摘要：為建立高速、高效,、合理的CCD成像軟件系統(tǒng),，設(shè)計(jì)TDI-CCD成像系統(tǒng)自頂向下的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)FPGA軟件解耦合,，給出整體軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其性能分析,；在系統(tǒng)調(diào)試階段運(yùn)行良好。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,，該軟件得各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。
關(guān)鍵詞：FPGA；CCD成像,；模塊設(shè)計(jì),；解耦分析

    CCD是一種廣泛應(yīng)用于成像系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器，TDI-CCD利用延時(shí)積分的方法,，通過對(duì)同一物體多次曝光,，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型光能采集的目的。同時(shí),，根據(jù)像移補(bǔ)償?shù)乃俣?，設(shè)計(jì)TDI-CCD的電荷轉(zhuǎn)移速率，能夠?qū)崿F(xiàn)電子學(xué)像移補(bǔ)償,。本文闡述的成像系統(tǒng)以TDI-CCD為核心,，利用FPGA實(shí)現(xiàn)CCD圖像數(shù)據(jù)整合功能的硬件系統(tǒng)。由于FPGA在資源,、速度,、效率、穩(wěn)定性等方面有很多優(yōu)勢(shì),，因此,，采用FPGA實(shí)現(xiàn)高速、大規(guī)模,、繼承性好的成像軟件,，通過在軟件結(jié)構(gòu)、模塊和設(shè)計(jì)方法上的優(yōu)化，尋求更加合理設(shè)計(jì)方案,，達(dá)到功能和性能的提升,。本文將FPGA設(shè)計(jì)的一些指導(dǎo)性原則應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給出了FPGA自頂向下的軟件結(jié)構(gòu)劃分,，以及程序設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng),。通過對(duì)模塊接口信號(hào)的解耦處理，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性,，該軟件系統(tǒng)在實(shí)際工程中已進(jìn)行驗(yàn)證,。

1 成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    成像系統(tǒng)以TDI-CCD為核心，采用FPGA作為核心數(shù)據(jù)處理單元,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理傳輸,，其基本組成部分如圖1所示。

    時(shí)序驅(qū)動(dòng)單元采用FPGA產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序,，通過硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD控制信號(hào)驅(qū)動(dòng),；焦平面單元將CCD視頻信號(hào)經(jīng)過預(yù)放、濾波,、相關(guān)雙采樣(CDS),、A／D轉(zhuǎn)換后輸入到圖像處理單元；圖像處理單元接收控制器指令,，完成總體對(duì)成像系統(tǒng)的控制,，以及圖像數(shù)據(jù)的整合傳輸?shù)裙δ埽?br />
2 成像軟件設(shè)計(jì)
    成像系統(tǒng)軟件采用FPGA實(shí)現(xiàn)。軟件核心是圖像處理單元,。該單元接收CCD行同步信號(hào)以及指令,，完成數(shù)據(jù)處理功能；
    成像系統(tǒng)FPGA的主要功能如表1所示,。成像系統(tǒng)在物理上分為3個(gè)電箱,。圖像處理電箱獨(dú)立存在，并接收焦平面電箱的視頻信號(hào)和控制電箱工作指令,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理,。根據(jù)系統(tǒng)邏輯功能劃分FPGA軟件結(jié)構(gòu)，并將軟件設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用其中,，優(yōu)化系統(tǒng)性能,。圖像處理單元工作頻率高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,，不同的結(jié)構(gòu)劃分和設(shè)計(jì)方式對(duì)性能影響較大,，因此，本文對(duì)圖像處理軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述,。

2．1 FPGA軟件設(shè)計(jì)分析
    可編程邏輯設(shè)計(jì)原則的合理應(yīng)用,，為理解FPGA程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)字系統(tǒng)提供了條件,。
    (1)資源與速率的平衡,。資源和速率是FPGA設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。通過合理的軟件結(jié)構(gòu)劃分,，在高速數(shù)據(jù)處理區(qū)域采用速度優(yōu)先方法,，即通過模塊復(fù)用,、串／并轉(zhuǎn)換,、數(shù)據(jù)流水化等方法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸；在低速處理區(qū)域,，采用串行方式和組合邏輯,，通過增加扇出實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化。
    (2)系統(tǒng)與硬件匹配,。FPGA內(nèi)部硬件資源決定設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和方法,。采用BLOCK RAM或Distributed RAM，根據(jù)數(shù)據(jù)處理內(nèi)容,、資源利用率要求決定使用方式,；另外，利用全局信號(hào)線,，實(shí)現(xiàn)全局變量處理,；利用FPGA內(nèi)部IP和原語實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)，改善程序架構(gòu),。
    (3)同步設(shè)計(jì),。同步設(shè)計(jì)是資源與速度的體現(xiàn)，在異步時(shí)鐘域數(shù)據(jù)處理時(shí),，采用FIFO轉(zhuǎn)存,，解決同頻異相或異頻問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取和傳輸,。
    (4)可靠性設(shè)計(jì),。軟件設(shè)計(jì)采用冗余和容錯(cuò)性設(shè)計(jì)、簡化設(shè)計(jì)規(guī)模和減少軟件配置項(xiàng),；
2．2 圖像數(shù)據(jù)處理與分析
2．2．1 數(shù)據(jù)率和時(shí)鐘選擇
    CCD圖像輸出數(shù)據(jù)率計(jì)算如下：
      
    式中：F為輸出數(shù)據(jù)率,；Fpixel為CCD像元轉(zhuǎn)移速率；A為量化等級(jí),；Npixel為像元數(shù),；Na為啞像元數(shù)；TL為行周期,。根據(jù)指標(biāo)計(jì)算,，成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率達(dá)到1 Gb／s以上，因此，數(shù)據(jù)傳輸采用10 b數(shù)據(jù)并行方式,，滿足軟硬件設(shè)計(jì)預(yù)定的指標(biāo)要求,。
2．2．2 時(shí)鐘域分析
    CCD圖像處理單元，主時(shí)鐘采用120 MHz有源晶振(elk_sys),，通過FPGA內(nèi)部全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)(BUFG)實(shí)現(xiàn)全局走線,；設(shè)計(jì)時(shí)不建議使用DCM。系統(tǒng)的主要時(shí)鐘如表2所示,。

    系統(tǒng)接收外部行同步時(shí)鐘,，通過高頻主時(shí)鐘同步，并在FPGA內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部行頻,，用于產(chǎn)生CDS信號(hào)及控制邏輯,。通過分頻產(chǎn)生串行時(shí)鐘，完成遙控遙測信號(hào)的收發(fā),；產(chǎn)生數(shù)據(jù)時(shí)鐘,，完成數(shù)據(jù)采樣和傳輸；
2．2．3 成像系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)軟件系統(tǒng)功能,，自頂向下劃分模塊,，如圖2所示。為了保證模塊間信號(hào)的獨(dú)立性,，增強(qiáng)了模塊解耦處理,，具體的處理原則是：減少模塊IO數(shù)量，減少邏輯關(guān)聯(lián)程度,，避免信號(hào)控制環(huán)路產(chǎn)生,；存儲(chǔ)器與后續(xù)數(shù)據(jù)處理操作整合；模塊間避免數(shù)據(jù)傳輸,，減少異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)同步問題,；采用脈沖電平邏輯實(shí)現(xiàn)模塊控制等。由于合理劃分了軟件模塊,，方便了模塊化設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證,，為后續(xù)的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖2中三級(jí)模塊沒有具體給出,。

    (1)數(shù)據(jù)解析模塊,。通過RS 422解析串行指令，同時(shí)完成部分硬指令翻譯,，并根據(jù)指令要求發(fā)送系統(tǒng)遙測參數(shù),。串行接收數(shù)據(jù)采用累加校驗(yàn)，并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)存儲(chǔ),。校驗(yàn)正確后,，將數(shù)據(jù)以乒乓方式存入RAM,，以保證讀／寫邏輯不沖突；校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí),，不轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù),。根據(jù)不同的指令類型，對(duì)相應(yīng)的地址進(jìn)行讀／寫操作,，更新完畢后給出標(biāo)志位,。
    (2)視頻控制模塊。輸出A／D參數(shù),、CDS信號(hào)和A／D輸出時(shí)鐘,。A／D參數(shù)采用廣播方式，通過使能信號(hào)完成20路AD的配置,；由外行信號(hào)htck同步A／D的控制邏輯以及CDS信號(hào),；由于數(shù)據(jù)處理速度較低,，實(shí)現(xiàn)時(shí),，通過增加扇出、減少模塊復(fù)用,，來降低資源利用率,。CDS采樣脈沖的位置對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響很大，需要精細(xì)調(diào)節(jié),。在設(shè)計(jì)時(shí),，采用FPGA內(nèi)部移位寄存器生成不同位置的采樣脈沖，在調(diào)試中實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn),。
    (3)數(shù)據(jù)整合模塊,。將輸入的20路圖像數(shù)據(jù)整合一路輸出。根據(jù)工作指令選擇灰度圖像或?qū)崟r(shí)圖像,，并行存儲(chǔ)到相應(yīng)的fifo中,；輸出時(shí)，通過控制讀使能信號(hào),，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)讀取,。設(shè)計(jì)FIFO時(shí)，仍然采用乒乓方式,，通過標(biāo)志信號(hào)使讀寫邏輯分離,。相比RAM設(shè)計(jì)而言，避免了大規(guī)模地址線造成的亞穩(wěn)態(tài)問題,，設(shè)計(jì)時(shí)序相對(duì)簡單,。
    (4)數(shù)據(jù)輸出模塊。根據(jù)衛(wèi)星指令將圖像數(shù)據(jù)按照規(guī)定格式輸出,。設(shè)計(jì)時(shí),，需要注意數(shù)傳協(xié)議中各數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)的輸出時(shí)序,。因此，良好的模塊規(guī)劃,，更有利于程序的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證,。
2．3 性能與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
    (1)FPGA內(nèi)部時(shí)鐘域分析有利于同步設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，在良好的時(shí)鐘分配下,，能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行頻率,，增加軟件可靠性。根據(jù)FPGA資源說明,，每個(gè)slice有固定數(shù)量的觸發(fā)器和查找表(LUT)資源,，合理利用可以降低器件資源的利用率。
    (2)組合邏輯容易產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài),，為系統(tǒng)帶來不確定因素,，同時(shí)，組合邏輯延時(shí)也限制了系統(tǒng)的運(yùn)行頻率,。在頻率要求較高的模塊內(nèi)部,，可以采用流水線技術(shù)降低組合邏輯規(guī)模。
    (3)軟件結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能和資源使用有很大的影響,；不合理的結(jié)構(gòu)劃分不僅浪費(fèi)資源,，也不利于軟件的升級(jí)和維護(hù)。該軟件通過合理的結(jié)構(gòu)和接口信號(hào)劃分,，力求達(dá)到模塊解耦的目的,。通過詳細(xì)的接口時(shí)序說明，可以更好的進(jìn)行軟件維護(hù)和更新,，為后續(xù)開發(fā)奠定基礎(chǔ),。
2．4 關(guān)于軟件系統(tǒng)工作頻率和硬件速度的匹配
    電路設(shè)計(jì)時(shí)，通過分析硬件電路的芯片參數(shù)和電路延時(shí)指導(dǎo)軟件設(shè)計(jì),。對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)走線,，除了可以在硬件上設(shè)置延時(shí)線外，F(xiàn)PGA內(nèi)部可以通過DLL倍頻時(shí)鐘,，通過時(shí)鐘計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)延時(shí),，或者通過FPGA內(nèi)部LUT和門邏輯實(shí)現(xiàn)組合邏輯延時(shí)設(shè)計(jì)。由于FPGA的端口速率有限,，不同等級(jí)的FPGA芯片的處理速度也不同,，因此，需要參考FPGA的參數(shù)特性設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，并確定端口數(shù)傳規(guī)則和內(nèi)部結(jié)構(gòu),，同時(shí)，注意與外圍
硬件的匹配,，以保證軟硬件可靠運(yùn)行,。

3 實(shí)時(shí)圖像效果評(píng)估
    圖3給出了實(shí)驗(yàn)室條件下的原始數(shù)據(jù)圖像,。通過調(diào)整信號(hào)處理器的增益，調(diào)整相應(yīng)抽頭的灰度值,，從而達(dá)到灰度均衡效果,；通過觀察相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)可以得出，數(shù)據(jù)處理和成像效果達(dá)到預(yù)定指標(biāo)要求,。

4 結(jié)語
    FPGA成像軟件是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保障,，其性能對(duì)整體分辨率的提高有著舉足輕重的作用。在給定的硬件條件下,，通過高效設(shè)計(jì)FPGA軟件,，能夠顯著提高系統(tǒng)性能。在成像軟件的數(shù)據(jù)處理方法上,，仍然有很多方向,，如實(shí)時(shí)圖像壓縮傳感，提高系統(tǒng)的傳輸能力,；在FPGA內(nèi)部進(jìn)行海量數(shù)據(jù)處理等,。通過實(shí)驗(yàn)證明，該軟件的實(shí)際運(yùn)行速度達(dá)到要求,。因?yàn)橛布幚硭俣鹊南拗?，若想提高軟件運(yùn)行頻率,，尋求更加合理的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及電子學(xué)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將成為重要的研究內(nèi)容,。