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高速高可靠小型数字视频存储系统的设计与实现

作　者: 黄继鹏
导　师: 王延杰
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: DM8168 嵌入式Linux 二维RS纠错码损耗均衡 SATA-Ⅱ 千兆以太网
分类号: TP333
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在武器试验中，光电测量设备不仅要获得目标的外弹道轨迹、飞行轨迹等测试参数，同时还要获得目标的高精度飞行姿态参数、光学特性参数以及其它的常规测量参数。这些参数的取得依赖于所选择的大面阵、高帧频相机从不同角度获取目标的高速成像信息以及设备跟踪的测量信息，这对高速图像数据和同步测量信息的实时记录提出了更高的要求，为此研究性能可靠、体积小、容量大，面向高速数据的存储系统成为靶场测量急需解决的问题，本文主要研究对象为面向大型光电经纬仪的存储系统，同样适用于航测图像、气象雷达、遥感、爆炸实验、流体实验、碰撞检测的存储应用中。本文主要针对高速数据和低速存储设备矛盾、图像和异源信息同帧控制、嵌入式Linux操作系统移植、系统小型化、图像数据的编码纠错，存储介质的损耗均衡等问题进行研究，实现了系统高速数据的高可靠存储和设备的小型化。本文采用DM8168和FPGA相结合的嵌入式系统硬件平台直接存储方案，避免了非实时操作系统与计算机结构的瓶颈限制，仅由两个芯片完成了数据流的纠错编码、采集、存储和网络传输控制，减少芯片级联，降低硬件平均故障率，实现了系统的小型化。采用异源信息与图像数据同帧追加策略，保证了追加异源信息与图像数据的严格同帧存储。结合图像的二维特点，本文设计了含有追加信息的实时图像二维RS编码纠错算法，在两个维度上进行RS编码纠错，该算法提高了纠正数据突发错误和随机错误的能力。同时还提出了采集容错和图像二维特性容错方法，保证了存储不丢帧，不误帧，实现了数据纠错、帧纠错和行纠错，提高了数据存储的可靠性。本文对嵌入式Linux系统进行移植，增加必要驱动，裁剪掉系统无关模块，保证了系统的稳定运行管理，系统对固态硬盘采用基于地址顺序写入的均衡管理，顺次遍历固态硬盘所有的映射地址写入图像数据，延长了固态硬盘的使用寿命；对机械磁盘提出了采用直接控制物理地址的循道存储的方案，减少寻道时间，提高存储速度。以DM8168为核心的嵌入式系统，进行任务管理时，突破了硬盘文件系统的限制，将硬盘文件分配表等参数信息独立记录在存储介质外部FRAM中，该设计减少了Linux内核对硬盘文件系统的操作开销，一方面便于机械磁盘数据恢复，另一方面解决了固态硬盘文件表需要损耗均衡的问题，提高系统可靠性。本文研究的存储系统单元可实时稳定存储400MBps相机数据输入，大大提高了存储效率，实现了设备的小型化设计，分块二维RS编码纠错的应用使编码纠错能力提高1.97倍，误比特率为1.01E-11，嵌入式存储系统实现了任务管理、数据远程网络下载和系统的在线维护，根据工程实际应用需要，采用针对高帧频相机的数据源流分配技术，对存储系统单元并行级联后，可以满足多领域的存储应用需要。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
第1章绪论  14-26
  1.1 课题研究背景及意义  14-15
  1.2 数字视频存储系统的发展现状  15-18
  1.3 相关技术的发展研究  18-24
    1.3.1 存储介质发展  18-20
    1.3.2 容错技术  20-22
    1.3.3 系统控制器  22-23
    1.3.4 嵌入式系统  23-24
  1.4 论文主要研究内容和论文结构安排  24-26
    1.4.1 论文主要研究内容  24
    1.4.2 论文结构安排  24-26
第2章系统级设计分析  26-36
  2.1 引言  26
  2.2 HD400 高速相机介绍  26-28
    2.2.1 LUPA-1300-2 图像传感器  26-27
    2.2.2 图像传感器工作时序  27-28
    2.2.3 HD400 高速相机主要性能指标  28
  2.3 Camera Link 接口介绍  28-32
    2.3.1 Camera Link 信号分类  29-30
    2.3.2 Camera Link 硬件结构  30-32
  2.4 系统存储分析  32
  2.5 系统设计要求  32-33
  2.6 系统总体架构  33-35
  2.7 本章小结  35-36
第3章存储系统硬件平台的设计  36-60
  3.1 引言  36
  3.2 系统硬件结构原理  36-41
    3.2.1 TMS320DM8168 芯片介绍  38-39
    3.2.2 Virtex 5 FPGA 芯片介绍  39-41
  3.3 高帧频图像数据采集、存储和传输分析  41-54
    3.3.1 异源信息与图像同帧追加存储策略  41-44
    3.3.2 图像数据的采集  44-50
    3.3.3 SATA-Ⅱ 接口分析  50-52
    3.3.4 千兆以太网接口分析  52-54
  3.4 实现异步 FIFO 方法研究  54-57
    3.4.1 实现异步 FIFO 存在的问题  54-55
    3.4.2 两种实现异步 FIFO 的方法  55-57
  3.5 提高系统存储能力的方法  57-58
    3.5.1 数据源流分配  57-58
    3.5.2 乒乓并行存储  58
  3.6 本章小结  58-60
第4章存储系统可靠性设计  60-80
  4.1 引言  60
  4.2 硬件设计可靠性分析  60-61
  4.3 数据前端采集容错方法  61-63
  4.4 分块二维 RS 码纠错算法研究  63-73
    4.4.1 分块二维 RS 码纠错算法  63-66
    4.4.2 分块二维 RS 编码器实现  66-69
    4.4.3 分块二维 RS 编码器优化  69-72
    4.4.4 块二维 RS 纠错算法分析  72-73
  4.5 图像二维特性容错方法  73-74
  4.6 管理应用策略  74-79
    4.6.1 机械磁盘循道存储  74-75
    4.6.2 固态硬盘写入策略  75-77
    4.6.3 均衡损耗研究  77-78
    4.6.4 FRAM 内容管理  78-79
  4.7 本章小结  79-80
第5章存储系统软件设计  80-102
  5.1 引言  80
  5.2 嵌入式开发环境构建  80-82
  5.3 嵌入式 Linux 系统的构建  82-88
    5.3.1 Bootloader 移植  82-84
    5.3.2 Linux 内核移植  84-87
    5.3.3 构建 Linux 根文件系统  87-88
  5.4 嵌入式 Linux 程序开发  88-95
    5.4.1 FRAM 驱动程序设计  88-92
    5.4.2 远程网络管理应用程序开发  92-95
  5.5 任务管理实现  95-101
    5.5.1 任务管理  96-98
    5.5.2 数据判读  98-101
  5.6 本章小结  101-102
第6章实验及结果分析  102-118
  6.1 引言  102
  6.2 高速相机测量实验  102-105
    6.2.1 帧频测量实验  102
    6.2.2 高帧频成像实验  102-105
  6.3 系统存储速度测量实验  105-109
    6.3.1 场景图像验证  105-106
    6.3.2 渐变条图像验证  106-109
  6.4 分块二维 RS 纠错编码实验  109-112
    6.4.1 场景图像纠错编码实验  109-112
    6.4.2 渐变条图像拷机实验  112
  6.5 电磁脉冲干扰实验  112-113
  6.6 千兆以太网传输速度测试  113-115
  6.7 系统指标  115-116
  6.8 本章小结  116-118
第7章总结与展望  118-120
  7.1 总结  118
  7.2 研究展望  118-120
参考文献  120-126
在学期间学术成果情况  126-128
指导教师及作者简介  128-130
致谢  130-131

高速高可靠小型数字视频存储系统的设计与实现

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