基于FPGA的空間目標碰撞預警系統(tǒng)

摘要：為了解決空間目標與航天器發(fā)生碰撞的問題，設計了一種基于FPGA，以在軌目標三維坐標為待處理數(shù)據(jù)進行快速并行處理的目標碰撞預警系統(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)進行搭建；并設計了空間危險目標的篩選算法，同時編寫了軟件及硬件代碼，加載到以上系統(tǒng)中進行實際的操作驗證。驗證結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了16個目標中危險目標的快速篩選功能，通過使用ChipScope邏輯分析工具進行波形分析，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；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在軌目標數(shù)量不斷增加，對空間目標進行碰撞預警所需要的計算量也在迅速增加，鑒于并行計算速度很快，因此適合應用并行計算對危險目標進行篩選，進而進行預警操作。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)分選領域倍受青睞，被廣泛應用于以太網(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，如果將二進制數(shù)1100放在數(shù)據(jù)線上，輸出的匹配結果將會是0011，如圖1所示，結果中的每一位二進制數(shù)對應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進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IP核一起可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設計。MicroBlaze處理器采用RISC架構和哈佛結構的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)部結構圖如圖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)的設計。其突出的優(yōu)點：一是設計靈活性；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。

3 算法設計
3．1 算法分析
對空間目標進行碰撞預警，實際上可以轉(zhuǎn)化為通過對目標之間的距離進行判斷比較，找出有碰撞危險的目標。由于空間目標的位置可以用三維空間坐標表示，因此對任意兩個目標之間距離的判斷又可進一步轉(zhuǎn)化為他們之間坐標的比較。
3．2 算法描述
假設只有3個目標需要進行坐標匹配處理，它們的坐標分別為A(xA、yA、zA)，B(xB、yB、zB)，C(xC、yC、zC)，需要一個深度為3的CAM，首先處理z坐標，將3個目標的x坐標存入CAM，如圖3所示。

然后分別將xA、xB、zC放在數(shù)據(jù)線上進行匹配操作，經(jīng)過3次匹配操作得到3個匹配結果RxA，RxB，RxC，對于y和z坐標進行相同操作，分別得到y(tǒng)和z的匹配結果為RyA，RyB，RyC和RzA，RzB，RzC，所得到的結果均為3位的二進制數(shù)，然后對每個目標進行內(nèi)部坐標對比，例如將目標A的3個匹配結果RxA，RyA，RzA進行對比，就可知道是否存在與目標A的3個坐標均相同的項，例如RxA，RyA，RzA分別為101，101，101則說明目標A與目標C的坐標是匹配的，進而可以判斷目標A與目標C有碰撞的可能。
與常規(guī)存儲器和軟件匹配方式有所不同，CAM對于數(shù)據(jù)的匹配操作是并行執(zhí)行的，這樣就可以大大提高數(shù)據(jù)匹配速度，進而提升系統(tǒng)效率。

4 硬件平臺搭建及運行
4．1 CAM模塊實現(xiàn)
利用賽靈思公司提供的IP核資源，通過配置CAM IP核參數(shù)化圖形界面，如圖4所示，在FPGA內(nèi)部例化了一個深度為16，字寬為32的CAM模塊，其基本參數(shù)如表1所示。

如表1所示，選擇存儲器類型為Block Memory這樣就可例化一個以FPGA片內(nèi)BRAM為基礎的CAM模塊，與基于SRL16(16 bit移位寄存器查找表)的CAM相比，其寫周期只需2個時鐘周期，寫操作所需時間為后者的1／8，提升了系統(tǒng)速度。

輸出地址編碼方式有3種可供選擇的方式：非編碼多位匹配(Multi Match Unencoded)、非編碼單一匹配(Single Match Unencoded)和二進制編碼(Binary Encoded)。第一種編碼方式可以從地址線上輸出所有可能的匹配項，而后兩種編碼方式則只能在地址線上輸出一個匹配項。
經(jīng)過實際驗證，由ISE綜合工具XST進行綜合后得出的綜合報告顯示，在型號為XC3S700AN的FPGA芯片中實現(xiàn)一個深度為16，字寬為32的CAM占用的資源情況如表2所示。

%20由表2可知，實現(xiàn)一個深度為16，字寬為32的CAM所占用的資源中，塊RAM所占比重較大，這是由于在FPGA內(nèi)部所實現(xiàn)的CAM模塊正是基于FPGA的塊RAM資源的，所以對塊RAM資源消耗比較多，因此在實際應用中選用FPGA芯片時應選擇塊RAM資源豐富的芯片。

4．2%20MicroBlaze軟核控制器與CAM的連接%20在FPGA芯片中配置一個MicroBlaze軟核控制器以實現(xiàn)對CAM的一系列控制，如復位、寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等，MicroBlaze通過PLB總線與CAM相連，同時為便于調(diào)試，在PLB總線上連接了串口等外設模塊，系統(tǒng)模塊圖如圖5所示。