介紹了一種用單片FPGA實現(xiàn)的實時、多任務、高速圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)承擔著提高信噪比、壓縮數(shù)據(jù)量、Stokes參數(shù)觀測和儀器及觀測模式控制等任務。針對一個星載系統(tǒng)，采用了核心邏輯片內(nèi)冗余、設計了相應的冗余管理線路等可靠性設計技術(shù)，采用了放置片內(nèi)測試和校驗模塊等可測性設計技術(shù)，使系統(tǒng)工作時鐘達40 MHz，圖像處理速率達100 Mbps。
關(guān) 鍵 詞 預處理; 檢錯和糾錯; 現(xiàn)場可編程門陣列; 狀態(tài)機

圖像處理一般都是用數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)來完成的。但采用多DSP或DSP陣列的方法使系統(tǒng)在成本、重量、功耗等方面都會快速升高。近年來采用現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或可編程器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)設計邏輯電路已成為了一種趨勢[1, 2]，其原因：1) 集成電路由于集成度IC(Integrated Circuit)的大大提高，可編程器件給用戶提供了豐富的可編程資源；2) 可編程器件開發(fā)系統(tǒng)和仿真手段日臻完美；本文介紹的預處理系統(tǒng)是中科院國家天文臺即將立項的國家重大工程項目——空間太陽望遠鏡(Space Solar Telescope，SST)科學數(shù)據(jù)處理單元(Science Data Processing Unit，SDPU)的一個子系統(tǒng)[3, 4]。SDPU的功能是對由觀測儀器采集到的科學數(shù)據(jù)進行一系列復雜的圖像處理任務，以滿足天文學者對太陽的分析要求。預處理系統(tǒng)是一個單片的FPGA系統(tǒng)，由于本系統(tǒng)是一個星載系統(tǒng)，除了功能設計外，還采用了可測性設計技術(shù)，設計出了一個高可靠性的系統(tǒng)。

1 SDPU的數(shù)據(jù)處理任務和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
SDPU的功能是對科學數(shù)據(jù)進行一系列復雜的處理，它擔負著巨大數(shù)據(jù)量的高速采集、壓縮、編碼、存儲任務，并具有高可靠度的容錯技術(shù)[3, 4]。SDPU的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)陣列、預處理(Pre-Processing, PP)陣列、中央(Central Processing Unit, CPU)、海量存儲器(Mass Memory, MM)、壓縮單元DSP1和DSP2、下傳子系統(tǒng)(Down Link System, DLS)等構(gòu)成的。SDPU的任務按順序包括如下過程：數(shù)據(jù)采集、積分、相關(guān)運算、CCD圖像標定、Stockes參數(shù)計算、小波圖像壓縮、通信格式化和下傳等。數(shù)據(jù)采集由SST的5個觀測儀器共17個通道構(gòu)成的CCD(探測器)陣列來完成；積分的工作是在預處理完成的；CCD修正和Stockes計算、小波壓縮是由兩個DSP模塊(DSP1、DSP2)來完成；通信格式化和下傳任務是由下傳子系統(tǒng)(DLS)完成；各單元處理的數(shù)據(jù)都是由海量存儲器(MM)暫存；系統(tǒng)總體調(diào)度和管理由CPU來進行。

2 預處理的數(shù)據(jù)處理任務及設計方案選擇
2.1 預處理的數(shù)據(jù)處理任務
從圖1可見，預處理系統(tǒng)共有17個處理模塊構(gòu)成，每個模塊的基本功能是一致的。預處理(PP)的任務是進行積分運算，它具有如下的處理任務：1) 提高信噪比。SDPU各個儀器的信噪比要求是不相同的，但都是通過累加多幀連續(xù)的極化圖像來改善圖像的質(zhì)量，各儀器在不同的模式下，積分的幀數(shù)是各不相同的，預處理要正確識別和處理；2) 壓縮數(shù)據(jù)量。預處理每日的輸入數(shù)據(jù)是2 506 GB，而輸出數(shù)據(jù)是50 GB，因此在預處理要進行平均60倍的壓縮。3) Stockes參數(shù)測量。太陽望遠鏡的主光路中插入了一個偏振分析器，該分析器具有3個可控的元件，通過控制元件狀態(tài)可以組合成進行Stockes參數(shù)6個分量的圖像測量。4) 觀測模式。其儀器有：爆發(fā)模式、活動區(qū)模式、寧靜態(tài)模式3種。根據(jù)不同的觀測模式預處理有不同的積分行為。
2.2 預處理的邏輯功能
預處理的功能，總體上可以分為：1) 數(shù)據(jù)接收和積分：如圖2所示，數(shù)據(jù)高位清零工作是解決多幀積分的位擴展空間的清零問題；數(shù)據(jù)積分是基于象素點來進行的；不同模式有不同的積分幀數(shù)；圖像的就緒標志是標志某存儲塊或地址段的數(shù)據(jù)已積分完成，可以被送出。當數(shù)據(jù)正在積分和數(shù)據(jù)已被送走以后，這個標志是無效的；2) 數(shù)據(jù)傳送通道控制：是一個總線仲裁機構(gòu)，用于仲裁17個通道的哪一個通道有權(quán)使用所有通道共享的數(shù)據(jù)總線來進行數(shù)據(jù)傳送操作。它采用順序輪詢的方式，被詢問的通道若數(shù)據(jù)就緒便進入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，否則繼續(xù)向后查詢。3) 數(shù)據(jù)傳送：它主要負責數(shù)據(jù)傳送，以騰空數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；它所操作的數(shù)據(jù)存儲空間段和積分使用的緩存空間段是應分開的，以免沖突發(fā)生；它和積分在時間上是重疊的，因此必須設計成并行邏輯。4) 儀器觀測模式和工作狀態(tài)監(jiān)測：從CPU的送來了儀器觀測模式和狀態(tài)壓縮碼，預處理需解碼出來，分別送到相關(guān)的部分進行預處理各部分工作模式的控制，因此要設計相應的邏輯。