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基于多核DSP的自适应光学系统波前处理器的研究

作　者: 吴敏
导　师: 苏秀琴
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 电子与通信工程
关键词: 自适应光学 波前处理器 多核DSP TMS320C6678 并行处理
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


自适应光学系统能有效克服大气湍流带来的波前误差。然而，大气变化的随机性和瞬时性给自适应光学系统的设计带来了很大的困难，其中波前处理必须完成的大量实时运算是一个难以克服的问题。当前波前处理器大多采用DSP（数字信号处理器）来实现波前处理运算，DSP处理能赋予系统高精度和高灵活性；但是传统DSP运算速度制约了波前处理器的性能，给系统带来了较大时延。本文研究了波前处理器需要完成的波前斜率计算，波前复原和控制运算等任务，对Zernike模式法的各阶有效性进行了仿真，并且得出波前处理器的运算量。结合波前处理器算法流程和运算量需求，提出了矩阵分割，任务间流水线处理、子孔径行与子孔径内并行计算的并行处理策略；在此理论基础上本文设计了以FPGA和四个TMS320C6678为处理核心的并行波前处理平台的软件和硬件实现方案；该平台的理论峰值处理速度达到每秒1280GMAC，系统时延约为30us，大大提升了波前处理器的性能。结合平台设计方案，本文对高性能波前处理平台进行了硬件设计。该平台采用TI高性能8核DSP TMS320C6678为运算单元，四个TMS320C6678组成一个流水线运算阵列。硬件设计中本文采用分立结构实现系统电源设计，通过监控芯片完成上电顺序控制；同时设计了丰富的内外部高速接口和存储空间；为了满足多种图像格式输入的需要，另设计了宽度足够的自定义通用图像处理接口；文章最后对硬件平台做了PCB设计和信号完整性分析，并对关键信号进行仿真，验证了硬件设计的有效性。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 波前处理器介绍  10-18
  1.1 自适应光学系统综述  10-12
    1.1.1 自适应光学系统简介  10-11
    1.1.2 自适应光学系统的发展现状  11-12
  1.2 自适应光学系统的结构和工作原理  12-13
  1.3 实时波前处理技术的介绍  13-14
  1.4 提高波前处理器性能的重要作用  14-16
  1.5 本文的主要内容  16-18
第二章 波前处理器设计的任务与要求  18-26
  2.1 哈特曼传感器特性  18-19
  2.2 波前处理器任务与算法  19-21
    2.2.1 波前斜率计算  19-20
    2.2.2 波前复原  20
    2.2.3 控制运算  20-21
    2.2.4 D/A 运算  21
  2.3 系统并行处理设计  21-24
    2.3.1 任务间流水线运算  21-22
    2.3.2 子孔径行间并行处理  22
    2.3.3 子光斑点间并行处理  22-23
    2.3.4 矩阵细化计算  23-24
  2.4 波前处理器运算量分析  24-25
  2.5 波前处理器的实时性要求  25-26
第三章 波前处理器的方案设计  26-41
  3.1 处理器的选型  26-29
    3.1.1 TMS320C6678 介绍  26-28
    3.1.2 TMS320C6678 多核性能评估  28-29
  3.2 系统架构研究  29-31
    3.2.1 高性能并行处理架构的研究  29-30
    3.2.2 基于高速并行处理架构的系统架构  30-31
  3.3 并行处理实现  31-32
  3.4 软件部分仿真与设计  32-41
    3.4.1 波前复原算法仿真  32-36
    3.4.2 软件部分方案设计  36-41
第四章 波前处理器硬件平台设计  41-67
  4.1 整板电源设计  41-51
    4.1.1 系统电源要求分析  41-42
    4.1.2 系统功耗分析  42-45
    4.1.3 系统电源设计  45-51
  4.2 DSP 部分电路设计  51-56
    4.2.1 时钟设计  51-52
    4.2.2 复位电路设计  52-53
    4.2.3 高速串行接口设计  53-54
    4.2.4 JTAG 菊花链设计  54-55
    4.2.5 DDR3 存储器电路设计  55-56
  4.3 FPGA 部分电路设计  56-60
    4.3.1 配置电路设计  56-57
    4.3.2 时钟电路设计  57
    4.3.3 通用 I/O 接口设计  57-58
    4.3.4 DDR2 SDRAM 存储设计  58-59
    4.3.5 高速串行接口设计  59-60
  4.4 PCB 设计与信号完整性分析  60-67
    4.4.1 信号完整性分析  60-61
    4.4.2 波前处理器系统 PCB 设计  61-63
    4.4.3 关键信号仿真  63-67
总结与展望  67-69
参考文献  69-73
作者在学期间完成工作和发表论文情况  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 电子数字计算机（不连续作用电子计算机） > 运算器和控制器（CPU）
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