介紹了一種用單片FPGA實現的實時、多任務、高速圖像處理系統。該系統承擔著提高信噪比、壓縮數據量、Stokes參數觀測和儀器及觀測模式控制等任務。針對一個星載系統，采用了核心邏輯片內冗余、設計了相應的冗余管理線路等可靠性設計技術，采用了放置片內測試和校驗模塊等可測性設計技術，使系統工作時鐘達40 MHz，圖像處理速率達100 Mbps。
關 鍵 詞 預處理; 檢錯和糾錯; 現場可編程門陣列; 狀態機

圖像處理一般都是用數字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)來完成的。但采用多DSP或DSP陣列的方法使系統在成本、重量、功耗等方面都會快速升高。近年來采用現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或可編程器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)設計邏輯電路已成為了一種趨勢[1, 2]，其原因：1) 集成電路由于集成度IC(Integrated Circuit)的大大提高，可編程器件給用戶提供了豐富的可編程資源；2) 可編程器件開發系統和仿真手段日臻完美；本文介紹的預處理系統是中科院國家天文臺即將立項的國家重大工程項目——空間太陽望遠鏡(Space Solar Telescope，SST)科學數據處理單元(Science Data Processing Unit，SDPU)的一個子系統[3, 4]。SDPU的功能是對由觀測儀器采集到的科學數據進行一系列復雜的圖像處理任務，以滿足天文學者對太陽的分析要求。預處理系統是一個單片的FPGA系統，由于本系統是一個星載系統，除了功能設計外，還采用了可測性設計技術，設計出了一個高可靠性的系統。

1 SDPU的數據處理任務和系統結構
SDPU的功能是對科學數據進行一系列復雜的處理，它擔負著巨大數據量的高速采集、壓縮、編碼、存儲任務，并具有高可靠度的容錯技術[3, 4]。SDPU的結構如圖1所示，它主要由電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)陣列、預處理(Pre-Processing, PP)陣列、中央(Central Processing Unit, CPU)、海量存儲器(Mass Memory, MM)、壓縮單元DSP1和DSP2、下傳子系統(Down Link System, DLS)等構成的。SDPU的任務按順序包括如下過程：數據采集、積分、相關運算、CCD圖像標定、Stockes參數計算、小波圖像壓縮、通信格式化和下傳等。數據采集由SST的5個觀測儀器共17個通道構成的CCD(探測器)陣列來完成；積分的工作是在預處理完成的；CCD修正和Stockes計算、小波壓縮是由兩個DSP模塊(DSP1、DSP2)來完成；通信格式化和下傳任務是由下傳子系統(DLS)完成；各單元處理的數據都是由海量存儲器(MM)暫存；系統總體調度和管理由CPU來進行。

2 預處理的數據處理任務及設計方案選擇
2.1 預處理的數據處理任務
從圖1可見，預處理系統共有17個處理模塊構成，每個模塊的基本功能是一致的。預處理(PP)的任務是進行積分運算，它具有如下的處理任務：1) 提高信噪比。SDPU各個儀器的信噪比要求是不相同的，但都是通過累加多幀連續的極化圖像來改善圖像的質量，各儀器在不同的模式下，積分的幀數是各不相同的，預處理要正確識別和處理；2) 壓縮數據量。預處理每日的輸入數據是2 506 GB，而輸出數據是50 GB，因此在預處理要進行平均60倍的壓縮。3) Stockes參數測量。太陽望遠鏡的主光路中插入了一個偏振分析器，該分析器具有3個可控的元件，通過控制元件狀態可以組合成進行Stockes參數6個分量的圖像測量。4) 觀測模式。其儀器有：爆發模式、活動區模式、寧靜態模式3種。根據不同的觀測模式預處理有不同的積分行為。
2.2 預處理的邏輯功能
預處理的功能，總體上可以分為：1) 數據接收和積分：如圖2所示，數據高位清零工作是解決多幀積分的位擴展空間的清零問題；數據積分是基于象素點來進行的；不同模式有不同的積分幀數；圖像的就緒標志是標志某存儲塊或地址段的數據已積分完成，可以被送出。當數據正在積分和數據已被送走以后，這個標志是無效的；2) 數據傳送通道控制：是一個總線仲裁機構，用于仲裁17個通道的哪一個通道有權使用所有通道共享的數據總線來進行數據傳送操作。它采用順序輪詢的方式，被詢問的通道若數據就緒便進入數據傳送狀態，否則繼續向后查詢。3) 數據傳送：它主要負責數據傳送，以騰空數據緩沖區；它所操作的數據存儲空間段和積分使用的緩存空間段是應分開的，以免沖突發生；它和積分在時間上是重疊的，因此必須設計成并行邏輯。4) 儀器觀測模式和工作狀態監測：從CPU的送來了儀器觀測模式和狀態壓縮碼，預處理需解碼出來，分別送到相關的部分進行預處理各部分工作模式的控制，因此要設計相應的邏輯。