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          基于TMS320C6701的星敏感器電路系統(tǒng)的設(shè)計

          作者: 時間:2008-05-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘 要:介紹了芯片的主要功能特點及內(nèi)部結(jié)構(gòu),建立了以DSP為核心的星器信息處理,并在此中成功實現(xiàn)了快速的全天球星圖識別。實驗結(jié)果表明,在不降低星圖識別率的條件下,該算法在本中的運行速度為0.47s,比RISC的星器數(shù)據(jù)處理單元的速度提高近一倍。
          關(guān)鍵詞:DSP;;星器;星圖識別

          星敏感器是天文導(dǎo)航系統(tǒng)的主要設(shè)備,它是集光學(xué)、機械、電子、實時圖像處理技術(shù)于一體的儀器。它通過圖像傳感器獲取星體的圖像信息,然后對圖像信息進行實時處理,處理過程包括星體質(zhì)心定位、星圖識別匹配、快速跟蹤和精確姿態(tài)求解,最后輸出當(dāng)前空間飛行器的姿態(tài)信息。
          美國加州理工大學(xué)的JPL實驗室是最早從事星敏感器的開發(fā)研制工作的,為減小星敏感器硬件的功耗,其運算系統(tǒng)主要由RISC芯片構(gòu)成,用以實現(xiàn)星體定位及星圖識別算法等。目前星敏感器實時工作的瓶頸在于怎樣提高速度。由于星圖識別算法占整體星敏感器數(shù)據(jù)處理的大部分時間,因此需要在軟件上應(yīng)用識別率高同時算法簡單的星圖識別程序,同時硬件結(jié)構(gòu)上采用更為先進的技術(shù)。星圖識別程序包括了三角函數(shù)的計算,矩陣的轉(zhuǎn)換等乘法執(zhí)行指令,乘法執(zhí)行速度越快就代表著識別程序能夠在更短的時間內(nèi)完成。DSP的專用硬件乘法器可以大大的提高運算的速度。本文正是以星敏感器的這一需求為出發(fā)點,采用了頻率高、處理速度快的浮點DSP芯片作為星敏感器的核心處理器,實現(xiàn)了以徑向和環(huán)向分布為特征的星圖識別算法。

          1 電路系統(tǒng)
          用于星圖識別算法的星敏感器DSP系統(tǒng)以C6701為核心,在其外圍加上存儲器模塊、JTAG接口模塊、RS232串口模塊、FIFO接口模塊、電源模塊等,實現(xiàn)計算、通訊等功能。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

          圖 1 DSP星敏感器系統(tǒng)框圖
          1.1 TMS320C6701的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
          在星敏感器系統(tǒng)中,我們采用TMS320C6701作為主要處理部件。C6701是TI公司推出的TMS320C6000系列中的一款支持浮點運算的高速DSP 芯片,它采用超長指令字(VLIW) 體系結(jié)構(gòu)。在CPU時鐘頻率為167MHz時,其運算能力最高為1336 MIPS,浮點運算能力最高為1 G FLOPS。它有4個相互獨立的可編程DMA通道,可獨立于CPU進行工作,以CPU時鐘速率進行數(shù)據(jù)吞吐。
          1.2 外部存儲器
          DSP硬件系統(tǒng)外部存儲器包括滿足大容量數(shù)據(jù)緩存需求的同步動態(tài)RAM,以及存儲所有系統(tǒng)軟件保證系統(tǒng)脫離PC機獨立工作的FLASH芯片。
          1.2.2 EMIF與SDRAM的接口
          C6701片內(nèi)有64kBytes的數(shù)據(jù)存儲器和64kBytes的程序存儲器,而用于星圖識別的程序需要66kBytes的存儲空間,全天球星庫需要962kBytes的存儲空間,C6701的片內(nèi)存儲器不能滿足星敏感器的需要,因此電路系統(tǒng)擴展了大容量的SDRAM以存放星庫以及程序。
          以上需求,采用1片MT48LC4M32B2 C1 Meg x 32 x 4banks SDRAM映射到CE0外部存儲空間。MICRON的MT48LC4M32B2-7是86-pin TSOP(400 mil)的CMOS同步DRAM,最高工作頻率(處理速度)為143Mhz(7ns)。DRAM設(shè)備始終時鐘控制在CPU時鐘速率的一半,即當(dāng)CPU芯片以O(shè)SC4運行時,SDRAM以66.67Mhz(15ns)運行。
          1.2.2 EMIF與FLASH的接口
          C6701的應(yīng)用程序的開發(fā)中,程序代碼或數(shù)據(jù)表是要保存在FLASH或其它非易失存儲器中,以保證掉電時代碼仍在,程序在加電復(fù)位后自動運行。C6701的EMIF通過異步接口可以支持8位、16位和32位FLASH配置。要實現(xiàn)TI TMS320C6201/ C6701的外部ROM自舉,“8/16bit ROM/FLASH存儲器”必須配置在CE1空間。本系統(tǒng)使用的Flash芯片AT49BV1614A是一種存儲量1M16或2M8的閃速存儲器,存取時間70ns,能夠電擦除,并能在大多數(shù)標準的微處理器總線上通過特殊的編碼命令序列編程。
          1.3 擴展接口
          系統(tǒng)還嵌入了FIFO擴展接口以及串口通訊模塊。通過FIFO接口與FPGA連接,獲得數(shù)據(jù)進入DSP進行處理。通過RS232接收發(fā)送器,方便的實現(xiàn)DSP與計算機的串行通訊,將全天球星圖識別計算結(jié)果傳回PC機顯示。
          1.3.1 串行接口
          TMS320C6701的多通道緩沖串口McBSP是同步串口,而計算機的串行口RS232是異步串口,中間就要考慮到同步串口轉(zhuǎn)異步接口,以及電平轉(zhuǎn)換的問題。將McBSP轉(zhuǎn)換成UART,再進行電平轉(zhuǎn)換,就可以與RS232直接進行通信。
          MAX3111E是一個集成SPI/微細線兼容接口的UART和15kv放電保護RS232收發(fā)器為一體的芯片。使McBSP工作在SPI模式下【3】, MAX3111E來完成McBSP和RS232之間的通信。
          1.3.2 FIFO接口
          通過C6701的外部存儲器接口實現(xiàn)高速外部先入先出(FIFO)存儲器與DSP的接口,來保證外部設(shè)備FPGA傳輸數(shù)據(jù)到DSP進行處理。

          2 系統(tǒng)軟件
          星圖識別算法的程序是用C語言實現(xiàn)的,主要有星圖識別程序,以及一些輔助程序?;谒玫腡MS320C6701芯片,我們編寫了一些硬件驅(qū)動程序,例如FLASH燒寫及BOOTLOADER程序等。
          2.1 星圖識別算法
          本文采用了基于徑向和環(huán)向分布特征的全天球星圖識別方法【4】。它的基本思想為:利用徑向分布特征作為初始匹配,利用環(huán)向分布特征進行精確匹配。

          圖 2 徑向分布特征

          以主星S為中心,如圖所示將圓周等分成8份,計算其他伴星在圓周上的分布,組成一個8位的向量V(11000100>)。將V作循環(huán)移位,找出V所組成的數(shù)(十進制)的最大值,將這個最大值作為S的環(huán)向分布特征。如圖所示V移位后仍然保持不變,則環(huán)向特征向量 =11000100=196。



          圖 3 環(huán)向分布特征

          事先構(gòu)造全天球?qū)Ш叫菐斓哪J綆?。使用時獲得星圖后,計算該星圖中某顆星的模式,通過比較導(dǎo)航星庫中的星模式,找到最匹配的星,完成全天球星圖識別的過程,從而確定飛行器的位置。DSP經(jīng)過串口模塊,將計算結(jié)果傳遞給PC機顯示,可以比較DSP與PC機的處理結(jié)果。
          2.2 BOOT過程的實現(xiàn)
          TMS320C6701器件可以設(shè)置成三種自舉方式,分別為(1)無自舉;(2)ROM自舉;(3)主機自舉。
          系統(tǒng)加電后,RESET信號為低,芯片復(fù)位。在RESET信號上升沿處,鎖存BOOTMODE[4:0]信號,借以決定芯片的存儲器映射方式、地址0處的存儲器類型以及復(fù)位后芯片的自舉模式,復(fù)位結(jié)束后,芯片從存儲器的0地址開始執(zhí)行指令。TMS320C6701芯片有專門的BOOTMODE[4:0]管腳決定芯片的各種設(shè)置。本系統(tǒng)中BOOTMODE[4:0]管腳設(shè)置成[10101],芯片在復(fù)位后自動將位于外部CE1空間ROM中的程序通過DMA搬入地址0處,傳輸完成后,CPU退出復(fù)位狀態(tài),開始執(zhí)行地址0處的指令,程序啟動。

          3 實驗結(jié)果
          本文以星敏感器的視場FOV為1212的視場、敏感星等為6等為例,編程測試以上提到的算法。
          測試結(jié)果表明,基于DSP的硬件系統(tǒng)以及基于RISC的硬件系統(tǒng)的識別結(jié)果及識別率一致。DSP系統(tǒng)平均識別時間約為0.47s,RISC系統(tǒng)平均識別時間約為0.805s,大大提高了星敏感器的實時性。

          4 結(jié)論
          本文首先介紹了星敏感器運算及控制的核心――DSP處理器的結(jié)構(gòu)及特點,然后利用高速浮點芯片TMS320C6701搭建硬件系統(tǒng),完成了基于DSP的星敏感器運算電路系統(tǒng)。接著分析了以徑向和環(huán)向分布為特征的快速星圖識別算法和BOOT過程實現(xiàn)的軟件程序。最后仿真驗證表明,該系統(tǒng)可以很好的完成星圖識別任務(wù),同時系統(tǒng)平均識別時間達到為0.47s,處理速度相比RISC數(shù)據(jù)處理單元提高了近一倍。

          參 考 文 獻
          [1]王念旭等. DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng). 北京航空航天大學(xué)出版社,2002.
          [2]TMS320C6000 EMIF-to-External SDRAM Interface. US: TI Company,2001.
          [3]TMS320C6000 McBSP Interface to SPI ROM. US: TI Company,2001.
          [4]魏新國,張廣軍,江潔,“利用徑向和環(huán)向分布特征的星圖識別方法”,光電工程,2004年,第8期.

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