自适应光学系统中SoC应用研究

摘要

随着自适应光学技术的不断发展，越来越多的地面天文望远镜需要安装自适应光学系统。通过自适应光学系统对波前扭曲的校正，将极大地提高地面天文望远镜的分辨率，使得天文望远镜可以看得更深更远。　　在自适应光学系统中，通过高速CCD捕获的图像，实时计算图像特征，得到最终的控制量信息，并通过高压驱动器对变形镜镜面进行实时调整，整个过程必须在1毫秒之内完成。这样，就可以克服大气湍流对波前扭曲的影响。并且，处理过程越快，对波前扭曲的校正效果就越好。因此，对用于光学图像处理和控制变形镜的硬件平台提出了苛刻的要求。自适应光学处理平台，应该满足下面三个要求:1）能实时高效地处理数据;2）有很好的可视化能力，用于显示所捕获的CCD图像和自适应光学系统的实时状态参数;3）有远程更新的能力，用于对该系统进行远程维护。　　根据上述要求，在自适应光学系统的图像信息处理和变形镜控制硬件平台中，率先使用了Xilinx于2013年量产的Zynq-7000全可编程片上系统(SoC)器件作为系统的核心处理部件，并在其外围搭载了一片高性能大容量的现场可编程门阵列(FPGA)专门用于并行处理复杂的图像信息和计算控制量。　　根据自适应光学系统可视化的要求，将全球流行的嵌入式操作系统Ubuntu14.10移植到硬件平台中的XC7Z045 SoC器件上，并且通过Qt集成开发环境在该操作系统下开发了应用程序，用于实时显示CCD捕获的图像和自适应光学系统的关键参数。根据这些状态参数信息，算法设计人员就可以对控制策略进行优化，使得自适应光学系统工作在最佳状态。　　此外，考虑到系统的工作环境，在所设计的硬件平台中，增加了对自适应光学系统处理平台进行远程更新的能力。这样，用户不必到现场就能够实现对系统进行远程维护。　　论文从自适应光学处理平台的构建、Ubuntu操作系统的移植、SoC应用程序开发、上位机程序开发、系统调试和测试五个方面对整个系统硬件平台的构建和相应的软件程序设计进行了详细说明。　　该研究提出的自适应光学系统硬件处理平台体系结构和软件设计方法，除了可以应用于已建成和将要兴建的天文望远镜自适应光学系统外，对其它领域自适应光学系统的应用也有借鉴作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 论文研究背景

1．2．1 论文研究的目的及意义

1．2．2 论文研究的应用领域

1．3 国内外研究现状

1．3．1 自适应光学系统的研究现状

1．3．2 自适应光学中高性能数据处理方法的发展

1．4 论文用到的关键技术

1．4．1 Xilinx Zynq-7000 SoC

1．4．2 Ubuntu操作系统

1．4．3 Qt集成开发环境

1．4．4 Visual C++集成开发环境

1．5 论文的研究内容、重点及创新点

1．5．1 论文的研究内容

1．5．2 论文研究的重点

1．5．3 论文的创新点

1．6 论文的组织结构

第二章 自适应光学处理平台的构建

2．1 平台性能要求

2．2 硬件平台结构

2．3 通用IP添加

2．3．1 ARM AXI规范和接口原理

2．3．2 AXI DMA IP原理和结构

2．3．3 AXI VDMA IP原理和结构

2．3．4 HDMI IP原理和结构

2．3．5 HDMI模块与系统的连接

2．4 定制IP核设计

2．4．1 cameralink图像捕获IP核定制

2．4．2 cameralink配置IP核定制

2．4．3 下载IP核定制

2．4．4 发送器IP核定制

2．4．5 读写内存IP核定制

2．5 本章小结

第三章 Ubuntu操作系统的移植和启动

3．1 u-boot概述及编译

3．1．1 u-boot概述

3．1．2 下载u-boot源码

3．1．3 u-boot配置与编译

3．2 内核概述及编译

3．2．1 内核概述

3．2．2 内核编译

3．3 设备树概述及编译

3．3．1 设备树概述

3．3．2 设备树数格式

3．3．3 修改设备树

3．3．4 设备树的编译

3．4 文件系统概述及编译

3．5 Zynq-7000 SoC启动原理及生成镜像

3．5．1 Zynq-7000 SoC引导原理

3．5．2 SD卡接口

3．5．3 创建第一级引导启动代码

3．5．4 SD启动镜像的生成

3．6 本章小结

第四章 SoC应用程序设计

4．1 Qt环境的构建

4．1．1 PC机的Qt安装

4．1．2 构建目标Qt环境

4．2 网络通信程序设计

4．3 串口通信程序设计

4．4 读写存储器与图像显示设计

4．5 本章小结

第五章 上位机程序设计

5．1 设计原理

5．2 CAsyncSocket类说明

5．3 设计界面

5．4 VC客户端程序实现方法

5．5 本章小结

第六章 系统调试和测试

6．1 从SD卡启动引导系统

6．2 AO系统CCD相机配置口与上位机专用AO程序联测

6．3 cameralink图像捕获lP核仿真与图形显示界面测试

6．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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