基于TMS320C6701的星敏感器电路系统的设计

摘  要：介绍了TMS320C6701芯片的主要功能特点及内部结构，建立了以DSP为核心的星敏感器信息处理电路系统，并在此系统中成功实现了快速的全天球星图识别。实验结果表明，在不降低星图识别率的条件下，该算法在本系统中的运行速度为0.47s，比基于RISC的星敏感器数据处理单元的速度提高近一倍。
关键词：DSP；TMS320C6701；星敏感器；星图识别

    星敏感器是天文导航系统的主要设备，它是集光学、机械、电子、实时图像处理技术于一体的仪器。它通过图像传感器获取星体的图像信息，然后对图像信息进行实时处理，处理过程包括星体质心定位、星图识别匹配、快速跟踪和精确姿态求解，最后输出当前空间飞行器的姿态信息。
美国加州理工大学的JPL实验室是最早从事星敏感器的开发研制工作的，为减小星敏感器硬件电路的功耗，其运算电路系统主要由RISC芯片构成，用以实现星体定位及星图识别算法等。目前星敏感器实时工作的瓶颈在于怎样提高速度。由于星图识别算法占整体星敏感器数据处理的大部分时间，因此需要在软件上应用识别率高同时算法简单的星图识别程序，同时硬件结构上采用更为先进的技术。星图识别程序包括了三角函数的计算，矩阵的转换等乘法执行指令，乘法执行速度越快就代表着识别程序能够在更短的时间内完成。DSP的专用硬件乘法器可以大大的提高运算的速度。本文正是以星敏感器的这一需求为出发点，采用了频率高、处理速度快的浮点DSP芯片TMS320C6701作为星敏感器的核心处理器，实现了以径向和环向分布为特征的星图识别算法。

1 电路系统设计
    用于星图识别算法的星敏感器DSP系统以C6701为核心，在其外围加上存储器模块、JTAG接口模块、RS232串口模块、FIFO接口模块、电源模块等，实现计算、通讯等功能。系统总体框图如图1所示。
 
图 1 DSP星敏感器系统框图
1.1  TMS320C6701的内部结构
   在星敏感器系统中，我们采用TMS320C6701作为主要处理部件。C6701是TI公司推出的TMS320C6000系列中的一款支持浮点运算的高速DSP 芯片，它采用超长指令字(VLIW) 体系结构。在CPU时钟频率为167MHz时，其运算能力最高为1336 MIPS，浮点运算能力最高为1 G FLOPS。它有4个相互独立的可编程DMA通道，可独立于CPU进行工作，以CPU时钟速率进行数据吞吐。
1.2  外部存储器
    DSP硬件系统外部存储器包括满足大容量数据缓存需求的同步动态RAM，以及存储所有系统软件保证系统脱离PC机独立工作的FLASH芯片。
1.2.2  EMIF与SDRAM的接口
    C6701片内有64kBytes的数据存储器和64kBytes的程序存储器，而用于星图识别的程序需要66kBytes的存储空间，全天球星库需要962kBytes的存储空间，C6701的片内存储器不能满足星敏感器的需要，因此电路系统扩展了大容量的SDRAM以存放星库以及程序。
    基于以上需求，采用1片MT48LC4M32B2 –1 Meg x 32 x 4banks SDRAM映射到CE0外部存储空间。MICRON的MT48LC4M32B2-7是86-pin TSOP（400 mil）的CMOS同步DRAM，最高工作频率（处理速度）为143Mhz（7ns）。DRAM设备始终时钟控制在CPU时钟速率的一半，即当CPU芯片以OSC×4运行时，SDRAM以66.67Mhz（15ns）运行。
1.2.2  EMIF与FLASH的接口
    在基于C6701的应用程序的开发中，程序代码或数据表是要保存在FLASH或其它非易失存储器中，以保证掉电时代码仍在，程序在加电复位后自动运行。C6701的EMIF通过异步接口可以支持8位、16位和32位FLASH配置。要实现TI TMS320C6201/ C6701的外部ROM自举，“8/16bit ROM/FLASH存储器”必须配置在CE1空间。本系统使用的Flash芯片AT49BV1614A是一种存储量1M×16或2M×8的闪速存储器，存取时间70ns，能够电擦除，并能在大多数标准的微处理器总线上通过特殊的编码命令序列编程。
1.3  扩展接口
    系统还嵌入了FIFO扩展接口以及串口通讯模块。通过FIFO接口与FPGA连接，获得数据进入DSP进行处理。通过RS232接收发送器，方便的实现DSP与计算机的串行通讯，将全天球星图识别计算结果传回PC机显示。
1.3.1  串行接口
    TMS320C6701的多通道缓冲串口McBSP是同步串口，而计算机的串行口RS232是异步串口，中间就要考虑到同步串口转异步接口，以及电平转换的问题。将McBSP转换成UART，再进行电平转换，就可以与RS232直接进行通信。
    MAX3111E是一个集成SPI/微细线兼容接口的UART和±15kv放电保护RS232收发器为一体的芯片。使McBSP工作在SPI模式下【3】， MAX3111E来完成McBSP和RS232之间的通信。
1.3.2  FIFO接口
    通过C6701的外部存储器接口实现高速外部先入先出（FIFO）存储器与DSP的接口，来保证外部设备FPGA传输数据到DSP进行处理。
 

2 系统软件设计
    星图识别算法的程序是用C语言实现的，主要有星图识别程序，以及一些辅助程序。基于所用的TMS320C6701芯片，我们编写了一些硬件驱动程序，例如FLASH烧写及BOOTLOADER程序等。
2.1  星图识别算法
    本文采用了基于径向和环向分布特征的全天球星图识别方法【4】。它的基本思想为：利用径向分布特征作为初始匹配，利用环向分布特征进行精确匹配。
   
 

图 2 径向分布特征

    以主星S为中心，如图所示将圆周等分成8份，计算其他伴星在圆周上的分布，组成一个8位的向量V（<11000100>）。将V作循环移位，找出V所组成的数（十进制）的最大值，将这个最大值作为S的环向分布特征。如图所示V移位后仍然保持不变，则环向特征向量 ＝11000100＝196。

 
图 3 环向分布特征

    事先构造全天球导航星库的模式库。使用时获得星图后，计算该星图中某颗星的模式，通过比较导航星库中的星模式，找到最匹配的星，完成全天球星图识别的过程，从而确定飞行器的位置。DSP经过串口模块，将计算结果传递给PC机显示，可以比较DSP与PC机的处理结果。
2.2 BOOT过程的实现
    TMS320C6701器件可以设置成三种自举方式，分别为（1）无自举；（2）ROM自举；（3）主机自举。
    系统加电后，RESET信号为低，芯片复位。在RESET信号上升沿处，锁存BOOTMODE[4:0]信号，借以决定芯片的存储器映射方式、地址0处的存储器类型以及复位后芯片的自举模式，复位结束后，芯片从存储器的0地址开始执行指令。TMS320C6701芯片有专门的BOOTMODE[4:0]管脚决定芯片的各种设置。本系统中BOOTMODE[4:0]管脚设置成[10101]，芯片在复位后自动将位于外部CE1空间ROM中的程序通过DMA搬入地址0处，传输完成后，CPU退出复位状态，开始执行地址0处的指令，程序启动。

3 实验结果
    本文以星敏感器的视场FOV为12°×12°的视场、敏感星等为6等为例，编程测试以上提到的算法。
测试结果表明，基于DSP的硬件系统以及基于RISC的硬件系统的识别结果及识别率一致。DSP系统平均识别时间约为0.47s，RISC系统平均识别时间约为0.805s，大大提高了星敏感器的实时性。

4 结论
    本文首先介绍了星敏感器运算及控制的核心——DSP处理器的结构及特点，然后利用高速浮点芯片TMS320C6701搭建硬件系统，完成了基于DSP的星敏感器运算电路系统。接着分析了以径向和环向分布为特征的快速星图识别算法和BOOT过程实现的软件程序。最后仿真验证表明，该系统可以很好的完成星图识别任务，同时系统平均识别时间达到为0.47s，处理速度相比RISC数据处理单元提高了近一倍。

参  考  文  献
[1] 王念旭等. DSP基础与应用系统设计. 北京航空航天大学出版社,2002.
[2] TMS320C6000 EMIF-to-External SDRAM Interface. US: TI Company,2001.
[3] TMS320C6000 McBSP Interface to SPI ROM. US: TI Company,2001.
[4] 魏新国,张广军,江洁,“利用径向和环向分布特征的星图识别方法”,光电工程,2004年,第8期.