基于Zynq-7000的星图识别系统的设计与实现

发布时间：2017-04-09 14:12

  本文关键词：基于Zynq-7000的星图识别系统的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：星敏感器是一种高精度高姿态的天文观测相机。从传统的CCD星敏感器到目前流行的CMOS星敏感器,它们作为导航定姿的重要部件,在航空、航天飞行器的姿态测量和控制系统中发挥着关键作用。星图识别是天文定位的基础,星图识别的完成可以得到一定数量恒星的CCD平面坐标,以及对应的天球坐标,可以建立两个坐标系之间的传递函数,从而确定目标的天文位置。本文着重于研究星敏感器在Zynq-7000平台的设计与实现,构建了新型的星图识别系统。和以往的DSP+FPGA架构的星图识别系统相比,本系统体积小,效率高,设计新颖,扩展性强,为以后的星图识别系统开发奠定了基础。根据Zynq-7000SoC平台的特点,利用软硬件协同设计的方法,在Vivado2015.2+SDK开发环境下进行系统的开发。使用ARM控制整个系统运行,将星图的预处理部分放在PL部分实现,预处理完成以后PL通过AHB总线将可疑星点的行坐标、列坐标和灰度值发送给PS,最后PS再将星点信息发送给上位机进行显示。另外,本系统通过1553B总线建立起上位机和Zynq-7000的通信桥梁,一方面上位机可以通过发送指令实现对Zynq-7000的控制,另一方面它还可以读取星图识别的结果。另外,上位机可以通过1553B总线将程序代码上传到Zynq-7000的DDR3 SDRAM中,再通过下发烧写指令实现程序的烧写和引导。本文主要研究实现了以下内容:1)针对传统的DSP+FPGA架构的星图识别系统推陈出新,提出了基于Zynq-7000平台的星图识别系统,解决了传统星图识别系统体积大,功耗大,扩展性差等问题;2)PL部分实现单点去噪和高斯滤波预处理算法,PS部分实现连通域分析,灰度质心计算等星图识别处理算法,解决以往星图识别系统处理效率低的问题;3)利用AXI-HP高性能总线将PL部分预处理后的图像数据通过AXI DMA软核直接传送到DDR3 SDRAM中,解决了FPGA内部存储器资源不足的问题;4)采用AHB内部总线搭建PS与PL通信桥梁,解决了以往FPGA和DSP之间通信存在的接口复杂,协议复杂的问题;5)上位机与星敏感器通过1553总线进行通信,实现了程序的在线更新和烧写功能,解决了传统DSP程序烧写麻烦的问题;
【关键词】：星图识别 Zynq-7000 PL PS 1553B
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.22;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 课题相关技术及发展现状10-14
• 1.2.1 星图识别发展和现状10-11
• 1.2.2 星敏感器相关技术11-12
• 1.2.3 嵌入式处理器技术12-13
• 1.2.4 星敏感器发展及研究现状13-14
• 1.3 本论文的组织结构14-15
• 第2章 Zynq-7000平台简介和星图识别理论基础15-23
• 2.1 Zynq-7000主要特点15-17
• 2.1.1 Zynq-7000片上系统15-16
• 2.1.2 Zynq-7000体系结构16-17
• 2.1.3 Zynq-7000片上资源17
• 2.2 Zynq-7000软硬件协同开发流程17-19
• 2.3 星图识别算法理论基础19-21
• 2.3.1 星图数学模型19
• 2.3.2 旋转变换模型19-21
• 2.4 星图的噪声处理和检测21-22
• 2.4.1 高斯去噪21
• 2.4.2 连通域分析21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 系统总体设计方案23-33
• 3.1 系统总体结构与流程23-26
• 3.2 系统硬件方案26-32
• 3.2.1 方案框图26-27
• 3.2.2 主要器件选型27-31
• 3.2.3 柔性板创新工艺31-32
• 3.3 本章小结32-33
• 第4章 星图采集设计与实现33-55
• 4.1 PL部分资源介绍33-34
• 4.2 AXI总线介绍及PS-PL接口34-38
• 4.2.1 AXI总线互联和读写时序34-36
• 4.2.2 PS-PL互联简介36-38
• 4.3 星图采集在PL端的实现38-50
• 4.3.1 高速图像数据传输38-40
• 4.3.2 1553B通讯功能设计40-44
• 4.3.3 搭建PS访问PL通信桥梁44-45
• 4.3.4 星图采集实现45-48
• 4.3.5 Camera Link成像48-49
• 4.3.6 SSC时钟同步49-50
• 4.4 星图识别预处理算法50-53
• 4.4.1 单点去噪算法50-51
• 4.4.2 高斯滤波算法51-53
• 4.5 本章小结53-55
• 第5章 星图识别设计与实现55-67
• 5.1 PS部分资源介绍55
• 5.2 星图识别软件设计55-62
• 5.2.1 高速数据流通道管理者-AXI DMA56-57
• 5.2.2 上位机与Zynq-7000的通信纽带57-58
• 5.2.3 配置APS传感器58-60
• 5.2.4 星图识别辅助接口60-62
• 5.3 图像识别过程62-64
• 5.4 1553B在线程序更新和固化64-66
• 5.5 本章小结66-67
• 第6章 系统测试67-75
• 6.1 PS-PL通信仿真测试67
• 6.2 配置传感器测试67-69
• 6.3 AXI DMA数据传输测试69-71
• 6.4 AXI EMC通信测试71-73
• 6.5 系统整体测试73-74
• 6.6 本章小结74-75
• 结论75-77
• 参考文献77-79
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文79-81
• 致谢81

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1 印琪骏;基于ZYNQ-7000全可编程平台的多串口控制器设计[D];云南大学;2016年

2 赵树新;基于Zynq-7000的星图识别系统的设计与实现[D];北京工业大学;2016年

3 焦再强;基于Zynq-7000的嵌入式数字图像处理系统设计与实现[D];太原理工大学;2015年

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本文编号：295427