基于TMS320C6701的星敏感器電路系統的設計

摘 要：介紹了TMS320C6701芯片的主要功能特點(diǎn)及內部結構，建立了以DSP為核心的星敏感器信息處理電路系統，并在此系統中成功實(shí)現了快速的全天球星圖識別。實(shí)驗結果表明，在不降低星圖識別率的條件下，該算法在本系統中的運行速度為0.47s，比基于RISC的星敏感器數據處理單元的速度提高近一倍。
關(guān)鍵詞：DSP；TMS320C6701；星敏感器；星圖識別

星敏感器是天文導航系統的主要設備，它是集光學(xué)、機械、電子、實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)于一體的儀器。它通過(guò)圖像傳感器獲取星體的圖像信息，然后對圖像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，處理過(guò)程包括星體質(zhì)心定位、星圖識別匹配、快速跟蹤和精確姿態(tài)求解，最后輸出當前空間飛行器的姿態(tài)信息。
美國加州理工大學(xué)的JPL實(shí)驗室是最早從事星敏感器的開(kāi)發(fā)研制工作的，為減小星敏感器硬件電路的功耗，其運算電路系統主要由RISC芯片構成，用以實(shí)現星體定位及星圖識別算法等。目前星敏感器實(shí)時(shí)工作的瓶頸在于怎樣提高速度。由于星圖識別算法占整體星敏感器數據處理的大部分時(shí)間，因此需要在軟件上應用識別率高同時(shí)算法簡(jiǎn)單的星圖識別程序，同時(shí)硬件結構上采用更為先進(jìn)的技術(shù)。星圖識別程序包括了三角函數的計算，矩陣的轉換等乘法執行指令，乘法執行速度越快就代表著(zhù)識別程序能夠在更短的時(shí)間內完成。DSP的專(zhuān)用硬件乘法器可以大大的提高運算的速度。本文正是以星敏感器的這一需求為出發(fā)點(diǎn)，采用了頻率高、處理速度快的浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C6701作為星敏感器的核心處理器，實(shí)現了以徑向和環(huán)向分布為特征的星圖識別算法。

1 電路系統設計
用于星圖識別算法的星敏感器DSP系統以C6701為核心，在其外圍加上存儲器模塊、JTAG接口模塊、RS232串口模塊、FIFO接口模塊、電源模塊等，實(shí)現計算、通訊等功能。系統總體框圖如圖1所示。

圖 1 DSP星敏感器系統框圖
1.1 TMS320C6701的內部結構
在星敏感器系統中，我們采用TMS320C6701作為主要處理部件。C6701是TI公司推出的TMS320C6000系列中的一款支持浮點(diǎn)運算的高速DSP 芯片，它采用超長(cháng)指令字(VLIW) 體系結構。在CPU時(shí)鐘頻率為167MHz時(shí)，其運算能力最高為1336 MIPS，浮點(diǎn)運算能力最高為1 G FLOPS。它有4個(gè)相互獨立的可編程DMA通道，可獨立于CPU進(jìn)行工作，以CPU時(shí)鐘速率進(jìn)行數據吞吐。
1.2 外部存儲器
DSP硬件系統外部存儲器包括滿(mǎn)足大容量數據緩存需求的同步動(dòng)態(tài)RAM，以及存儲所有系統軟件保證系統脫離PC機獨立工作的FLASH芯片。
1.2.2 EMIF與SDRAM的接口
C6701片內有64kBytes的數據存儲器和64kBytes的程序存儲器，而用于星圖識別的程序需要66kBytes的存儲空間，全天球星庫需要962kBytes的存儲空間，C6701的片內存儲器不能滿(mǎn)足星敏感器的需要，因此電路系統擴展了大容量的SDRAM以存放星庫以及程序。
基于以上需求，采用1片MT48LC4M32B2 C1 Meg x 32 x 4banks SDRAM映射到CE0外部存儲空間。MICRON的MT48LC4M32B2-7是86-pin TSOP（400 mil）的CMOS同步DRAM，最高工作頻率（處理速度）為143Mhz（7ns）。DRAM設備始終時(shí)鐘控制在CPU時(shí)鐘速率的一半，即當CPU芯片以OSC4運行時(shí)，SDRAM以66.67Mhz（15ns）運行。
1.2.2 EMIF與FLASH的接口
在基于C6701的應用程序的開(kāi)發(fā)中，程序代碼或數據表是要保存在FLASH或其它非易失存儲器中，以保證掉電時(shí)代碼仍在，程序在加電復位后自動(dòng)運行。C6701的EMIF通過(guò)異步接口可以支持8位、16位和32位FLASH配置。要實(shí)現TI TMS320C6201/ C6701的外部ROM自舉，“8/16bit ROM/FLASH存儲器”必須配置在CE1空間。本系統使用的Flash芯片AT49BV1614A是一種存儲量1M16或2M8的閃速存儲器，存取時(shí)間70ns，能夠電擦除，并能在大多數標準的微處理器總線(xiàn)上通過(guò)特殊的編碼命令序列編程。
1.3 擴展接口
系統還嵌入了FIFO擴展接口以及串口通訊模塊。通過(guò)FIFO接口與FPGA連接，獲得數據進(jìn)入DSP進(jìn)行處理。通過(guò)RS232接收發(fā)送器，方便的實(shí)現DSP與計算機的串行通訊，將全天球星圖識別計算結果傳回PC機顯示。
1.3.1 串行接口
TMS320C6701的多通道緩沖串口McBSP是同步串口，而計算機的串行口RS232是異步串口，中間就要考慮到同步串口轉異步接口，以及電平轉換的問(wèn)題。將McBSP轉換成UART，再進(jìn)行電平轉換，就可以與RS232直接進(jìn)行通信。
MAX3111E是一個(gè)集成SPI/微細線(xiàn)兼容接口的UART和15kv放電保護RS232收發(fā)器為一體的芯片。使McBSP工作在SPI模式下【3】， MAX3111E來(lái)完成McBSP和RS232之間的通信。
1.3.2 FIFO接口
通過(guò)C6701的外部存儲器接口實(shí)現高速外部先入先出（FIFO）存儲器與DSP的接口，來(lái)保證外部設備FPGA傳輸數據到DSP進(jìn)行處理。

2 系統軟件設計
星圖識別算法的程序是用C語(yǔ)言實(shí)現的，主要有星圖識別程序，以及一些輔助程序?；谒玫腡MS320C6701芯片，我們編寫(xiě)了一些硬件驅動(dòng)程序，例如FLASH燒寫(xiě)及BOOTLOADER程序等。
2.1 星圖識別算法
本文采用了基于徑向和環(huán)向分布特征的全天球星圖識別方法【4】。它的基本思想為：利用徑向分布特征作為初始匹配，利用環(huán)向分布特征進(jìn)行精確匹配。

圖 2 徑向分布特征

以主星S為中心，如圖所示將圓周等分成8份，計算其他伴星在圓周上的分布，組成一個(gè)8位的向量V（11000100>）。將V作循環(huán)移位，找出V所組成的數（十進(jìn)制）的最大值，將這個(gè)最大值作為S的環(huán)向分布特征。如圖所示V移位后仍然保持不變，則環(huán)向特征向量 ＝11000100＝196。

圖 3 環(huán)向分布特征

事先構造全天球導航星庫的模式庫。使用時(shí)獲得星圖后，計算該星圖中某顆星的模式，通過(guò)比較導航星庫中的星模式，找到最匹配的星，完成全天球星圖識別的過(guò)程，從而確定飛行器的位置。DSP經(jīng)過(guò)串口模塊，將計算結果傳遞給PC機顯示，可以比較DSP與PC機的處理結果。
2.2 BOOT過(guò)程的實(shí)現
TMS320C6701器件可以設置成三種自舉方式，分別為（1）無(wú)自舉；（2）ROM自舉；（3）主機自舉。
系統加電后，RESET信號為低，芯片復位。在RESET信號上升沿處，鎖存BOOTMODE[4:0]信號，借以決定芯片的存儲器映射方式、地址0處的存儲器類(lèi)型以及復位后芯片的自舉模式，復位結束后，芯片從存儲器的0地址開(kāi)始執行指令。TMS320C6701芯片有專(zhuān)門(mén)的BOOTMODE[4:0]管腳決定芯片的各種設置。本系統中BOOTMODE[4:0]管腳設置成[10101]，芯片在復位后自動(dòng)將位于外部CE1空間ROM中的程序通過(guò)DMA搬入地址0處，傳輸完成后，CPU退出復位狀態(tài)，開(kāi)始執行地址0處的指令，程序啟動(dòng)。

3 實(shí)驗結果
本文以星敏感器的視場(chǎng)FOV為1212的視場(chǎng)、敏感星等為6等為例，編程測試以上提到的算法。
測試結果表明，基于DSP的硬件系統以及基于RISC的硬件系統的識別結果及識別率一致。DSP系統平均識別時(shí)間約為0.47s，RISC系統平均識別時(shí)間約為0.805s，大大提高了星敏感器的實(shí)時(shí)性。

4 結論
本文首先介紹了星敏感器運算及控制的核心――DSP處理器的結構及特點(diǎn)，然后利用高速浮點(diǎn)芯片TMS320C6701搭建硬件系統，完成了基于DSP的星敏感器運算電路系統。接著(zhù)分析了以徑向和環(huán)向分布為特征的快速星圖識別算法和BOOT過(guò)程實(shí)現的軟件程序。最后仿真驗證表明，該系統可以很好的完成星圖識別任務(wù)，同時(shí)系統平均識別時(shí)間達到為0.47s，處理速度相比RISC數據處理單元提高了近一倍。

參 考 文 獻
[1]王念旭等. DSP基礎與應用系統設計. 北京航空航天大學(xué)出版社,2002.
[2]TMS320C6000 EMIF-to-External SDRAM Interface. US: TI Company,2001.
[3]TMS320C6000 McBSP Interface to SPI ROM. US: TI Company,2001.
[4]魏新國,張廣軍,江潔,“利用徑向和環(huán)向分布特征的星圖識別方法”,光電工程,2004年,第8期.