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基于DSP的嵌入式星载相机控制器的研究

作　者: 徐木水
导　师: 刘金国
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: 光学工程
关键词: 相机控制器浮点型DSP 嵌入式实时系统 μC/OS-Ⅱ CAN总线
分类号: V445.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着卫星技术的发展,设计周期短成本低的小卫星的应用也越来越广泛,目前已成功应用于科学研究,测绘、军事、通信等领域。空间相机控制器作为卫星的一个下位机系统,是相机系统和卫星平台联系的纽带,负责相机的某些重要功能的控制和运行管理。为了满足小卫星系统的要求,设计一种结构简单、实时性好、可靠性高、成本低、数据处理能力强的相机控制器为本文的研究目的。本文源于空间测绘相机下位机系统的任务要求,介绍了基于DSP和FPGA的相机控制器设计方案,详细讲述了相机控制器的硬件系统及功能模块(包括模式控制、通讯控制、调焦控制等)的具体实现;分析了CAN总线在小卫星通讯系统应用中的优点,介绍了DSP与CAN总线的通信电路的设计;分别介绍了与成像单元、编码器单元等模块通讯的RS422通讯的电路实现,以及用于相机控制器地面调试的USB通讯电路设计;软件方面,设计了DSP平台下的空间相机像移速度计算以及模式控制等的软件程序;介绍了使用FPGA实现UART异步串行口、逻辑控制、中断产生等的具体过程;分析了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的特点、工作原理以及μC/OS-Ⅱ在系统应用中的任务调度与任务同步。将μC/OS-Ⅱ引入到相机控制系统中,并根据相机控制器的功能模块将相机下位机软件划分为多个μC/OS-Ⅱ任务,讨论了任务的编程实现与同步方法。另外制定了CAN通讯协议,完成了相机控制器与卫星计算机的通讯软件。编写了USB固件程序及地面调试应用程序,提供了用户与相机控制系统的人机接口,方便系统的地面调试。最后,对系统软件设计的可靠性和实时性进行了简要的分析。文章最后,给出了相机控制器系统的调试与实验结果,并对本论文的研究工作进行了总结,分析了有待于解决的问题,对今后的工作进行了展望。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-18
  1.1 论文研究意义与研究目的  12
  1.2 相关技术的研究现状  12-16
    1.2.1 小卫星星载相机控制器简介  12-15
    1.2.2 小卫星数据总线应用现状  15-16
    1.2.3 嵌入式系统介绍及应用  16
  1.3 论文主要研究内容及论文结构安排  16-18
第二章星载相机控制器组成及方案设计  18-25
  2.1 星载相机控制器基本组成  18-19
  2.2 相机控制器功能单元介绍  19-21
    2.2.1 模式控制  19
    2.2.2 调焦控制模块  19-20
    2.2.3 通讯控制  20-21
  2.3 像移速度计算模型  21-22
  2.4 相机控制器设计方案  22-25
    2.4.1 相机控制器硬件总体方案  22-24
    2.4.2 数据通信总线方案  24-25
第三章嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ  25-30
  3.1 嵌入式系统及嵌入式实时操作系统介绍  25-26
    3.1.1 嵌入式处理器  25-26
    3.1.2 嵌入式实时系统（RTOS）  26
  3.2 μC/OS-Ⅱ 介绍  26-30
    3.2.1 μC/OS-Ⅱ 工作原理及特点  26-28
    3.2.2 μC/OS-Ⅱ 的任务管理及同步  28
    3.2.3 μC/OS-Ⅱ 在相机控制系统中应用的可行性分析  28-30
第四章相机下位机系统的硬件设计  30-51
  4.1 相机下位机硬件结构  30-31
  4.2 DSP 最小系统的设计  31-34
  4.3 CAN 总线通讯电路  34-40
    4.3.1 CAN2.0 协议和SJA1000 结构介绍  34-37
    4.3.2 CAN 节点与DSP 的通讯电路  37-40
  4.4 RS-422 总线通讯电路  40
  4.5 USB 总线通讯电路  40-43
    4.5.1 EZ-USB FX2LP 的内部结构  41-42
    4.5.2 CY7C68013A 与FPGA 的硬件连接  42-43
  4.6 FPGA 逻辑控制的实现  43-49
    4.6.1 SJA1000 逻辑控制  44-45
    4.6.2 68013A 逻辑控制  45-47
    4.6.3 UART 及调焦控制等接口设计  47-49
  4.7 硬件设计注意事项  49-51
第五章相机控制系统的软件实现  51-72
  5.1 软件总体框架  51-52
  5.2 DSP 主程序流程  52-58
    5.2.1 μC/OS-Ⅱ 下DSP 程序流程与传统设计方法的比较  52-55
    5.2.2 DSP 初始化程序  55-56
    5.2.3 CAN 节点通信的软件实现  56-58
  5.3 嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ 的移植和任务编程  58-63
    5.3.1 μC/OS-Ⅱ 在TMS320C32 上的移植  58-59
    5.3.2 μC/OS-Ⅱ 相机控制系统的任务划分和任务编程  59-63
  5.4 USB 程序设计  63-68
    5.4.1 USB 固件程序设计  63-65
    5.4.2 USB 驱动及用户应用程序  65-68
  5.5 嵌入式系统软件实时性及可靠性分析  68-72
第六章实验与调试  72-80
  6.1 USB 总线及RS-422 总线数据通讯测试  72-75
  6.2 CAN 节点数据通讯测试  75-76
  6.3 模块控制的多任务运行测试  76-79
  6.4 调试过程中的问题总结  79-80
第七章结束语  80-81
参考文献  81-83
在学期间学术成果  83-84
指导教师及作者简介  84-85
致谢  85

基于DSP的嵌入式星载相机控制器的研究

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