂鸣器按照定义的此故障类型的报警方式报警。同时启动故障自动处理机制，如果故障排除则LED和蜂鸣器不再报警，否则会一直报警，整个工作流程如图7所示。
表1
模拟故障部分由AD和MCU完成。大部分情况下仿真平台处于正常工作状态，各采样点的电压电流都在正常值范围内。在需要进行故障模拟时，其工作流程如图8所示，用户选择模拟故障类型，比如K7_A内核电压升高0.2V，MCU检测到该故障类型输入后生成故障数据+0.2，同时将K7_A内核电压的AD采样值与+0.2相加，得到K7_A内核电压升高0.2V的模拟故障数据。因为CAN总线在卫星上的大量使用，本发明作为星上仿真评估平台，有时需要外接星上外设一起做评估。所以，本发明也集成了CAN总线，如图9所示。LSMEU01内部集成了CAN总线控制器，可以直接挂载CAN总线外设。便于系统的扩展与星上仿真平台和实际星上系统的相互验证。
本发明集成了DSP、FPGA和MCU，算法在ASIC上的运行情况可以用FPGA仿真，算法在星载CPU上的运行情况可以用MCU仿真。故本发明具有对星上图像处理系统进行全方位仿真，对星上图像处理算法进行多维度评估的能力，具有评估范围大、覆盖面广、系统可重构的特点。为了全面仿真星上环境，本发明同时集成了故障监测单元和故障模拟单元，对星上状态监测系统进行仿真，集成了模拟故障功能，为地面卫星监测站提供模拟故障数据。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种星上图像处理仿真评估装置，其特征在于，包括定点DSP、浮点DSP、与定点DSP和浮点DSP相连的FPGA，
所述FPGA，用于对星上图像在FPGA和星载ASIC上的处理进行仿真评估，所述定点DSP，用于对图像处理在定点DSP上的运行性能进行定点评估时，对星上图像进行处理并获得定点运行性能；所述浮点DSP，用于对图像处理在浮点DSP上的运行性能进行浮点评估时，对星上图像进行处理并获得浮点的运行性能；
当对图像处理在星上图像处理仿真评估装置上进行定浮点运行性能评估时，将星上图像的处理分为定点处理过程和浮点处理过程，定点处理过程在定点DSP上完成，浮点处理过程在浮点DSP上完成，FPGA用于定点处理过程与浮点处理过程之间的数据交互与同步，最终获得定浮点的运行性能；
所述运行性能包括运行时间、精度、检测率和识别率。
2.如权利要求1所述的一种星上图像处理仿真评估装置，其特征在于，所述星上图像处理仿真评估装置还包括故障监测单元，所述故障监测单元包括依次连接的AD、MCU、报警电路和复位电路，
AD用于采集星上图像处理仿真评估装置的运行状态信息，MCU用于根据运行状态信息得到故障类型，报警电路用于根据故障类型发出故障报警信号，复位电路用于根据故障报警信号对星上图像处理仿真评估装置进行全局复位，模拟星上发生单粒子翻转故障的处理。
3.如权利要求1所述的一种星上图像处理仿真评估装置，其特征在于，所述星上图像处理仿真评估装置还包括故障模拟单元，所述故障模拟单元包括AD和MCU，AD用于采集星上图像处理仿真评估装置的运行状态信息，MCU用于根据运行状态信息得到故障类型并根据故障类型产生对应故障数据，并将运行状态信息和故障数据叠加后获得用于卫星状态监控的故障数据源。
4.如权利要求1所述的一种星上图像处理仿真评估装置，其特征在于，所述星上图像处理仿真评估装置用于对星上图像处理算法进行定点评估、浮点评估和定浮点评估，所述的星上图像处理算法包括星上图像压缩的LOCO-I算法、弱小目标检测的侧抑制算法和卫星图像增强算法。
5.如权利要求1或4所述的一种星上图像处理仿真评估装置，其特征在于，所述定点DSP包括A路定点DSP和B路定点DSP，浮点DSP包括A路浮点DSP和B路浮点DSP，FPGA包括A路FPGA和B路FPGA，所述A路FPGA与A路定点DSP和A路浮点DSP连接，所述B路FPGA与B路定点DSP和B路浮点DSP连接，A路定点DSP与A路浮点DSP之间通过McBSP接口传输数据，B路定点DSP与B路浮点DSP之间通过McBSP接口传输数据，A路FPGA和B路FPGA通过GTX高速接口和LVDS总线互联，进而实现星上图像处理冗余设计的仿真。
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