CN113436055A - 一种小型化星上高速图像存储处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及星上信息处理技术领域，具体涉及一种小型化星上高速图像存储处理系统。包括主控模块、处理模块、电源及存储模块；所述主控模块包括FPGA及与所述FPGA相连的用于数据交换的接口单元、用于外部数据缓存的DDR内存芯片、用于将所述电源及存储模块提供的二次电源变换分配给主控模块中各组件的主控电源变换电路。本发明完成星上高分相机数据的接收、存储、在轨处理、视频压缩等功能，实现星上载荷多种模式数据的传输处理，整机重量仅1.1kg，是传统设备的1/10左右，且完整实现载荷数据的在轨存储、压缩、处理等所有功能，有效地提高了载荷数据在轨处理能力，实现载荷数据快速应用。
Description
技术领域
本发明涉及星上信息处理技术领域，具体涉及一种小型化星上高速图像存储处理系统。
背景技术
今年来，卫星遥感数据开始大量应用于地面导航、农业生产、搜救侦察等越来越多的领域，卫星遥感数据在生产生活中的作用越来越大。随着遥感技术、雷达技术的发展，星上载荷数据的种类和数据量日益增大。尽管星上数传技术和存储技术在不断进步，但仍赶不上由于卫星有效载荷性能提升带来的原始数据量的增长速度。同时，卫星载荷数据实时应用需求越来越强，在现有卫星数据存储和数据下传体系的制约下，由地面基站进行图像解读与目标辨识时，用户不能直接从卫星获得感兴趣的业务数据，难以满足重大事件侦查、监测等应用的时效性需求。
由以上叙述可以看出，采用了传统的星上遥感成像、存储、数传下传、地面处理，转发用户的方式，即不能满足用户长时间卫星成像的需求，亦不能满足用户快速使用卫星数据的需求。
因此，为解决现有技术存在的技术问题，本发明公开了一种小型化星上高速图像存储处理系统。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种小型化星上高速图像存储处理系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种小型化星上高速图像存储处理系统，包括：
主控模块，用于接口管理、总线管理、系统工作模式的设置、数据管理；
处理模块，用于接收所述主控模块转发的载荷数据，按照系统工作模式完成图像预处理、图像压缩、视频压缩、目标识别，并将处理后的数据返回所述主控模块；
电源及存储模块，用于对内为所述主控模块、处理模块提供二次电源，对外为相机提供二次电源；也用于数据存储；
所述主控模块包括FPGA及与所述FPGA相连的用于数据交换的接口单元、用于外部数据缓存的DDR内存芯片、用于将所述电源及存储模块提供的二次电源变换分配给主控模块中各组件的主控电源变换电路。
进一步，所述主控模块还包括看门狗、时钟电路、SPI FLASH。
进一步，所述系统工作模式包括实时处理下传模式、实时处理记录模式、原始数据存储模式、离线处理模式、回放处理下传模式、存储回放模式、软件上注模式。
进一步，所述FPGA内置控制软核、SATA2.0控制器、PCIe控制器、DDR控制器。
进一步，所述接口单元包括相机数据接口电路、数传接口电路、CAN总线接口电路、测控串口、上注串口。
进一步，所述CAN总线接口电路包括总线驱动器、总线控制器、总线电平转换芯片。
进一步，所述处理模块包括TX2模块、处理模块电源控制电路、网口。
进一步，所述电源及存储模块包括电源变换子模块、SSD储存子模块。
进一步，所述电源变换子模块包括熔断器保护电路、浪涌抑制电路、滤波器、DC/DC电源、配电控制电路。
进一步，所述SSD储存子模块包括若干块m-SATA固态硬盘。
本发明所达到的有益效果为：
本发明采用FPGA+SSD+GPU架构的低成本、小型化方案，FPGA完成整个数据流的控制，SSD实现高密度、小型化大容量数据存储、GPU实现视频压缩、图像处理等功能。本发明完成星上高分相机数据的接收、存储、在轨处理、视频压缩等功能，实现星上载荷多种模式数据的传输处理，整机重量仅1.1kg，是传统设备的1/10左右，且完整实现载荷数据的在轨存储、压缩、处理等所有功能，有效地提高了载荷数据在轨处理能力，实现载荷数据快速应用。
附图说明
图1是本发明组成框图。
图2是本发明设计实施框图。
图3是主控模块设计实施框图。
图4是处理模块组成框图。
图5是电源变换子模块实施功能框图。
图6是调试模式软件注入数据流图；其中线a1、a2表示数据注入方向及顺序。
图7是在轨应用软件上注数据流图；其中线a1、a2、a3、a4表示数据注入方向及顺序。
图8是实时处理下传模式数据流图；其中线1、2、3、4表示数据的传输方向及顺序。
图9是实时处理记录模式数据流图；其中线1、2、3、4表示数据的传输方向及顺序。
图10是原始数据存储模式数据流图；其中线1、2表示数据的传输方向及顺序。
图11是离线处理模式数据流图；其中线1、2、3、4表示数据的传输方向及顺序。
图12是回放处理下传模式数据流图；其中线1、2、3表示数据的传输方向及顺序。
图13是存储回放模式数据流图；其中线1、2表示数据的传输方向及顺序。
具体实施方式
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1～2所示，本发明提供了一种小型化星上高速图像存储处理系统，包括：
1、主控模块：所述主控模块采用FPGA+DDR缓存的最小系统设计，用于接口管理、总线管理、系统工作模式的设置、数据管理等工作；其中所述FPGA内置控制软核，完成总线管理、遥控遥测响应、设备内部工作模式控制及存储文件系统管理等功能。
所述主控模块完成相机数据接收、存储管理、压缩数据转发及压缩后数据接收、数传数据回放等功能，所有数据的数据交换控制都在FPGA内完成，FPGA是整个设备的数据流转中心，FPGA内置控制软核，根据总线指令，完成设备内各模块控制，设置设备工作模式，控制软核是设备工作模式的控制中心。
2、处理模块：采用工业GPU进行遥感数据处理，用于接收所述主控模块转发的载荷数据，按照系统工作模式完成图像预处理、图像压缩、视频压缩、目标识别，并将处理后的数据返回所述主控模块。
软件设计采用系统软件+应用软件的方式，并设计上注通道，使应用软件可按照APP方式安装使用，平台可对所有人开放，极大提升系统灵活性。该方式替代原多DSP协同处理方案，有效降低了设备的体积，减少设备功耗。
此外，针对工业GPU宇航应用的特点，特意设置了以下几种方式以确保数据安全可靠。
(1)按照宇航器件筛选流程进行GPU筛选，剔除器件的前期失效，保证组件可靠性；
(2)设计区域过流检测及区域加断电防护，保证电路可靠运行；
(3)软件设计中采用三取二比对、核心数据防护等规则，保证处理软件运行可靠；
通过以上几种方法，实现了工业级GPU模块在轨可靠运行。而且本发明还设计有应用软件上注路径，实现GPU应用软件可在轨重注，设备功能可随处理算法升级，提高设备适应性。
3、电源及存储模块：采用滤波器+DC/DC进行电源变换，用于完成一次电源接入及过流防护、28V或42V一次电源到12V二次电源的变换，对内为所述主控模块、处理模块提供二次电源，对外为相机提供二次电源。采用多块mSATA形式SSD组成存储阵列，实现数据存储等功能。
所述电源及存储模块对内为主控模块和处理模块提供二次电源，对外为相机提供二次电源，数据存储采用标准mSATA形式SSD设计，单盘存储容量2Tb，单位体积存储容量提升为原设计的4倍以上，提高存储系统集成度和模块化。该设计方法具有集成度高、功耗低、价格便宜、可靠性高的特点，并且解决了传统设计中直接操作NAND Flash存储介质的软件复杂度高和通用性差的问题。采用SSD作为存储模块设计，使得工程人员不需要关注Flash芯片的控制细节，只需要控制SATA接口与SSD进行数据传输，控制系统完成文件系统管理即可。
为提高系统的模块化程度，减少各模块之间的交联，模块之间采用标准化高速接口设计，既满足高速数据传输速率的需求，也方便各模块调试、测试，亦方便故障排除。
由于系统功耗较大，电源及存储模块为整机提供12V二次电源，提高设备内部二次电压，可有效降低二次电源电流，减少电源损耗，降低电源对模块间传输连接器的要求。
主控模块与电源及存储模块之间数据传输采用多组STAT接口，单组接口有效速率可达2.5Gbps，根据不同载荷速率需求，选配相应数量的存储SSD即可。采用SATA连接，有效的减少了模块之间的连接信号数据，减少模块间连接器体积。
主控模块与处理模块之间数据传输采用4×PCIe Gen2.0实现高速数据交互，GPU为RC，FPGA为EP。主控模块通过PCIe接口向处理模块转发原始遥感数据，处理模块通过PCIe接口向主控模块转发处理或压缩后的数据。
设计GPU内PCIe高速传输驱动，采用GPU直接寻址FPGA的内部地址空间实现命令状态传输，GPU配置FPGA内的DMA控制器实现载荷数据高速传输，数据双向传输带宽可达8Gbps。
主控模块与处理模块之间设计两组OC隔离的串口。一组串口完成主控模块对处理模块的测控功能。主控模块通过该串口向处理模块转发控制命令，完成处理模块工作模式控制。处理模块通过该串口向主控模块回传状态遥测，汇报模块内实时工作状态。
另一组串口完成主控模块向GPU的软件上注，可通过软件上注更改系统工作，也可部分上注，完成故障软件修复。
具体的，各个模块的组成：
如图3所示，所述主控模块包括FPGA及与所述FPGA相连的用于数据交换的接口单元、用于外部数据缓存的DDR内存芯片、用于将所述电源及存储模块提供的二次电源变换分配给主控模块中各组件的主控电源变换电路、看门狗、时钟电路、SPI FLASH。其中，所述接口单元包括相机数据接口电路、数传接口电路、CAN总线接口电路、用于完成主控模块对处理模块的测控功能的测控串口、用于完成主控模块向GPU的软件上注的上注串口。
进一步，所述FPGA选用Xilinx公司的XC7K410T，负责载荷数据接收、内部高速数据流的管理、SSD阵列管理、文件管理、总线管理等。所述FPGA内置相互连接的控制软核、SATA2.0控制器、PCIe控制器、DDR控制器。所述FPGA采用基于AXI总线的FPGA高速总线设计架构，使控制软核、SATA2.0控制器、PCIe控制器、DDR控制器等众多高速IP核，实现片内高速数据交互，稳定性、通用性强，扩展灵活。
所述FPGA内置3个SATA2.0控制器完成SSD阵列接口控制，在阵列写入、读出时采用RAID方式，保证各盘同步工作。数据传输过程中设计钟差补偿机制、弹性接收缓冲区、CRC校验等机制保证了长时间、高速率的可靠数据传输。
所述FPGA内置Microblaze控制软核，完成CAN总线管理和存储文件系统管理。采用嵌入式文件系统，根据数据特征进行快速查找，完成存储文件的建立、组织、读写、修改等管理工作，以及对文件管理所需的资源实施管理；
本模块采用4片DDR3组成一组外部数据缓冲，与所述DDR控制器连接，用于接口数据、存储数据、PCIe接口数据的缓存。选用的DDR3型号为MT41K256M16HA-125IT，使用FPGA内置DDR控制器拼接为64bit位宽、16Gb缓存。
所述相机数据接口电路将相机与所述FPGA连通，所述相机数据接口电路采用4片TLK2711并行使用方式。所述数传接口电路将数传设备与所述FPGA连通，所述数传接口电路采用1片TLK2711。TLK2711的串行收发速率可达1.6Gbps～2.7Gbps，实际设计中其参考时钟为100MHz，单片有效带宽可达1.6Gbps。接口电连接器选用国产HSMK系列连接器，接口采用交流耦合连接，完成设备间隔离功能。
所述CAN总线接口电路用来将地面、星上的各种控制命令转发给所述控制软核，所述CAN总线接口电路包括总线驱动器、总线控制器、总线电平转换芯片。所述CAN总线接口电路采用双冗余CAN总线接口，总线驱动器芯片采用SN65HVD232D，控制器芯片采用SJA1000T，符合CAN 2.0B通信协议，电平转换芯片采用的SN74ALVC164245DL，转换为LVTTL电平与FPGA进行通信。
如图4所示，所述处理模块是一个GPU最小系统，包括NVIDIA公司的TX2模块、处理模块电源控制电路、网口。所述TX2模块以NVIDIATegra X2SoC为处理核心，将一个完整的处理系统封装在模块中，方便集成安装，外配各种接口用于调试过程中显示和数据交互。所述处理模块电源控制电路采用MOS管IRF7410进行控制，主控FPGA输出控制信号，控制处理模块加断电。
本模块采用TX2模块内部的256个NVIDIAPascal GPU核实现遥感图像预处理、目标识别、图像压缩等图像处理，采用模块内集成的H.264压缩核实现图像压缩。设计图像预处理云判、图像压缩、视频压缩、目标识别等4种图像处理算法，根据工作模式，选择相应的处理算法，完成整机工作。
此外，TX2模块的各应用处理软件可以进行在线注入。注入分为调试注入和在轨注入。
调试注入
如图6所示，调试时，通过网口直接注入TX2模块，TX2 CPU控制写入模块内的eMMC程序存储器中。
在轨注入
如图7所示，在轨需要进行处理软件上注时，首先保证TX2模块基本软件运行正常。设备通过CAN总线接收注入数据，数据接收之后，经FPGA通过上注串口传输给TX2模块，TX2CPU控制写入模块内的eMMC程序存储器中。
数据上注时，主控FPGA作为数据桥路，完成数据解包组帧，确保数据帧正确，并将完整正确上注数据传送给TX2模块，模块内CPU接收数据后进行数据解析和编程操作。
如图5所示，所述电源及存储模块主要功能是实现将一次电源转换本机和相机所需的二次电源(+12V)，并提供存储阵列。所述电源及存储模块包括电源变换子模块、SSD储存子模块。所述电源变换子模块包括串联在一起的熔断器保护电路、浪涌抑制电路、滤波器、DC/DC电源、配电控制电路。其中，所述熔断器保护电路与一次电源直接连接，所述DC/DC电源还为主控模块、处理模块提供二次电源，所述配电控制电路为相机提供二次电源。
进一步，所述熔断器保护电路采用的是两个熔断器并联形式，其中一个串入一个0.51Ω电阻。所述浪涌抑制电路设计为在一次母线电源正线上串联一个P沟道MOS管2N6849，并通过RC电路控制MOS管打开时间。所述滤波器选用FMCE-0528-F，其输出最大电流5A；DC/DC电源选用MOR2812，可提供100W输出功率，满足本系统及相机供电需求。所述配电控制电路采用MOS管IRF7410，主控FPGA输出控制信号，控制MOS通断。
所述SSD储存子模块采用美国FOREMAY公司生产的高性能OC177系列军工级m-SATA固态硬盘，优选的，设计3块同时工作，满足相机数据写入及读出的数据带宽需求。
进一步，所述系统工作模式包括：
1)实时处理下传模式
数据流如图8所示，在实时处理下传模式下，系统实时接收相机数据，经主控模块转发至处理模块进行实时处理，处理后的结果经主控模块直接发送给数传设备进行下传。
该模式下数据处理流程为：相机数据→主控模块(缓存)→处理模块→主控模块(组帧)→数传设备。
2)实时处理记录模式
数据流如图9所示，在实时处理记录模式下，系统实时接收相机数据，经主控模块转发至处理模块进行处理，处理后的结果发送给主控模块，主控模块接收数据并按照存储格式送入SSD储存子模块进行存储。
该模式下数据处理流程为：相机数据→主控模块(缓存)→处理模块→主控模块(组帧)→SSD储存子模块。
3)原始数据存储模式
数据流如图10所示，在原始数据存储模式下，系统实时接收相机数据，经主控模块转发至SSD储存子模块进行存储，等待时机进入离线模式或回放模式，将存储的原始数据回放进行处理或下传。该模式下处理模块不加电，节省系统功耗。
该模式下数据处理流程为：相机数据→主控模块(缓存)→SSD储存子模块。
4)离线处理模式
数据流如图11所示，在离线处理模式下系统不接收相机数据，SSD储存子模块回放存储的原始数据至主控模块，主控模块将原始数据转发至处理模块，数据处理后将处理结果发送主控模块，主控模块控制SSD储存子模块进行存储。
该模式下数据处理流程为：SSD储存子模块(原始数据)→主控模块(缓存)→处理模块→主控模块(组帧)→SSD储存子模块(结果信息)。
5)回放处理下传模式
数据流如图12所示，在回放处理下传模式下系统不接收相机数据，系统内SSD储存子模块回放存储的原始数据至主控模块，主控模块将原始数据转发至处理模块，数据处理后将处理结果发送主控模块，主控模块直接发送给数传设备。
该模式下数据处理流程为：SSD储存子模块(原始数据)→主控模块(缓存)→处理模块→主控模块→数传设备。
6)存储回放模式
数据流如图13所示，在存储回放模式中，系统内SSD储存子模块回放存储的处理后数据或原始数据，数据经主控模块直接发送给数传设备。该模式下处理模块不加电，节省系统功耗。
该模式下数据处理流程为：SSD储存子模块(处理后数据或原始数据)→主控模块(组帧)→数传设备。
7)软件上注模式
数据流如图7所示，系统具备软件上注更新功能，软件上注可通过总线注入。主控模块接收软件上注数据，通过总线发送给处理模块。主控模块接收数据后完成数据校验，正确完整的数据帧，通过上注串口转发给GPU，直接写入eMMC程序存储器中，作为下次启动数据。
该模式下数据处理流程为：总线→主控模块→GPU→eMMC(处理应用软件)。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：包括：
主控模块，用于接口管理、总线管理、系统工作模式的设置、数据管理；
处理模块，用于接收所述主控模块转发的载荷数据，按照系统工作模式完成图像预处理、图像压缩、视频压缩、目标识别，并将处理后的数据返回所述主控模块；
电源及存储模块，用于对内为所述主控模块、处理模块提供二次电源，对外为相机提供二次电源；也用于数据存储；
所述主控模块包括FPGA及与所述FPGA相连的用于数据交换的接口单元、用于外部数据缓存的DDR内存芯片、用于将所述电源及存储模块提供的二次电源变换分配给主控模块中各组件的主控电源变换电路。
2.根据权利要求1所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述主控模块还包括看门狗、时钟电路、SPIFLASH。
3.根据权利要求1或2所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述系统工作模式包括实时处理下传模式、实时处理记录模式、原始数据存储模式、离线处理模式、回放处理下传模式、存储回放模式、软件上注模式。
4.根据权利要求1或2所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述FPGA内置控制软核、SATA2.0控制器、PCIe控制器、DDR控制器。
5.根据权利要求1或2所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述接口单元包括相机数据接口电路、数传接口电路、CAN总线接口电路、测控串口、上注串口。
6.根据权利要求5所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述CAN总线接口电路包括总线驱动器、总线控制器、总线电平转换芯片。
7.根据权利要求1所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述处理模块包括TX2模块、处理模块电源控制电路、网口。
8.根据权利要求1所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述电源及存储模块包括电源变换子模块、SSD储存子模块。
9.根据权利要求8所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述电源变换子模块包括熔断器保护电路、浪涌抑制电路、滤波器、DC/DC电源、配电控制电路。
10.根据权利要求8所述的一种小型化星上高速图像存储处理系统，其特征在于：所述SSD储存子模块包括若干块m-SATA固态硬盘。
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