基于NiosⅡ的遥测图像数据采集转发系统的设计
摘要
随着遥测遥感采集技术的迅速发展，大批量采集数据的有效传输已经成为当前无线遥测领域研究的热点问题。本文设计了一种基于NiosⅡ嵌入式处理器的遥测图像数据采集转发系统，实现了高速遥测图像数据的实时接收存储和有效转发。
本文是在航天某项目“遥测图像采集转发装置”的支持下，围绕遥测图像采集系统中图像数据的传输、接收、存储和转发展开研究。综合基于FPGA的SOPC技术的发展现状，提出了采用嵌入式处理器NiosⅡ作为主控制器的系统设计方案。研究了LVDS高速数据传输和PCM数据转发接口的通信情况，实现了遥测图像的实时接收和连续转发。结合实际数据存储应用要求，研究了大容量高速PSRAM的存储特点，采用了并行位宽扩展的数据存储方式，实现了高速图像数据的大容量缓存。在系统核心逻辑设计中采用了SOPC技术的NiosⅡ处理器作为整个系统的主控制器，负责系统遥测图像数据的处理。通过了解SOPC技术的发展现状，详细研究了嵌入式处理器NiosⅡ的框架结构，在分析了Avalon总线接口规范的基础上，完成了SRAM控制接口的自定义实现。系统按功能组成采用了模块化的设计思想，数据接收模块负责接收LVDS数据，嵌入式处理器NiosⅡ负责整个系统的数据处理和控制，数据转发模块负责PCM数据转发。
本系统针对LVDS数据传输，PSRAM数据缓存和基于FPGA的嵌入式系统控制进行了详细的讨论，给出了系统测试的流程，成功的完成了遥测数据的接收、存储和转发功能。测试结果表明系统工作稳定，性能可靠，具有一定的实用性。
With the rapid development of telemetry acquisition technology, the effectivetransmission of mass-data have become the hot topic in current wireless telemetry researcharea. This paper has designed a telemetry image data acquisition and transmission systembased on the embedded processor NiosⅡ, which could receive the telemetry image data inreal time and retransmit it effectively.
The paper research the transmission, receiving, storing and retransmission of the dataacquired from the telemetry image acquisition system, which is supported by an astronauticproject of the telemetry image gathering device. It proposes a plan that the design uses theembedded processor of NiosⅡas main controller, and it is based on the development ofSOPC technology of FPGA. We have studied the high-speed data transmission of LVDS andthe communication of digital interface for PCM, and achieved to receive telemetry imagedata in real time and retransmit it continuously. According to the actual requirements of datastorage, we have studied the large-capacity and high-speed storage characteristic of PSRAM.In the design, in order to achieve the purpose of high speed image data cache, we apply theparallel bit wide extended of data storage mode. As the main controller, NiosⅡis used toprocess telemetry image data in the system logic design. We have studied the structure ofNiosⅡprocessor according to the present development of SOPC and achieved to definecontrol interface of SRAM on the basis of analyzing the Avalon bus interface. The designhave applied modular concept that the receiving module used to receive data from LVDS,NiosⅡis used for the data processing and controlling of the whole system, and theretransmission module is used to retransmit PCM data.
The paper have discussed the LVDS data transmission, PSRAM data cache andembedded system based on FPGA in detail, and achieved to receive, store and retransmit thetelemetry data. The procedure of system test has given in the paper, and the test results showthat the system is stable, reliable and practical in some way.
本文是在航天某项目“遥测图像采集转发装置”的支持下，围绕遥测图像采集系统中图像数据的传输、接收、存储和转发展开研究。综合基于FPGA的SOPC技术的发展现状，提出了采用嵌入式处理器NiosⅡ作为主控制器的系统设计方案。研究了LVDS高速数据传输和PCM数据转发接口的通信情况，实现了遥测图像的实时接收和连续转发。结合实际数据存储应用要求，研究了大容量高速PSRAM的存储特点，采用了并行位宽扩展的数据存储方式，实现了高速图像数据的大容量缓存。在系统核心逻辑设计中采用了SOPC技术的NiosⅡ处理器作为整个系统的主控制器，负责系统遥测图像数据的处理。通过了解SOPC技术的发展现状，详细研究了嵌入式处理器NiosⅡ的框架结构，在分析了Avalon总线接口规范的基础上，完成了SRAM控制接口的自定义实现。系统按功能组成采用了模块化的设计思想，数据接收模块负责接收LVDS数据，嵌入式处理器NiosⅡ负责整个系统的数据处理和控制，数据转发模块负责PCM数据转发。
本系统针对LVDS数据传输，PSRAM数据缓存和基于FPGA的嵌入式系统控制进行了详细的讨论，给出了系统测试的流程，成功的完成了遥测数据的接收、存储和转发功能。测试结果表明系统工作稳定，性能可靠，具有一定的实用性。
With the rapid development of telemetry acquisition technology, the effectivetransmission of mass-data have become the hot topic in current wireless telemetry researcharea. This paper has designed a telemetry image data acquisition and transmission systembased on the embedded processor NiosⅡ, which could receive the telemetry image data inreal time and retransmit it effectively.
The paper research the transmission, receiving, storing and retransmission of the dataacquired from the telemetry image acquisition system, which is supported by an astronauticproject of the telemetry image gathering device. It proposes a plan that the design uses theembedded processor of NiosⅡas main controller, and it is based on the development ofSOPC technology of FPGA. We have studied the high-speed data transmission of LVDS andthe communication of digital interface for PCM, and achieved to receive telemetry imagedata in real time and retransmit it continuously. According to the actual requirements of datastorage, we have studied the large-capacity and high-speed storage characteristic of PSRAM.In the design, in order to achieve the purpose of high speed image data cache, we apply theparallel bit wide extended of data storage mode. As the main controller, NiosⅡis used toprocess telemetry image data in the system logic design. We have studied the structure ofNiosⅡprocessor according to the present development of SOPC and achieved to definecontrol interface of SRAM on the basis of analyzing the Avalon bus interface. The designhave applied modular concept that the receiving module used to receive data from LVDS,NiosⅡis used for the data processing and controlling of the whole system, and theretransmission module is used to retransmit PCM data.
The paper have discussed the LVDS data transmission, PSRAM data cache andembedded system based on FPGA in detail, and achieved to receive, store and retransmit thetelemetry data. The procedure of system test has given in the paper, and the test results showthat the system is stable, reliable and practical in some way.
引文
[1]王玉峰.基于SOPC的图像采集处理系统设计[D].吉林:东北电力大学,2008.
[2]陈志星.基于NiosⅡ的视频采集系统设计[D].武汉:武汉理工大学,2010.
[3]张家玮.基于FPGA软核处理器NiosⅡ的高精度时间间隔测量仪[D].天津:天津工业大学,2008.
[4]喻正宁.基于NiosⅡ的通用信号源的SOPC设计与实现[D].长春:长春理工大学,2008.
[5]Robert Cottrell. A high-performance Datapath Interface for SOPC Designs [J].Electronic engineering, 2002,74(908).
[6]张晓亮.基于SOPC以太网技术的研究与实现[D].大连:大连理工大学,2007.
[7] Chu, Pong P. Embedded Sopc System with Altera NiosⅡProcessor and VerilogExamples [M]. USA: Baker & Taylor Books. 2012.
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[10]宋延昭.嵌入式操作系统介绍及选型原则[J].工业控制计算机.2005(7):41-42.
[11]李泽球.嵌入式操作系统微内核体系结构的研究与设计[D].桂林:桂林理工大学,2011.
[12]刘军.基于嵌入式系统的运动目标跟踪视频监控系统的设计研究[D].山东:山东大学,2011.
[13]葛保建.基于SOPC的软硬件协同设计平台的研究与实现[D].武汉:武汉科技大学,2008.
[14]余红娟等.FPGA技术的应用与发展[J].杭州电子科技大学学报.2006(3):17-19.
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[16]唐如鸿.基于NiosⅡ软核CPU嵌入式消息转发系统的设计与实现[D].成都:西南交通大学,2006.
[17]潘曦.基于SOPC的数字视频信号加密系统设计[D].南京:南京航空航天大学,2007.
[18]张学森等.NiosⅡ处理器在雷达信号处理中的应用[J].舰船电子工程.2007(4):126-128.
[19]元泽怀等.基于硬件抽象层HAL的NiosⅡ嵌入式处理器系统设备管理模式研究[J].现代电子技术.2007(2):87-89.
[20]郭之光.LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）设计及应用[D].西安:西安电子科技大学,2007.
[21]刘小华.LVDS环网总线设计及其在雷达信号处理器测试台中的应用[D].太原:中北大学,2008.
[22]赵璟.LVDS四通道CMOS差分线接收器的设计[D].西安:西安电子科技大学, 2009.
[23]陈昱同.基于LVDS的高速远程测试系统设计[D].太原:中北大学,2008.
[24]谭炜锋.高速LVDS发送器设计[D].成都:电子科技大学,2009.
[25]童子权等.LVDS传输技术在高速数据采集系统中的应用[J].国外电子测量技术.2009,28(2):59-61.
[26] The Datasheet of MAX9217.
[27] The Datasheet of MAX9218.
[28]王立恒.遥测设备通用测试台中长线传输模块的设计与实现[D].太原:中北大学,2009.
[29]王刚,张潋.基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计与典型实例[M].北京:电子工业出版社,2009.
[30] Altera Corporation. QuartusⅡVersion 8.0 Handbook.
[31] Altera Corporation. SOPC Builder User Guide.
[32] Altera Corporation. NiosⅡSofeware Developer’s Handbook.
[33]孙文中.基于SOPC技术的工业相机设计[D].天津:天津理工大学,2010.
[34] Altera Corporation. NiosⅡHardware Development Tutoria.
[35]王晓光.基于FPGA的逻辑综合方法的研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2008.
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[37] The Datasheet of RMP216MAAF.
[38] Altera Corporation. Avalon Bus Specification Reference Manual.
[39] Altera Corporation. Avalon Interface Specifications.
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