基于FPGA的高速图像预处理系统设计

介绍了一种用单片FPGA实现的实时、多任务、高速图像处理系统。该系统承担着提高信噪比、压缩数据量、Stokes参数观测和仪器及观测模式控制等任务。针对一个星载系统，采用了核心逻辑片内冗余、设计了相应的冗余管理线路等可靠性设计技术，采用了放置片内测试和校验模块等可测性设计技术，使系统工作时钟达40 MHz，图像处理速率达100 Mbps。
关 键 词 预处理; 检错和纠错; 现场可编程门阵列; 状态机

图像处理一般都是用数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)来完成的。但采用多DSP或DSP阵列的方法使系统在成本、重量、功耗等方面都会快速升高。近年来采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或可编程器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)设计逻辑电路已成为了一种趋势[1, 2]，其原因：1) 集成电路由于集成度IC(Integrated Circuit)的大大提高，可编程器件给用户提供了丰富的可编程资源；2) 可编程器件开发系统和仿真手段日臻完美；本文介绍的预处理系统是中科院国家天文台即将立项的国家重大工程项目——空间太阳望远镜(Space Solar Telescope，SST)科学数据处理单元(Science Data Processing Unit，SDPU)的一个子系统[3, 4]。SDPU的功能是对由观测仪器采集到的科学数据进行一系列复杂的图像处理任务，以满足天文学者对太阳的分析要求。预处理系统是一个单片的FPGA系统，由于本系统是一个星载系统，除了功能设计外，还采用了可测性设计技术，设计出了一个高可靠性的系统。

1 SDPU的数据处理任务和系统结构
SDPU的功能是对科学数据进行一系列复杂的处理，它担负着巨大数据量的高速采集、压缩、编码、存储任务，并具有高可靠度的容错技术[3, 4]。SDPU的结构如图1所示，它主要由电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)阵列、预处理(Pre-Processing, PP)阵列、中央(Central Processing Unit, CPU)、海量存储器(Mass Memory, MM)、压缩单元DSP1和DSP2、下传子系统(Down Link System, DLS)等构成的。SDPU的任务按顺序包括如下过程：数据采集、积分、相关运算、CCD图像标定、Stockes参数计算、小波图像压缩、通信格式化和下传等。数据采集由SST的5个观测仪器共17个通道构成的CCD(探测器)阵列来完成；积分的工作是在预处理完成的；CCD修正和Stockes计算、小波压缩是由两个DSP模块(DSP1、DSP2)来完成；通信格式化和下传任务是由下传子系统(DLS)完成；各单元处理的数据都是由海量存储器(MM)暂存；系统总体调度和管理由CPU来进行。

2 预处理的数据处理任务及设计方案选择
2.1 预处理的数据处理任务
从图1可见，预处理系统共有17个处理模块构成，每个模块的基本功能是一致的。预处理(PP)的任务是进行积分运算，它具有如下的处理任务：1) 提高信噪比。SDPU各个仪器的信噪比要求是不相同的，但都是通过累加多帧连续的极化图像来改善图像的质量，各仪器在不同的模式下，积分的帧数是各不相同的，预处理要正确识别和处理；2) 压缩数据量。预处理每日的输入数据是2 506 GB，而输出数据是50 GB，因此在预处理要进行平均60倍的压缩。3) Stockes参数测量。太阳望远镜的主光路中插入了一个偏振分析器，该分析器具有3个可控的元件，通过控制元件状态可以组合成进行Stockes参数6个分量的图像测量。4) 观测模式。其仪器有：爆发模式、活动区模式、宁静态模式3种。根据不同的观测模式预处理有不同的积分行为。
2.2 预处理的逻辑功能
预处理的功能，总体上可以分为：1) 数据接收和积分：如图2所示，数据高位清零工作是解决多帧积分的位扩展空间的清零问题；数据积分是基于象素点来进行的；不同模式有不同的积分帧数；图像的就绪标志是标志某存储块或地址段的数据已积分完成，可以被送出。当数据正在积分和数据已被送走以后，这个标志是无效的；2) 数据传送通道控制：是一个总线仲裁机构，用于仲裁17个通道的哪一个通道有权使用所有通道共享的数据总线来进行数据传送操作。它采用顺序轮询的方式，被询问的通道若数据就绪便进入数据传送状态，否则继续向后查询。3) 数据传送：它主要负责数据传送，以腾空数据缓冲区；它所操作的数据存储空间段和积分使用的缓存空间段是应分开的，以免冲突发生；它和积分在时间上是重叠的，因此必须设计成并行逻辑。4) 仪器观测模式和工作状态监测：从CPU的送来了仪器观测模式和状态压缩码，预处理需解码出来，分别送到相关的部分进行预处理各部分工作模式的控制，因此要设计相应的逻辑。