亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：多通道高速遥感数据采集处理设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数据采集设备，特别是一种用于对航天遥感卫星下行数据 进行多通道采集和实时处理的数据采集设备。
背景技术：
随着国内外航天遥感技术的不断发展，世界各国发射的遥感卫星越来越多，
基带数据码速率也从几百KHz到几百MHz,甚至达到GHz级。另外根据国家 和应用的不同，卫星的数据格式也各不相同。这样，就要求遥感卫星下行数据 获取系统不仅要考虑采集速度，而且要考虑卫星的数据格式。早期的数据采集 设备只能适应单一卫星型号，而且基本不具备数据处理能力。最为不利的一点 是，对应于不同的卫星数据，往往需要开发相应的数据采集设备。随着卫星状 态的升级和变化，采集设备也必须同时进行淘汰和升级。在很大程度上耗费着 人力和物力，同时为了维护大量不同类型的数据采集设备，所投入的后期成本 更加惊人。在另一方面，系统的可靠性也由于"i殳备^:量的庞大，连接的复杂而 严重下降。诸多不利因素都迫使业界急需一种更加灵活适用的数据采集设备。 这类设备应当具有高速、可配置接口、并且可进行实时格式处理等优点。目前， 随着FPGA技术与工艺的不断发展，百万门、千万门级的大规模逻辑器件不断 更新，而且处理速度越来越高。这些都为实现通用可配置、高码速率处理提供 了技术保障。
因此，实现多通道独立高速遥感数据记录，同时要能够适用更高的码速率， 而且还要能够适应不同的数据格式，能够通过参数设置，完成对星上相机和地 面检测设备解压缩器输出数据的实时获�。�同时还能对采集数据进行记录前的 实时处理，成为今后遥感数据采集任务的必然要求。多通道、多速率、多任务 类型的数据采集能力，对简化地面站系统整体的复杂度，提高系统可用度、可信性，以及增强系统的可维护性方面，都起着至关重要的作用。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种具备优先级 选择、多通道、自同步、低耦合高扩展能力、可进行流水线或并行数据处理的 高速遥感数据采集处理设备。
本发明的技术解决方案是多通道高速遥感数据采集处理设备，包括帧同 步单元、数据格式化单元、优先级判别单元、数据采集单元、数据处理单元； 多通道卫星遥感数据各自经串并转换后进入帧同步单元，帧同步单元捕获遥感 数据的数据帧头，进行帧同步并将同步后的数据送至数据格式化单元，数据格 式化单元将传来的数据帧按照规定格式进行转换，并将转换后的数据送至优先 级判别单元；优先级判别单元按照设定的优先级顺序进行数据采集调度，将经 格式化的数据送至数据采集单元依次进行数据采集并进行帧头整理后送至緩冲 区；数据处理单元包括主处理器和多个协处理器，主处理器接收緩冲区的中断 信号，从緩冲区读取数据，根据任务复杂程度，由主处理器直接对緩冲区读出 数据进行处理，或者调度协处理器采用流水线方式或并行方式进行处理。
所述的帧同步单元的帧同步方法为采用桶型移位寄存器对输入数据进行 实时緩冲，当发现其中一个寄存器的输入数据中包含帧头特征字时，将相应寄 存器数据输出，并保持当前输出状态。
所述的数据格式化单元的规定格式为8bit并行无同步信号数据、16bit并 行无同步信号数据、32bit并行无同步信号数据。
所述的优先级判别单元的判别方法为根据各通道的凄t据源，预先设定各 通道的优先级顺序，并将所述优先级顺序写入寄存器中，当多通道数据同时进 入优先级判别单元后，按照寄存器中存储的优先级排序，从高到低依次响应各 数据通道的数据请求。
所述的数据采集单元进行帧头整理的方法为通过预先设定的帧头字符串， 不断扫描数据采集时的数据内容，当查找到数据帧头时，标记为数据帧起始，并将帧头所在緩冲区地址传递给主控制器，由主控制器确定lt据帧头位置。
所述的数据处理单元中主处理器调度协处理器采用流水线方式进行处理的
各协处理器通过高速交换机共享緩冲区并按照编号先后依次执行各自的任务，
主处理器对每个协处理器的处理状态进行监控；当某一个协处理器任务完成后，
主处理器激活下一编号的协处理器立即继续后续任务，同时任务完成后的协处 理器取入新的数据块重复自己的任务，数据流持续穿过每个协处理器，形成流 水线处理方式，任务得以完成。
所述的数据处理单元中主处理器调度协处理器采用并行方式进行处理的方
法为主处理器向每个协处理器下达相同的任务，但对每个协处理器分配不同 的数据緩冲区段，主处理器监控每个协处理器的状态，每个协处理器处理完当 前任务后，将数据写回到相应緩冲区段，主处理器分配新的数据内容给协处理 器，重新开始数据处理过程，数据流被分流至每个协处理器进行相同的处理， 形成并行处理方式，任务得以完成。 本发明与现有技术相比的优点在于
(1)本发明设备集成了数据串并转换、帧同步、多通道并行采集及优先级 判定功能、数据采集和处理功能，�？榧淇赏ü�高速总线相连接，因此系统集 成度高，功能部件间的耦合度低，提高了系统的吞吐能力和可靠性；
(2 )本发明设备在串并转换后采用桶型移位的同步方法进行高速数据同 步，避免了外接同步器的数据速率瓶颈和高速率产生的钟码衰减；
(3)本发明设备具有多通道釆集功能，并可通过设定优先级保证不同速率 数据的采集稳定性，相对于以往常用的多通道分时采集方法，通过设定高速数 据为高优先级接收，能够更好地避免数据丢失；
(4 )本发明设备通过实时的帧头整理，使主处理器可以直接处理整帧数据， 降低了处理器开销，提高了处理模块的吞吐能力；
(5 )本发明设备的数据处理模块可根据任务特性进行流水线或并行处理调度，最大程度发挥多处理器性能，避免了由于单一处理方式带来的速度瓶颈，
提高了整体性能。


图1为本发明数据采集处理设备的原理框图； 图2为本发明数据采集处理设备前端配置的通道接口�？樵�理图； 图3为本发明数据采集处理设备中数据处理�？榈墓ぷ髟�理示意图； 图4为本发明数据采集处理设备的一种具体实现方式图。
具体实施例方式
如图1所示，为本发明多通道高速遥感数据采集处理设备的组成原理框图， 包括帧同步单元、数据格式化单元、优先级判别单元、数据采集单元、数据处 理单元。多通道卫星遥感数据各自经串并转换后进入帧同步单元，帧同步单元 捕获遥感数据的数据帧头，进行帧同步并将同步后的数据送至数据格式化单元， 数据格式化单元将传来的数据帧按照规定格式进行转换，并将转换后的数据送 至优先级判别单元。优先级判别单元按照设定的优先级顺序进行数据采集调度， 将经格式化的数据送至数据采集单元依次进行数据采集并进行帧头整理后送至 緩沖区。数据处理单元包括主处理器和多个协处理器，主处理器接收緩冲区的 中断信号，从緩沖区读取数据，根据任务复杂程度，由主处理器直接对緩冲区 读出数据进行处理，或者调度协处理器采用流水线方式或并行方式进行处理。
多通道高速遥感数据采集处理设备由于要具备多通道同时独立采集能力， 因此各通道之间的接口可能不同，速率也不一致。在考虑通用性的同时，多通 道高速遥感数据采集处理设备具有扩展接口，如图2所示。每个通道的接口模 块用于和该通道进行电平、速率、阻抗匹配，进入接口后统一转换为TTL信号 进入后继�？�。
经过了接口模块的数据具有了相同的电气特性，各通道仍然保持独立。首 先通过串并转换�？榻�行串并转换以降低系统内时钟频率，随后各通道并行数 据独立进入相应的帧同步�？樗阉髦⊥罚�各个通道在搜索到帧头之后按照相同的码速率将数据进行输出。帧同步时采用桶型移位寄存器对输入数据进行实时 緩冲，当发现其中一个寄存器的输入数据中包含帧头特征字时，将相应寄存器 数据输出，并保持当前输出状态。每个通道的帧同步数据通过独立的格式化单
元，将数据格式转换为统一的16bit并行数据，也可为8bit或32bit。转换后的 数据对于后继�？椋�其接口格式是确定的，因此后继�？榭梢允褂孟嗤�的接口 电3各进行处理。
格式化后的各通道数据按照不同的速率进入独立的浅緩冲区，随着数据的 不断接收，将触发"緩冲区满"信号，该信号被送至优先级判定单元，以决定 緩冲区内的数据是否立即被处理。优先级判定单元收到"緩冲区满"信号后， 按照程序设定的优先编号进行检查，向优先级高的緩冲区发出读指令，将浅緩 沖区中的数据写入系统的深緩冲池，此时的写入原则将按照各实际需要进行(各 通道仍然保持独立，或建立对应关系，或混合存放等)。优先级低的通道(一般 为低速率通道)必须等待高于自己优先级的所有通道都处理完成之后才进行读 出处理。各个通道按照设定的优先级原则，将逐渐被写入系统的深緩冲池，深 緩冲池相对于浅緩冲区具有很大存储空间，用于后继�？�(主CPU等)进行 大量高速的数据处理。
数据在写入深緩沖池的过程中，帧头整理单元会按照程序设定的方式(如 根据帧头特征码、行计数器、帧长度等)对緩冲池中的数据存储地址进行标记， 并将标记后的地址表存放在特定的内存位置以便主CPU查找。主CPU将利用 这些地址准确确定帧中待处理数据的位置，而不需另外消耗时间进行数据定位， 如图3所示。
随着深緩冲池中的数据不断增加，将触发"緩冲区满"信号，该信号被送 至主CPU中断处理程序。程序收到中断后立即开始调用数据处理程序开始进 行数据处理。数据处理程序是根据当前数据处理任务预先编制的。包括数据处 理进程和系统调度进程两部分。数据处理进程负责对数据处理的具体操作，系 统调度进程则根据任务特点确定若干协处理的任务分配。对于简单任务，主CPU可以亲自执行数据处理进程，不启动系统调度进 程，直接完成数据处理任务。
对于任务特性是依次进行，且单个任务复杂度不大的情况，主CPU执行 系统调度进程，将数据处理进程划分为若干可顺序执行的部分，并向各个协处 理器送出对应的指令地址，然后复位协处理器，使其自动按照指定数据处理进 程开始工作。协处理器工作过程中，共同维护一张状态表，当自己的任务完成
时，对表格进行标记，主CPU实时查询状态表，当发现前协一处理器(记为A) 和后一协处理器(记为B)任务都完成时，将A处理后的数据地址交给B,并 清空状态表B的标记。B检查到自己的状态被复位，则重新启动进程开始数据 处理，这样就实现了数据流水线方式的传递处理。
对于任务特性是数据量大，但数据处理流程不复杂的情况，主CPU执行 系统调度进程，向各个协处理器送出数据处理进程的指令地址(即所有协处理 器执行相同的处理任务)，并将緩冲区的数据划分为若干部分，将相应的地址交 给各个协处理器，然后复位协处理器，使其各自去緩冲区取出对应的数据块进 行处理。协处理器工作过程中，共同维护一张状态表，当自己的每个数据块任 务完成时，对表格进行标记，主CPU实时查询状态表，当发现某个协处理器A 任务完成时，立即分配新的待处理数据块地址给它，并清空状态表A的标记。 A检查到自己的状态被复位，则重新启动进程开始数据处理，这样就实现了数 据并行方式的快速处理。
数据处理任务进行的同时，主CPU统计已处理好的数据块，当数据块大小 达到一定容量时，向上层应用软件发出中断信号，上层应用软件得到中断后， 启动一次DMA操作，通过通用设备接口 (如PCI\PCIE等)将处理好的数据一 次传送至计算机内存，并进行写磁盘记录操作。这个过程由DMA控制器自动 完成，不需要采集处理i殳备的主CPU干预，系统仍然可以进^f亍采集处理工作。
整个系统流程持续进行，不断完成遥感数据的进机、采集、处理、提交过 程，其一种可行的实现方式整体结构如图4所示。数据由接口�？榻�机后，通过FPGA实现优先级判定和数据采集，并将采集数据放入大容量RAM,由高 性能嵌入式处理器(如PowerPC)作为主CPU,控制各协CPU (如DSP )完 成数据处理任务。数据在系统中的传输通道采用高速数传协议(如Rapid 10)。 最终通过PCI接口与上位系统(计算机)连接，实现数据传输记录。按照实际 使用情况可采用32位模式或扩展至64位模式，最大程度上利用PCI总线的带 宽，使数据传输更加高效。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1、多通道高速遥感数据采集处理设备，其特征在于包括帧同步单元、数据格式化单元、优先级判别单元、数据采集单元、数据处理单元；多通道卫星遥感数据各自经串并转换后进入帧同步单元，帧同步单元捕获遥感数据的数据帧头，进行帧同步并将同步后的数据送至数据格式化单元，数据格式化单元将传来的数据帧按照规定格式进行转换，并将转换后的数据送至优先级判别单元；优先级判别单元按照设定的优先级顺序进行数据采集调度，将经格式化的数据送至数据采集单元依次进行数据采集并进行帧头整理后送至缓冲区；数据处理单元包括主处理器和多个协处理器，主处理器接收缓冲区的中断信号，从缓冲区读取数据，根据任务复杂程度，由主处理器直接对缓冲区读出数据进行处理，或者调度协处理器采用流水线方式或并行方式进行处理。
2、 根据权利要求1所述的多通道高速遥感数据采集处理设备，其特征在 于所述的帧同步单元的帧同步方法为采用桶型移位寄存器对输入数据进行 实时緩冲，当发现其中一个寄存器的输入数据中包含帧头特征字时，将相应寄 存器数据输出，并保持当前输出状态。
3、 根据权利要求1所述的多通道高速遥感数据采集处理设备，其特征在 于所述的数据格式化单元的规定格式为8bit并行无同步信号数据、16bit并 行无同步信号数据、32bit并行无同步信号数据。
4、 根据权利要求1所述的多通道高速遥感数据釆集处理设备，其特征在 于所述的优先级判别单元的判别方法为根据各通道的数据源，预先设定各 通道的优先级顺序，并将所述优先级顺序写入寄存器中，当多通道数据同时进 入优先级判别单元后，按照寄存器中存储的优先级排序，从高到低依次响应各 数据通道的数据请求。
5、 根据权利要求1所述的多通道高速遥感数据采集处理设备，其特征在 于所述的数据采集单元进行帧头整理的方法为通过预先设定的帧头字符串， 不断扫描数据采集时的数据内容，当查找到数据帧头时，标记为数据帧起始，并将帧头所在緩冲区地址传递给主控制器，由主控制器确定凝:据帧头位置。
6、 根据权利要求1所述的多通道高速遥感数据釆集处理设备，其特征在 于所述的数据处理单元中主处理器调度协处理器采用流水线方式进行处理的各协处理器通过高速交换机共享緩沖区并按照编号先后依次执行各自的任务， 主处理器对每个协处理器的处理状态进行监控；当某一个协处理器任务完成后， 主处理器激活下一编号的协处理器立即继续后续任务，同时任务完成后的协处 理器取入新的数据块重复自己的任务，数据流持续穿过每个协处理器，形成流 水线处理方式，任务得以完成。
7、 根据权利要求1所述的多通道高速遥感数据采集处理设备，其特征在法为主处理器向每个协处理器下达相同的任务，但对每个协处理器分配不同 的数据緩沖区段，主处理器监控每个协处理器的状态，每个协处理器处理完当 前任务后，将数据写回到相应緩沖区段，主处理器分配新的数据内容给协处理 器，重新开始数据处理过程，数据流被分流至每个协处理器进行相同的处理， 形成并行处理方式，任务得以完成。
全文摘要
多通道高速遥感数据采集处理设备，多通道卫星遥感数据各自经串并转换后进入帧同步单元，帧同步单元捕获遥感数据的数据帧头，进行帧同步并将同步后的数据送至数据格式化单元按照规定格式进行转换。优先级判别单元按照设定的优先级顺序进行数据采集调度，将经格式化的数据送至数据采集单元依次进行数据采集并进行帧头整理后送至缓冲区。数据处理单元包括主处理器和多个协处理器，主处理器接收缓冲区的中断信号，从缓冲区读取数据，根据任务复杂程度，由主处理器直接对缓冲区读出数据进行处理，或者调度协处理器采用流水线方式或并行方式进行处理。本设备集成度高，耦合度低，可靠性好，用于解决高速传输瓶颈问题，实现高速遥感数据采集处理。
文档编号G01S7/00GK101419278SQ20081023895
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者刘晓龙, 博 单, 宋张波, 张振宁, 曾沙沙, 朱翔宇, 李丹妮, 扬 苏, 袁广辉, 磊 陈, 高振华 申请人:航天恒星科技有限公司