基于多核架构的遥测图像压缩存储系统的实现
发布时间：2021-11-10 05:49
针对飞行试验中飞行时间受存储容量限制的问题,设计出一种可以实时压缩PCM码图像数据的遥测记录存储器。该记录器采用DSP+ARM+FPGA架构设计,使用H.264算法对图像进行实时压缩,节省存储空间延长飞行时间;选用双口RAM的DSP-FPGA接口,简化布线空间提高传输速度;运用星载大容量NAND FLASH管理方法,解决信息存储失败及故障掉电问题;提出一种裸机与系统编程并存的开发模式,安全可靠并不失灵活。最后通过实验证明,DSP与FPGA的互联接口实现了高达34 MB/s的传输速度,最高兼容272 Mb/s码率;H.264压缩算法应用于遥测采集平台切实可用,对2个多小时的图像数据压缩可以达到88倍的压缩比,即最低延长88倍飞行采集时间。
【文章来源】：火力与指挥控制. 2020,45(09)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【图文】：
DSP-FPGA接口由于本系统需要FPGA实时传递解析后的图像
量、高速率的遥测记录器，赋予飞行器超远距离采集能力。1系统架构问题多核架构领域的发展主要以SOC（SystemonChip，片上系统）为主，其中ARM提供控制处理能力，DSP提供计算能力，FPGA提供并行处理能力［3］，因此，遥测记录器要适应多样化的采集条件，向多核架构转变实属必要。多核架构的开发模式多以linux为主，其开发工作主要集中在平台移植，然而实际遥测环境中存在冲击、震动等恶劣因素，故而选用最合适也最为安全的裸机开发方法，但是裸机开发模式下实现H.264图像压缩算法又将带来新的难题［4］，如图1所示，故本文的重点工作就是解决这些难题并对平台进行优化。图1待解决问题2解决方案2.1接口问题与解决多核SOC最难避免也是最直接的一个问题就是接口问题，包括DSP与ARM的通信问题、FPGA与DSP的接口选择问题等等，前者的最佳解决方案是利用达芬奇架构，采用融合DSP与ARM核的DSP芯片来实现。后者经过多年的发展，解决方案根据不同的情形有多种的选择，如图2所示。图2DSP-FPGA接口由于本系统需要FPGA实时传递解析后的图像数据，数据量较大，所以接口选择EMIF（ExternalMemoryInterface），并采用异步传输模式。FPGA端编写一个双口RAM作为DSP的外部SRAM，流程如图3所示。图3接口操作流程·136·1662
图4存储选型在传统的坏块管理方案中，块属性信息仅在每块的空余区和存储控制CPU的缓存中记录，当NANDFLASH达到最大使用寿命而出现坏块时，继续对坏块操作无法保证数据的准确性与安全性。CPU缓冲中数据掉电丢失，再次上电还需扫描空余区重建块属性信息。因此，用空余区标记的方式对使用坏块进行标记可能出现标记失败，无法正确识别坏块。所以本文采用一种应用于星载存储器的独立存储坏块信息的方式［6］，在NAND中构建一块坏块信息管理专属区，主要解决信息存储失败或故障掉电引起的坏块信息更新不完全问题。图5NAND管理流程图2.3软件设计与实现遥测采集作业中，除了对硬件系统要求必须达到工业级别外，对软件的设计也有一定的限制：遥测记录器无法与地面基站实时通信，采集过程中不允许发生类似windows系统的未响应错误，所以软件编程必须严谨有效，采用循环加中断的裸机开发。而相对地面上传则没有太多要求，可以搭建linux系统来进行传输，因为其不仅能提供完善的网络层传输协议，而且附带的测试工具以及调试模式都会加快系统的开发周期［7］。图6软件分区图裸机模式下的H264编码存储是本系统的关键工作，本文软件编写在windows系统下的CCS3.3中完成，通过XDS560PLUS仿真器实时调试，编程端分为C6400PLUS_0子端编程和ARM926_0子端编程［8］。ARM与DSP共享4G内存空间（有部分内存属于各自独有），双核通信通过达芬奇特有的中断结构进行：首先把数据放在两方能够访问的内存上，然后给对方一个中断，对方在中断中接收传递过来的数据，传递过程等待用函数wait_XXX_sync（）实现。本文重点实现H264算法裸机编程，所以对ARM启动流程不作详细解释，其启动流程需要注意的有：1）上电启动模式不能选择NANDFLAS
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞行试验信息化管理系统设计与实现[J]. 徐茜. 计算机测量与控制. 2019(04)
[2]基于ARM-Linux平台的USB数据存储设计与实现[J]. 焦新泉,袁小康,储成群. 现代电子技术. 2019(06)
[3]基于高速eMMC阵列的视频存储系统设计[J]. 丁红晖,马游春,张衡,顾泽凌,杨明远,吴正洋. 仪表技术与传感器. 2019(01)
[4]基于Davinci技术视频监控系统的设计与实现[J]. 张亚昕. 工业仪表与自动化装置. 2018(01)
[5]嵌入式Nor Flash数据安全存储系统设计[J]. 方彬浩. 计算机产品与流通. 2018(02)
[6]一种高可靠星载大容量存储器的坏块表存储方案设计[J]. 李姗,宋琪,朱岩,安军社. 微电子学与计算机. 2016(04)
[7]基于DSP的H264数字视频服务器设计[J]. 刘旭,葛军. 电子技术. 2014(11)
[8]基于TMS320DM6446的X264编码器的移植和优化[J]. 郭昕,苏寒松. 电子器件. 2012(04)
硕士论文
[1]基于异构SoC的无人船自主导航系统设计[D]. 冉文.海南大学 2018
本文编号：3486703
【文章来源】：火力与指挥控制. 2020,45(09)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【图文】：
DSP-FPGA接口由于本系统需要FPGA实时传递解析后的图像
量、高速率的遥测记录器，赋予飞行器超远距离采集能力。1系统架构问题多核架构领域的发展主要以SOC（SystemonChip，片上系统）为主，其中ARM提供控制处理能力，DSP提供计算能力，FPGA提供并行处理能力［3］，因此，遥测记录器要适应多样化的采集条件，向多核架构转变实属必要。多核架构的开发模式多以linux为主，其开发工作主要集中在平台移植，然而实际遥测环境中存在冲击、震动等恶劣因素，故而选用最合适也最为安全的裸机开发方法，但是裸机开发模式下实现H.264图像压缩算法又将带来新的难题［4］，如图1所示，故本文的重点工作就是解决这些难题并对平台进行优化。图1待解决问题2解决方案2.1接口问题与解决多核SOC最难避免也是最直接的一个问题就是接口问题，包括DSP与ARM的通信问题、FPGA与DSP的接口选择问题等等，前者的最佳解决方案是利用达芬奇架构，采用融合DSP与ARM核的DSP芯片来实现。后者经过多年的发展，解决方案根据不同的情形有多种的选择，如图2所示。图2DSP-FPGA接口由于本系统需要FPGA实时传递解析后的图像数据，数据量较大，所以接口选择EMIF（ExternalMemoryInterface），并采用异步传输模式。FPGA端编写一个双口RAM作为DSP的外部SRAM，流程如图3所示。图3接口操作流程·136·1662
图4存储选型在传统的坏块管理方案中，块属性信息仅在每块的空余区和存储控制CPU的缓存中记录，当NANDFLASH达到最大使用寿命而出现坏块时，继续对坏块操作无法保证数据的准确性与安全性。CPU缓冲中数据掉电丢失，再次上电还需扫描空余区重建块属性信息。因此，用空余区标记的方式对使用坏块进行标记可能出现标记失败，无法正确识别坏块。所以本文采用一种应用于星载存储器的独立存储坏块信息的方式［6］，在NAND中构建一块坏块信息管理专属区，主要解决信息存储失败或故障掉电引起的坏块信息更新不完全问题。图5NAND管理流程图2.3软件设计与实现遥测采集作业中，除了对硬件系统要求必须达到工业级别外，对软件的设计也有一定的限制：遥测记录器无法与地面基站实时通信，采集过程中不允许发生类似windows系统的未响应错误，所以软件编程必须严谨有效，采用循环加中断的裸机开发。而相对地面上传则没有太多要求，可以搭建linux系统来进行传输，因为其不仅能提供完善的网络层传输协议，而且附带的测试工具以及调试模式都会加快系统的开发周期［7］。图6软件分区图裸机模式下的H264编码存储是本系统的关键工作，本文软件编写在windows系统下的CCS3.3中完成，通过XDS560PLUS仿真器实时调试，编程端分为C6400PLUS_0子端编程和ARM926_0子端编程［8］。ARM与DSP共享4G内存空间（有部分内存属于各自独有），双核通信通过达芬奇特有的中断结构进行：首先把数据放在两方能够访问的内存上，然后给对方一个中断，对方在中断中接收传递过来的数据，传递过程等待用函数wait_XXX_sync（）实现。本文重点实现H264算法裸机编程，所以对ARM启动流程不作详细解释，其启动流程需要注意的有：1）上电启动模式不能选择NANDFLAS
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞行试验信息化管理系统设计与实现[J]. 徐茜. 计算机测量与控制. 2019(04)
[2]基于ARM-Linux平台的USB数据存储设计与实现[J]. 焦新泉,袁小康,储成群. 现代电子技术. 2019(06)
[3]基于高速eMMC阵列的视频存储系统设计[J]. 丁红晖,马游春,张衡,顾泽凌,杨明远,吴正洋. 仪表技术与传感器. 2019(01)
[4]基于Davinci技术视频监控系统的设计与实现[J]. 张亚昕. 工业仪表与自动化装置. 2018(01)
[5]嵌入式Nor Flash数据安全存储系统设计[J]. 方彬浩. 计算机产品与流通. 2018(02)
[6]一种高可靠星载大容量存储器的坏块表存储方案设计[J]. 李姗,宋琪,朱岩,安军社. 微电子学与计算机. 2016(04)
[7]基于DSP的H264数字视频服务器设计[J]. 刘旭,葛军. 电子技术. 2014(11)
[8]基于TMS320DM6446的X264编码器的移植和优化[J]. 郭昕,苏寒松. 电子器件. 2012(04)
硕士论文
[1]基于异构SoC的无人船自主导航系统设计[D]. 冉文.海南大学 2018
本文编号：3486703
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