0 概述

受限于火箭的运载能力, 在未来很长一段时间内, 直径大于10 m的拼接主镜式望远镜将难以被送入太空, 因此, 研究光学综合孔径技术具有重要的现实意义^[1-2]。无论在地面还是空间应用综合孔径望远镜, 都要解决望远镜的阵列指向一致性^[3-4]、光程差计算以及闭环控制的问题^[5-6], 即在综合孔径望远镜的观测过程中, 需要实现子望远镜间极高精度的指向一致性以及望远镜阵列相对观测目标的指向稳定性, 因此, 子望远镜自身需具备高精度的指向探测、控制和保持装置, 即指向计算和控制系统^[7-8]。同时, 若要突破单望远镜的衍射极限达到综合孔径的空间分辨率, 还要求望远镜阵列能够实现共相干涉, 即光程差计算和控制系统^[9-11]。综上, 为满足实际应用需求, 电子学系统需要完成多通道高速图像的实时采集、多通道数据的实时计算与反馈控制。由于现场可偏程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)结构灵活、通用性强, 且随着RockteI/O等高速接口的出现, 多片FPGA级联进行大带宽传输得以实现^[12-13]。此外, 实时运算算法的控制结构复杂, 可以通过运算速率高、通信机制强大、寻址方式灵活的数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)来实现^[14-15]。

本文采用多FPGA图像并行流水预处理和多DSP并行数据计算技术, 实现计算和控制系统的优化设计, 以满足原理样机对计算和控制系统的性能与功能要求。

1 系统性能指标与功能要求

根据计算和控制系统的动态性能分析及仿真结果, 本文确定该系统的主要性能指标和功能要求。性能指标为:

1) 在闭环时, 3个探测相机帧频均大于1 500帧/s。探测相机输出1 424像素×128像素, 每个像素采用8 bit量化。因此, 每个通道的传输带宽至少为2.2 Gb/s。

2) 相关计算的延时(即从探测相机开始接收图像到相关计算完成后开始输出电压信号的延时)小于0.5 ms。

功能要求为:

1) 完成3个通道图像数据的高速采集, 并在不影响实时通路的情况下, 将3个通道的图像数据进行实时显示, 以方便系统的监视。

2) 根据指令存储实时图像数据和计算结果, 以方便系统的调试。

2 系统软硬件设计

为方便调试和使用, 本文对计算和控制系统的硬件进行了集成设计, 其中, 所有板卡均通过数据交互底板集成在一个机箱中。计算和控制系统结构如图 1所示。

本文计算和控制系统由1块数据交互底板、2块电源板、1块图像分发板、3块计算控制板(1块进行指向计算、2块进行光程差计算)和1块数模转换(Digital to Analog, D/A)板组成。各模块均采用单板进行设计, 共用一个数据交互底板, 实现板间级联和数据交互, 从而控制命令的通信等。为方便系统调试和实时监控, 本文设计地面控制板与计算和控制系统的各板卡相连。在工作时, 各板卡均插入底板中, 形成一套完整的计算与控制单元, 图 2所示为详细结构图。其中, 3块计算控制板的硬件结构和对外接口完全一致, 因此, 在图 2中只显示1块计算控制板。

图像分发板的核心器件是Xilinx公司的Virtex-5 FPGA, 型号为XC5VFX70T。其功能是通过三路CameraLink接口同时采集3个探测相机的图像数据(每个通道为2.8 Gb/s), 并利用RocketI/O接口将图像数据实时转发到3个计算控制板的FPGA, 然后按图像序列在每一帧图像数据的前4个字节添加图像数据标志和帧号, 以方便后续数据的完整接收与判断是否丢帧。此外, Virtex-5 FPGA还具有图像转发功能, 即在不影响实时通路的情况下可以根据地面控制板的指令将3个探测相机的任意一路实时下传, 方便系统的监视。

计算控制板对接收到的图像进行预处理(包括暗场、平场校正及去趋势项), 然后对图像进行相关计算, 最后将计算结果通过伺服控制算法转化为数字量并发送给D/A板, 控制压电陶瓷驱动器工作。

地面控制板的设计是为了在不干扰实时通路的情况下, 方便系统的调试和实时监控, 其通过RS485和光纤接口与3块计算控制板通信, 可上传测试命令、下传测试数据和测试结果。同时, 地面控制板通过光纤接口读取3个探测相机的图像数据并实时显示, 控制各计算单元实现开环、闭环、继续闭环、设置伺服算法控制参数、读取计算结果等功能。

2.1 计算控制板的硬件设计

3块计算控制板的硬件结构完全一致, 核心器件均为1片FPGA和2片DSP。FPGA的型号为XC6VSX315T, 主频为150 MHz, 预处理模块倍频为500 MHz。FPGA内部划分了8个先进先出(First Input First Output, FIFO)存储器, 通过设置FIFO的空、满标识, 使所有FIFO保持不空、不满的状态。FPGA处于硬件流水的工作方式, 同步进行图像输入和图像预处理, 保证计算控制板的工作实时性。DSP采用ADI公司的TS201, 内核时钟为600 MHz, 125 MHz/64 bit片外总线, 还有4个Link口, 每个Link口收发独立, 最高带宽为1.2 Gb/s。

图 3所示为计算控制板的硬件原理框图。计算控制板包含与图像分发板、D/A板及地面控制板的软硬件接口, 其通过RockerI/O接口从图像分发板接收图像, 由FPGA完成图像区域的截取和预处理, 然后通过高速链路口将相同的图像分发给2个DSP芯片, 由DSP1和DSP2并行完成相关计算。DSP2将计算结果通过双向链路口传回DSP1, 计算结果经伺服控制算法计算后转换为电压值, 由DSP1输出到D/A板, 同时DSP2将实时图像数据和计算结果存入外挂的同步动态随机存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM)中。每个DSP(DSP1和DSP2)外置1片1 G×16 bit的FLASH芯片, 用于存储监控软件、测试软件、其他应用软件以及FPGA的配置文件。DSP2外置2片32 M×32 bit的SDRAM芯片, 构成64 M×32 bit, 通过片选信号使地址连续, 用于DSP2存储实时图像以及根据地面控制板的指令存储计算结果。实时图像通过光纤接口传输到地面控制板, 由地面控制程序实时显示, 以方便系统的监视。计算结果在系统开环后下传到地面控制板, 以方便系统的调试。

2.2 计算控制板的数据处理流程

指向计算控制板和2个光程差计算控制板的数据处理流程一致, 只是在开窗大小与位置、计算数据量、计算时间上存在差别。图 4所示为所有计算控制板的数据处理流程。在地面检测控制板发出闭环命令后, 各相机开窗的行数、列数、起始行、起始列、帧频等参数也通过计算控制板发送给各探测相机。3个探测相机根据各自的参数设置开始进行小图输出。图像分发板的FPGA将收到的3个探测相机的图像按照序列增加相应的图像标志位(表明是小图)和帧号, 然后根据地面控制板的指令将指定的一路图像数据转发到地面控制板的图像接收及显示程序, 3路图像则直接转发到相应的计算控制板。计算控制板的FPGA收取小图后开始计数, 直到小图的帧号连续并且超过20后, 计算控制板的FPGA才开始截取图像并通过并行流水的方式对小图进行预处理, 随后将预处理后的相同数据通过高速链路口同时发送给DSP1和DSP2。在DSP1和DSP2并行完成相关计算后, 两者互发计算结果, DSP1将计算结果通过伺服控制算法转化后输出电压值到D/A板, DSP2则保存结果数据及相应的图像数据待地面控制板读取。

在每个帧周期内都会进行数据校验, 以防止出现图像丢帧现象进而影响闭环效果。第1次数据校验是在计算控制板开始收取小图后, 如果未在限定时间内接收到连续的20帧小图, 则判定为接收超时, 计算控制板的FPGA发送系统开环命令同时报告地面控制板小图接收异常; 第2次数据校验是在小图数据同时发送给DSP1和DSP2后, DSP1和DSP2互发图像标志和帧号, 如果标志或帧号不一致则判定2个DSP收到的不是同一帧图像, DSP1发送系统开环命令同时报告地面控制板帧号不一致错误。

3 实验结果与分析

在实验过程中, 指向计算和控制系统首先闭环, 以保证光轴稳定以及各子望远镜的指向一致性。然后光程差计算与控制系统闭环, 实现各子望远镜0光程差干涉。图 5所示为原理样机的电子学系统实物, 图 6所示为地面控制板对应的地面控制软件界面。

在电子学系统闭环后, 探测相机的帧频为1 953帧/s, 传输带宽达到2.8 Gb/s, 计算延时为0.38 ms, 均满足设计指标要求。图 7和图 8分别是通过地面控制板下传的开环和闭环情况下6 000帧的图像偏移量直方图。其中, Rms(Root mean square)为各窗口对应方向偏移量的均方根值, 单位为pixel。从图 7、图 8可以看出, 在电子学系统开环时, 图像偏移量分布在1.5 pixel的范围内, 闭环后, 分布在0.1 pixel的范围内, 即系统闭环后图像的偏移量大幅减少。从图像偏移量的均方根值可以看出, 在系统开环时, A、B、C 3个探测窗口对应的子望远镜X方向图像偏移量的均方根值分别为0.369 05、0.486 98、0.312 13, Y方向为0.700 7、0.605 48、0.310 58。在系统闭环时, A、B、C窗口的X方向相关计算结果的均方根值分别为0.011 385、0.022 051、0.016 801, Y方向为0.019 575、0.030 687、0.034 732。系统闭环后图像的偏移量仅为系统开环时的5%左右, 表明本文计算与控制系统的闭环控制效果良好。

4 结束语

光学综合孔径原理样机中的计算和控制系统主要实现指向计算与控制、光程差计算与控制等功能。本文根据原理样机对计算和控制系统的性能与功能指标要求, 对系统软硬件进行优化设计, 并在实验室建成的光学综合孔径原理样机上进行开闭环实验, 结果表明, 本文计算和控制系统具有良好的闭环控制性能。下一步将在该系统中引入内嵌ARM与DSP的FPGA, 以实现实时运算与控制。