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06-08
的星敏感器电路系统设计摘要：介绍了TMSC芯片的主要功能特点和内部结构，建立了以DSP为核心的星敏感器信息处理电路系统，并在该系统中成功实现了快速全天星图识别。
实验结果表明，在不降低星图识别率的情况下，该算法在本系统中的运行速度为0.47s，几乎是基于RISC的星敏感器数据处理单元速度的两倍。
关键词：DSP； TMMSC；星敏感器；星图识别 星敏感器是天文导航系统的主要设备。
它是一种集光学、机械、电子和实时图像处理技术于一体的仪器。
它通过图像传感器获取恒星的图像信息，然后对图像信息进行实时处理。
处理过程包括星体质心定位、星图识别与匹配、快速跟踪和精确姿态解算，最终输出当前航天器的姿态信息。
美国加州理工学院JPL实验室最先从事星敏感器的研发。
为了降低星敏感器硬件电路的功耗，其计算电路系统主要由RISC芯片组成，以实现星定位。
以及星图识别算法等。
目前星敏感器实时工作的瓶颈是如何提高速度。
由于星图识别算法占用了星敏感器整体数据处理的大部分时间，因此需要在软件上应用识别率高、算法简单的星图识别程序，在硬件结构上采用更先进的技术。
星图识别程序包括三角函数计算、矩阵转换等乘法执行指令。
乘法执行速度越快意味着识别程序可以在更短的时间内完成。
DSP专用的硬件乘法器可以大大提高运算速度。
本文就是以星敏感器的这一需求为出发点。
采用主频高、处理速度快的浮点DSP芯片TMSC作为星敏感器的核心处理器，实现具有径向和周向分布特征的星敏感器。
图识别算法。
1 电路系统设计 用于星图识别算法的星敏感器DSP系统以C语言为核心，具有存储模块、JTAG接口模块、RS串口模块、FIFO接口模块、电源模块等。
添加到其外围，实现计算、通信等功能。
系统总体框图如图1所示。
图1 DSP星敏感器系统框图 1.1 TMSC内部结构 在星敏感器系统中，我们采用TMSC作为主要处理部件。
C是TI推出的TMSC系列中支持浮点运算的高速DSP芯片。
它使用超长指令字（VLIW）架构。
当CPU时钟频率为MHz时，其计算能力可达MIPS，浮点计算能力可达1G FLOPS。
它具有4个独立的可编程DMA通道，可以独立于CPU工作并以CPU时钟速率执行数据吞吐量。
1.2 外部存储器 DSP硬件系统外部存储器包括同步动态RAM以满足大容量数据缓存的需要，以及存储所有系统软件的FLASH芯片以保证系统独立于PC机工作。
1.2.2 EMIF 与SDRAM 之间的接口 C 芯片具有64kBytes 数据存储器和64kBytes 程序存储器。
星图识别的程序需要66kBytes的存储空间，而全天星库需要kBytes的存储空间，C的片上存储器无法满足星敏感器的需要，因此电路系统扩展了大容量的SDRAM来存储星库和程序。
基于上述需求，使用1块MT48LC4M32B2 – 1 Meg x 32 x 4banks SDRAM映射到CE0外部存储空间。
MICRON 的 MT48LC4M32B2-7 是一款 86 引脚 TSOP (mil) CMOS 同步 DRAM，最大工作频率（处理速度）为 Mhz (7ns)。
DRAM 设备的时钟频率始终为 CPU 时钟频率的一半，即当 CPU 芯片以 OSC×4 运行时，SDRAM 以 66.67Mhz (15ns) 运行。
1.2.2 EMIF与FLASH之间的接口 在基于C的应用程序开发中，程序代码或数据表必须保存在FLASH或其他非易失性存储器中，以保证断电时代码仍然可用已关闭。
，上电复位后程序自动运行。
C的EMIF可以通过异步接口支持8位、16位和32位FLASH配置。
为了实现 TI TMSC/C 的外部 ROM 自举，必须在 CE1 空间配置“8/16 位 ROM/FLASH 存储器”。
本系统使用的Flash芯片AT49BVA是存储容量为1M×16或2M×8的闪存。
访问时间为70ns。
它可以电擦除并且可以通过大多数标准微处理器总线上的特殊编码。
命令序列编程。
1.3 扩展接口 系统还内置了FIFO扩展接口和串行通信模块。
它通过FIFO接口与FPGA连接，获取数据并输入DSP进行处理。
通过RS接收器和发射器，方便地实现DSP与计算机之间的串行通信，将全天星图的识别和计算结果传回PC机进行显示。
1.3.1 串口 TMSC 的多路缓冲串口 McBSP 是同步串口，而计算机的串口 RS 是异步串口。
在此过程中，必须考虑同步串口到异步接口以及电平转换。
问题。
将McBSP转换为UART，然后进行电平转换，直接与RS通信。
MAXE是一款集成SPI/微线兼容接口UART和±15kv放电保护RS收发器的芯片。
使McBSP工作在SPI模式[3]，并使用MAXE完成McBSP与RS之间的通信。
1.3.2 FIFO接口 通过C的外部存储器接口实现高速外部先进先出（FIFO）存储器与DSP之间的接口，保证外部器件FPGA将数据传输到DSP DSP进行处理。
2 系统软件设计 星图识别算法程序采用C语言实现。
主要包括星图识别程序和一些辅助程序。
基于所使用的TMSC芯片，我们编写了一些硬件驱动程序，如FLASH编程和BOOTLOADER程序。
2.1 星图识别算法 本文采用基于径向和周向分布特征的全天星图识别方法[4]。
其基本思想是利用径向分布特征作为初始匹配，利用周向分布特征进行精确匹配。
图2径向分布特征 以主星S为中心，将圆周如图所示分成8等份，计算圆周上其他伴星的分布，形成8位向量V()。
对V进行循环移位，求出V组成的数（十进制）的最大值，并以此最大值作为S的圆周分布特征。
如图所示，移位后V保持不变，则圆周分布特征向量==。
图3 周向分布特征 提前构建全天导航星库图样库。
使用时获取星图后，计算星图中某颗星星的图案，通过对比导航星库中的星图找到最匹配的星星，完成识别全天星图的过程，从而确定飞行器的位置。
DSP将计算结果通过串口模块传递给PC机显示，并且可以比较DSP和PC机的处理结果。
2.2 BOOT流程的实现 TMSC设备可以设置三种自举模式，即（1）无自举； (2) ROM引导程序； (3)主机引导。
系统上电后，RESET信号为低电平，芯片复位。
在RESET信号的上升沿，BOOTMODE[4:0]信号被锁存，以确定芯片的内存映射模式、地址0处的内存类型以及复位后芯片的启动模式。
复位完成后，芯片从内存地址0开始执行指令。
TMSC芯片有一个专用的BOOTMODE[4:0]引脚来确定芯片的各种设置。
在该系统中，BOOTMODE[4:0]引脚设置为[1]。
复位后，芯片自动将位于外部CE1空间ROM中的程序通过DMA移至地址0。
传输完成后，CPU退出复位状态，开始执行地址为0的指令，程序开始。
3 实验结果 本文以星敏感器视场FOV为12°×12°、敏感星等为6为例，对上述算法进行编程和测试。
测试结果表明，基于DSP的硬件系统和基于RISC的硬件系统的识别结果和识别率是一致的。
DSP系统平均识别时间约为0.47s，RISC系统平均识别时间约为0.s，大大提高了星敏感器的实时性能。
4 结论 本文首先介绍了星敏感器运算与控制的核心DSP处理器的结构和特点，然后采用高速浮点芯片TMSC搭建硬件系统，完成了DSP基于星敏感器的操作。
电子系统。
然后分析了实现快速星图识别算法和径向和周向分布特征的BOOT过程的软件程序。
最终的仿真验证表明，该系统能够很好地完成星图识别任务。
同时，系统平均识别时间达到0.47s，处理速度较RISC数据处理单元提高近一倍。
参考文献 [1] 王念旭等. DSP基础与应用系统设计。
北京航空航天大学出版社，. [2] TMSCEMIF 至外部 SDRAM 接口。
美国：TI 公司，. [3] TMSCMcBSP 与 SPI ROM 的接口。
美国：TI公司，. [4]魏新国，张广军，姜杰，“利用径向和周向分布特征的星图识别方法”，光电工程，2017年第8期。
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