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电讯技术 2024年第2期64卷 215-221页

作者：白玉胡旋耿世松沈阳航空航天大学电子信息工程学院沈阳110136 中国科学院软件研究所北京100190

传统星上系统开发与研制通常是基于特定的专用宇航器件,这使得其开发周期长且可移植性较差。针对该问题,提出了一种基于Xilinx ZYNQ UltraScale+平台的ARM+可编程逻辑的解决方案。该方案用Vivado配置FPGA硬件架构,采用SDK(Software Deve... 详细信息

传统星上系统开发与研制通常是基于特定的专用宇航器件,这使得其开发周期长且可移植性较差。针对该问题,提出了一种基于Xilinx ZYNQ UltraScale+平台的ARM+可编程逻辑的解决方案。该方案用Vivado配置FPGA硬件架构,采用SDK(Software Development Kit)配置ARM实现两者数据交互。在整个系统设计中,通过集成在芯片内部的高速串行收发器和Aurora协议作为载体进行高速片间传输;采用自定义帧协议保证传输可靠性及安全性;采用AXI-Stream接口使其具有各类算法即插即用的灵活性;最后为验证本系统可以支持各类算法进行星上实时图像处理,通过在逻辑侧添加Sobel边缘检测算法进行验证。测试结果表明该系统图像数据传输无误码,星上串行高速传输速率较高,系统总体传输延时较低,且系统具有较强的算法通用性。

关键词：星上数据传输异步架构 Aurora协议 DMA 实时图像处理

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遥感卫星图像数据高速传输与处理系统的设计和验证

遥感卫星图像数据高速传输与处理系统的设计和验证

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作者：胡旋沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

随着卫星技术的发展以及遥感相机下传数据量的增加,卫星数据传输系统对高速性、可靠性、安全性、灵活性、实时性以及通用性等各方面性能提出了更高的要求。另外,图像处理技术在航空领域应用日益广泛,利用图像算法对星上大容量图像数据... 详细信息

随着卫星技术的发展以及遥感相机下传数据量的增加,卫星数据传输系统对高速性、可靠性、安全性、灵活性、实时性以及通用性等各方面性能提出了更高的要求。另外,图像处理技术在航空领域应用日益广泛,利用图像算法对星上大容量图像数据进行高速且实时的处理也是卫星系统研制的趋势。传统星上系统开发与研制通常是基于特定的专用宇航器件,这使得其开发周期长且可移植性较差。针对该问题,本文创新性地将商用平台应用于星上设备,这对于未来星上系统开发和研制极具参考价值。本文在分析了项目背景及星上处理平台的发展后,确立了基于Xilinx ZYNQ Ultra Scale+平台异步架构系统的解决方案。整个系统的设计包含硬件设计和软件设计两大部分。本文采用ZCU106基于大小核(Cortex A53+Cortex R5)+图形处理单元(Mali-400)+现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)架构的异构多核片上系统,并采用Xilinx Vivado开发可编程逻辑实现硬件架构设计,采用Xilinx软件开发工具包(Software Development Kit,SDK)裸机开发软件程序配置进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,ARM)实现二者数据交互。在整个系统设计中,使用直接存取访问(Direct Memory Access,DMA)来完成处理系统(Processing System,PS)端和可编程逻辑(Programmable Logic,PL)端的图像数据通信;通过集成在芯片内部的高速串行收发器和Aurora协议作为载体进行高速片间传输;创新性采用自定义帧协议保证传输可靠性及安全性;采用AXI流接口(Advanced e Xtensible Interface Stream,AXI-Stream)使其具有各类算法即插即用的灵活性。最后为了验证本高速系统一个时钟传输四个像素,其仍可以支持各类传统算法进行星上实时图像处理。在逻辑侧添加优化后的Sobel边缘检测算法、图像腐蚀膨胀算法、图像高斯滤波算法来进行算法移植和对比验证。最后,本文对整体系统和各个模块分别进行仿真及板级测试,验证系统数据传输能力以及图像处理性能。测试结果表明,该系统图像数据传输无误码;星上串行高速传输速率较高;优化后算法传输延时较低,且系统具有较强的复杂算法移植通用性;对遥感卫星真实图像处理后效果理想,且系统各项指标均达到预期项目设计需求。本文研究成果不仅对星上高速传输与处理系统的研制提供参考且具有一定的商用价值,同时也可以应用于其他各类高速数据传输处理系统的研发中。

关键词：星上数据传输异步架构 Aurora协议直接存取访问实时图像处理

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