基于FPGA的空間目標(biāo)碰撞預(yù)警系統(tǒng)

摘要：為了解決空間目標(biāo)與航天器發(fā)生碰撞的問題，設(shè)計了一種基于FPGA，以在軌目標(biāo)三維坐標(biāo)為待處理數(shù)據(jù)進(jìn)行快速并行處理的目標(biāo)碰撞預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Xilinx公司FPGA芯片中的內(nèi)容可尋址存儲器(Content Addressable Memory，CAM)IP核和MicroBlaze軟核控制器，利用嵌入式開發(fā)套件(EDK)進(jìn)行搭建；并設(shè)計了空間危險目標(biāo)的篩選算法，同時編寫了軟件及硬件代碼，加載到以上系統(tǒng)中進(jìn)行實際的操作驗證。驗證結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了16個目標(biāo)中危險目標(biāo)的快速篩選功能，通過使用ChipScope邏輯分析工具進(jìn)行波形分析，可知系統(tǒng)執(zhí)行一次篩選操作所需時間為1．8 s。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；Microblaze；內(nèi)容可尋址存儲器；空間目標(biāo)；碰撞

隨著人類航天活動的不斷開展，空間碎片的空間密度已經(jīng)對航天器安全造成了威脅，特別是近地軌道，碎片密度更大，且其數(shù)量仍在迅速增加，航天器遭受空間碎片撞擊事件時有發(fā)生?？臻g在軌目標(biāo)數(shù)量不斷增加，對空間目標(biāo)進(jìn)行碰撞預(yù)警所需要的計算量也在迅速增加，鑒于并行計算速度很快，因此適合應(yīng)用并行計算對危險目標(biāo)進(jìn)行篩選，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警操作。利用FPGA中的CAM(內(nèi)容可尋址存儲器)和MicroBlaze軟核控制器可以實現(xiàn)危險目標(biāo)的快速并行篩選。

1 CAM
1．1 CAM概述
CAM是一種特殊的存儲器，它是將數(shù)據(jù)項存儲在一個陣列中。每個數(shù)據(jù)項的位數(shù)叫作字寬，CAM中所有數(shù)據(jù)項的條數(shù)叫作CAM的深度。字寬和深度可以表征CAM的容量。
CAM基于內(nèi)容尋址，通過硬件電路實現(xiàn)快速匹配。CAM的并行處理特性使得它在數(shù)據(jù)分選領(lǐng)域倍受青睞，被廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)網(wǎng)址搜尋、數(shù)據(jù)壓縮、模式識別、高速緩存、高速數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)加密等。
1．2 CAM工作原理
CAM最基本的兩個端口是數(shù)據(jù)線和地址線，數(shù)據(jù)線作為輸入端口，存放需要由CAM來處理的數(shù)據(jù)，而地址線作為輸出端口，輸出CAM的處理結(jié)果——匹配數(shù)據(jù)所在地址。圖1所示為深度為4、字寬為4的CAM，如果將二進(jìn)制數(shù)1100放在數(shù)據(jù)線上，輸出的匹配結(jié)果將會是0011，如圖1所示，結(jié)果中的每一位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)CAM內(nèi)部每一條數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)與CAM內(nèi)部數(shù)據(jù)相等則對應(yīng)位輸出為1，不相等則輸出為0。由于CAM具有并行匹配特性，所以很適合對空間多個目標(biāo)進(jìn)行同時并行匹配處理。

2 MicroBlaze軟核控制器
MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，它和其他外設(shè)IP核一起可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設(shè)計。MicroBlaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有32個32位寬度的通用寄存器；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

使用Xilinx公司提供的EDK(嵌入式系統(tǒng)開發(fā)套件)，可以在參數(shù)化的圖形界面下方便地完成嵌入式處理器系統(tǒng)的設(shè)計。其突出的優(yōu)點：一是設(shè)計靈活性；二是可以整合用戶自定義IP核，使得算法可以在硬件中并行的執(zhí)行而不是在軟件中串行的執(zhí)行，從而極大地加速軟件的執(zhí)行速度。