基于FPGA的航天相机控制器接口的设计

    1 引言

    航天相机是航天遥感技术中最重要的遥感设备之一。航天遥感技术是一项应用广泛的高科技，它具有可重复覆盖、连续观测、视点高、视域广、获取数据快的特点。近些年来，航天遥感技术的应用范围不断扩大，广泛应用于气象预报、资源管理、农业调查、环境监测以及军事照相侦查等诸多领域。

    在航天相机的主体结构中，相机控制器负责相机功能控制和运行管理，是其重要的组成部分。本文介绍的相机控制器整体采用 FPGA+DSP 结构，这种结构将 DSP 和 FPGA 两者的优点有机的结合在一起，兼顾了速度和灵活，完全符合航天相机中数据量大，对处理速度要求高的信号处理要求。在整个系统中FPGA 相当于 DSP 的宏功能协处理器，用以实现相机控制器与外围设备的接口。本文介绍了一种基于 FPGA 的控制器外围接口的设计方案。

    2 控制器系统的构成与功能

    2.1 控制器系统的构成：

    控制器整体系统主要由 DSP 和 FPGA 组成，另外还包括一些外围的辅助电路，如存储器以及 FLASH ROM 等，系统结构框图如图 1 所示。

    其中 FPGA 选用 Xilinx 公司的 Virtex 系列器件 XCV300，该芯片有丰富的可配置逻辑模块 CLBS、大量的触发器以及内的不占系统资源的块 RAM。系统最大工作频率可达200MHz，兼容多种接口标准，且有相应的航天级产品。是目前市场上为数不多的能达到此项要求的高性能可编程逻辑器件。FLASH 型存储器 MMFL64002 作为程序存储器。

    DSP 选用 TI 公司的 TMS320VC541，这是一款 16bit 定点高性能 DSP，它采用先进的哈佛结构和 8 条总线，速率最高达160MYs。DSP 处理器采用外部总线接口方式访问 FPGA，即共享数据总线、地址总线及控制总线，当输入信号进入 FPGA 时，FPGA 对地址总线进行译码，然后选择内部寄存器，同时通过三态门进行数据总线隔离，借助控制总线写入或读取寄存器内容。

    2.2 控制器的主要功能

    相机控制器作为航天相机电子学子系统的一个独立的控制单元，主要有以下两个功能：

    1. 通过一条 RS422 总线与卫星数据管理计算机连接，接收来自卫星数据管理计算机注入的指令和参数，并根据卫星轨道参数、姿态参数计算像移速度矢量和偏流角参数，同时，返回表征相机工作状态的遥测参数；

    2. 通过 RS422 总线向 CCD 成像单元和主动热控单元发送控制指令和参数，同时，接收 CCD 成像单元和主动热控单元的工程参数。