星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器

摘要

本发明公开了一种星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器，其特征是：通讯控制器可同时接收来自各独立通道的四路工作在不同曝光时间和工作模式下的CCD成像数据；通讯控制器按行读出并打包每个通道的成像数据，根据四路CCD通道的通道号、场行同步码合并成一路串行数据流，一路串行数据流通过一个数传接口传送至一个卫星数据传输接口，串行数据流符合卫星下行数据接口标准。本发明将4路CCD的数据合并为一路数据流，以便能经由一个数传通道上传给卫星平台。

说明书

技术领域

本发明涉及一种星载4路转1路通讯控制器，用于4通道差分吸收光谱仪，是将4路CCD信号转为一路卫星要求的数据流格式，经由一路LVDS数传通道发送给卫星。本发明涉及星载光谱仪电子技术领域。

背景技术

随着航天光学遥感技术的发展，对星载CCD遥感相机的分辨率指标要求不断提高，为了满足要求，星载差分吸收光谱仪多采用多通道技术来获取宽光谱数据，本发明所涉及的光谱仪是由4片不同CCD相机构成了一个焦面电路，每个CCD相机的像元数不同，且曝光时间独立控制，这样就形成了4个独立的CCD相机。现有技术中，每一个独立的CCD相机，对应星上的一个数传通道。这样，4个独立工作的CCD相机就需要4个数传通道。随着卫星的设备越来越密集，数传通道资源越来越紧张，在本文所述及的的工程中，卫星总体只分配给该光谱仪一个数传通道，需要单机设备将自己的分设备数据统一编码，形成一路通讯数据流，经由一个数传通道上传给卫星平台。

鉴于4路独立工作的CCD数据的数据速率不一致，且随控制参数的调整而随时变化。因此，对于多通道光谱仪来说，需要一个通讯控制器，将4路不同速率的数据，统一打包成卫星平台规定的数据包格式，以使其能够经由一路LVDS数传通道传送至卫星平台。但是目前没有相关技术的公开报导。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的技术问题，提供一种星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器，将4路CCD的数据合并为一路数据流，以便能经由一个数传通道上传给卫星平台。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点是：所述通讯控制器可同时接收来自各独立通道的四路工作在不同曝光时间和工作模式下的CCD成像数据；通讯控制器按行读出并打包每个通道的成像数据，根据四路CCD通道的通道号、场行同步码合并成一路串行数据流，所述一路串行数据流通过一个数传接口传送至一个卫星数据传输接口，所述串行数据流符合卫星下行数据接口标准。

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点也在于：

所述CCD基于FPGA驱动，并且所述通讯控制器中各逻辑电路与所述CCD构建于同一片FPGA。

所述通讯控制器可接收星上指令和卫星参数，并与所述串行数据流一起打包传送至卫星数据传输接口。

在所述通讯控制器中包括有优先级编码器、数据缓冲器和并串转换器，所述并串转换器通过轮询标志位的方式获得数据缓冲器中来自不同通道的行数据，统一按固定格式混编4个CCD数据成为一路串行数据流进行输出。

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点还在于：

所述四路通道分别是由CCD驱动模块、A/D模块和CCD数据处理模块构成，所述四路工作在不同曝光时间和工作模式下的CCD成像数据来自各路CCD数据处理模块，当各路CCD数据处理模块完成各路CCD数据的读取与缓存时，生成四路缓冲区指针标志，并由优先级编码器读取四路缓冲区指针标志，当某一通道缓冲区指针标志为完成信号时，优先级编码器产生该通道的读取信号并传送至数据缓冲器，所述数据缓冲器从相应通道中将成像数据读入缓冲器，同时由数据缓冲器读取需要下传的卫星参数，按照卫星数传数据格式要求编排数据，与成像数据合成一帧数据包，交给并串转换模块，生成串行数据流，再发给LVDS总线实现串行输出。

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点还在于：

在四路缓冲区指针标志的生成阶段，当CCD数据处理模块完成某路CCD数据一帧数据读取时，CCD数据处理模块内缓存该数据的FIFO同时产生数据读取完成指针和缓冲区指针标志。

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点还在于：

定义四路CCD通道的通道号分别对应为通道号0-3；在优先级编码器读取四路缓冲区指针标志阶段，设定一个通道计数器，完成通道号0-3的循环计数，通道计数器初始值默认为0；当通道号为0时，判断该通道缓冲区指针标志是否置1，如果置1，则该通道数据准备好，产生该通道的发送标志给数据缓冲器；如果该通道缓冲区指针标志置0，表示该通道数据未准备好，则通道计数器自动加1，进入下一通道的数据选择判读，如此四个通道循环往复。

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点还在于：

设定一个发送计数器，在数据缓冲器读取到发送标志置位时，发送计时器开始计时，并在第一时刻更新FIFO指针的记录；同时数据缓冲器可通过发送标志判断为哪一路CCD，根据该CCD一行数据的长度，给定发送计数器一个发送长度，以开始发数工作。

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点还在于：

在数据缓冲器编排数据阶段，数据缓冲器判读优先级编码器给出的发送标志，如果发送标志置1，且判断发送标志为四个通道中哪个通道的发送标志，读取对应通道的CCD数据处理模块内的数据，进行格式编排和打包；同时读取卫星参数，按照卫星数据格式要求打包，与成像数据一起发送；

在所述数据缓冲器编排数据阶段，把一帧数据包分为8个阶段发送块，包括包头，包频，数据长度，卫星参数，通道号，场行同步字，成像数据和填充数据；

在所述数据缓冲器编排数据阶段，场行同步字和包频由相应的计数器生成；场同步字由CCD驱动模块每完成一场曝光图像给出触发信号，使场计数器加1得到，行同步字和包频计数由发送一行数据时的发送标志给出触发信号，包频计数器加1得到；

在所述数据缓冲器编排数据阶段，数据缓冲器和四路通道的数据处理模块接口皆为16bits。

本发明星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的结构特点还在于：

在所述并串转换模块生成串行数据流阶段，使用移位寄存器完成并串转换，每次转换的数据位为16Bits；

在所述并串转换模块生成串行数据流阶段，通过发送计数器的低4位来确定每16bits数据的发送；

在所述并串转换模块生成串行数据流阶段，一帧数据的发送长度由读取CCD一行的长度来确定。

在所述并串转换模块生成串行数据流阶段，设定串行数据输出频率大于四个CCD行读出频率的和，可保证4个通道的图像可在下次曝光时间之前传送完毕。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过将四个通道传输数据合并为一路传输数据，有效减少了对卫星数传通道的占用。

2、本发明可以将各逻辑电路构建于一片FPGA，且与CCD成像电路位于同一片FPGA，通过对外接口获得CCD相机的控制指令及卫星轨道参数，通过共享的RAM，获得4路CCD图像数据，其实施方式简单、功耗低、体积小

3、本发明方法适于各种基于FPGA驱动的CCD成像的使用情况，尤其适合于多通道系统中，而并非局限于四通道系统。

附图说明

图1为本发明中四通道CCD成像电路及数传电路结构示意图；

图2为本发明中4合1通讯控制器结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实施例中星载多通道差分吸收光谱仪4合1通讯控制器的实现方式是：所述通讯控制器可同时接收来自各独立通道的四路工作在不同曝光时间和工作模式下的CCD成像数据；通讯控制器按行读出并打包每个通道的成像数据，根据四路CCD通道的通道号、场行同步码合并成一路串行数据流，所述一路串行数据流通过一个数传接口11传送至一个卫星数据传输接口，所述串行数据流符合卫星下行数据接口标准。

具体实施中，相应的实施方式也包括：

CCD基于FPGA驱动，并且通讯控制器10中各逻辑电路与CCD构建于同一片FPGA。

通讯控制器10可接收星上指令9和卫星参数12，并与串行数据流一起打包传送至卫星数据传输接口。

在通讯控制器中包括有优先级编码器、数据缓冲器和并串转换器，并串转换器通过轮询标志位的方式获得数据缓冲器中来自不同通道的行数据，统一按固定格式混编4个CCD数据成为一路串行数据流进行输出。

四路通道分别是由CCD驱动模块、A/D模块和CCD数据处理模块构成，四路工作在不同曝光时间和工作模式下的CCD成像数据来自各路CCD数据处理模块，当各路CCD数据处理模块完成各路CCD数据的读取与缓存时，生成四路缓冲区指针标志16，并由优先级编码器13读取四路缓冲区指针标志，当某一通道缓冲区指针标志16为完成信号时，优先级编码器13产生该通道的读取信号并传送至数据缓冲器14，数据缓冲器14从相应通道中将成像数据读入缓冲器，同时由数据缓冲器14读取需要下传的卫星参数，按照卫星数传数据格式要求编排数据，与成像数据合成一帧数据包，交给并串转换模块15，生成串行数据流，再发给LVDS总线17实现串行输出。

在四路缓冲区指针标志的生成阶段，当CCD数据处理模块完成某路CCD数据一帧数据读取时，CCD数据处理模块内缓存该数据的FIFO同时产生数据读取完成指针和缓冲区指针标志。

定义四路CCD通道的通道号分别对应为通道号0-3；在优先级编码器13读取四路缓冲区指针标志阶段，设定一个通道计数器，完成通道号0-3的循环计数，通道计数器初始值默认为0；当通道号为0时，判断该通道缓冲区指针标志是否置1，如果置1，则该通道数据准备好，产生该通道的发送标志给数据缓冲器14；如果该通道缓冲区指针标志置0，表示该通道数据未准备好，则通道计数器自动加1，进入下一通道的数据选择判读，如此四个通道循环往复。

设定一个发送计数器，在数据缓冲器14读取到发送标志置位时，发送计时器开始计时，并在第一时刻更新FIFO指针的记录；同时数据缓冲器14可通过发送标志判断为哪一路CCD，根据该CCD一行数据的长度，给定发送计数器一个发送长度，以开始发数工作。

在数据缓冲器14编排数据阶段，数据缓冲器14判读优先级编码器13给出的发送标志，如果发送标志置1，且判断发送标志为四个通道中哪个通道的发送标志，读取对应通道的CCD数据处理模块内的数据，进行格式编排和打包；同时读取卫星参数，按照卫星数据格式要求打包，与成像数据一起发送；

在数据缓冲器14编排数据阶段，把一帧数据包分为8个阶段发送块，包括包头，包频，数据长度，卫星参数，通道号，场行同步字，成像数据和填充数据；

在数据缓冲器14编排数据阶段，场行同步字和包频由相应的计数器生成；场同步字由CCD驱动模块每完成一场曝光图像给出触发信号，使场计数器加1得到，行同步字和包频计数由发送一行数据时的发送标志给出触发信号，包频计数器加1得到；

在数据缓冲器14编排数据阶段，数据缓冲器14和四路通道的数据处理模块接口皆为16bits。

在并串转换模块15生成串行数据流阶段，使用移位寄存器完成并串转换，每次转换的数据位为16Bits；

在并串转换模块15生成串行数据流阶段，通过发送计数器的低4位来确定每16bits数据的发送；

在并串转换模块15生成串行数据流阶段，一帧数据的发送长度由读取CCD一行的长度来确定。

在并串转换模块15生成串行数据流阶段，设定串行数据输出频率大于四个CCD行读出频率的和，可保证4个通道的图像可在下次曝光时间之前传送完毕。

下面通过实施例对本发明做进一步说明：

以E2V公司的CCD47-20和CCD55-30作为本实施例中光谱仪使用的CCD芯片，其中通道0、1使用CCD47-20，通道2、3使用CCD55-30。4合1通讯控制器的时序产生使用的时钟源和4路CCD驱动信号时序产生使用的时钟源是不同的时钟源，CCD47-20驱动使用的时钟为24MHz，CCD55-30驱动使用的时钟位36MHz，4合1通讯控制器使用的时钟源为43MHz。

电路加电工作时，FPGA根据时钟信号产生4路CCD的曝光时序和A/D读取时序，如图1所示的CCD0 1、CCD1 3、CCD2 5、和CCD3 7，把4路CCD产生的光谱信号读进4路CCD数据处理模块，分别是CCD0数据处理模块2、CCD1数据处理模块4、CCD2数据处理模块6和CCD3数据处理模块8。

在CCD曝光阶段，由于是异步时序，且4路CCD的曝光时间可能不同，本实施例根据卫星注数，可选择设定每路CCD曝光时间为0.5秒，1秒，2秒，4秒四档，使得每个通道的光谱数据放进对应的CCD数据处理模块的时刻是不同的。

当某个通道的CCD数据处理模块完成数据缓存时，立刻在四路缓冲区指针中产生缓冲区完成指针标志16给4合1通讯控制器，4合1通讯控制器接收到该标志信号，判断是否读取该CCD数据处理模块的数据。

如图2所示，，缓冲区完成指针标志16进入到优先级编码器13，优先级编码器13依据数据缓冲器14状态判断是否接受该通道的数据。

优先级编码器的功能主要通过设定一个通道计数器来完成。由于本发明光谱仪通道数为4，因此取通道计数器ChannelCounter位数为2位可满足计数值。当优先级编码器开始运行时，初始状态ChannelCounter=0，优先级编码器根据ChannelCounter的值首先查询CCD0数据处理模块2缓冲区完成指针是否为1，如果是1则发出信号给数据缓冲器读取该通道CCD数据处理模块内的数据；如果是0则ChannelCounter自动加1，这时优先级编码器将根据ChannelCounter的更新值往下继续查询另一通道CCD1数据处理模块，该缓冲区完成指针是否为1，如果是1则发出信号给数据缓冲器读取CCD1数据处理模块内的数据；其它通道以此类推。

当数据缓冲器正处在发数阶段时，ChannelCounter不会执行加1步骤，则优先级编码器是不会去查询下一通道缓冲区完成指针。

在数据缓冲器进入发数阶段时，主要功能通过设定一个发送计数器来完成，本实施例中设定发送计数器SendingCounter位数为14位，计数长度由一包数据的长度确定。跟据卫星数传通道数据格式要求，CCD47-20一包数据长度为17824bits，CCD55-30一包数据长度为21248bits。

在本实施例中SendingCounter计数值设定阶段，同时设定变量BitNumber，在发送CCD47-20数据时，BitNumber长度为17696，在发送CCD55-30数据时，BitNumber长度为21120。以上BitNumber长度的设定是根据CCD47-20和CCD55-30一行读出的象元数来确定，CCD47-20读出一行的像元数为1072个，CCD55-30读出一行的像元数为1286个。

在数据缓冲器14进入发数阶段时，数据缓冲器通过SendingCounter完成一包数据的编排工作。本实施例中，把一包数据分为8个组成部分，包括包头，包频，数据长度，卫星参数，通道号，场行同步字，成像数据和填充数据。包头在SendingCounter值从15-31之间发送，包频在SendingCounter值从31-47之间发送，数据长度在SendingCounter值从47-63之间发送，卫星参数在SendingCounter值从63-511之间发送，通道号在SendingCounter值从511-527之间发送，场行同步字在SendingCounter值从527-543之间发送，成像数据在SendingCounter值从543-BitNumber之间发送，填充数据在SendingCounter值从BitNumber-17824（或21248）之间发送。

在数据缓冲器14编排数据阶段，一包数据除了成像数据长度有所变化，其它组成部分都是由固定长度的字节构成。包头标识的是该光谱仪在卫星中身份识别，由卫星总体给出一固定的2字节的数值；包频标识的是数据包发送的数量，通过设定一个包频计数器完成，每发送一包数据，该计数器加1；数据长度也就是每包发送数据的长度，本实施例中，存在4个不同的CCD通道，在该通道数据开始发送时，数据长度即被赋值；本实施例中，卫星参数为56个固定字节，为卫星给出的指令和GPS等参数信息，卫星参数12由卫星参数接口获得；通道号即为正在发送的数据对应的通道，可由通道计数器ChannelCounter赋值获得；行场同步字由相应的计数器生成，场同步字由各CCD驱动模块每完成一场曝光图像给出触发信号，使场计数器加1得到，行同步字由每包数据发送开始时的包同步信号给出，使行计数器加1得到，同时行计数器被每完成一场曝光图像给出的触发信号清零；成像数据即为CCD的图像数据；为保证4通道光谱仪数据在给定的曝光时间内传输完毕，并留有一定的裕度，又不浪费数传通道资源，数传接口11设定的传输速率要比每包数据需要的传输速率稍大，因此产生填充数据，本实施例中，在每包数据剩余部分填充数值为1。

数据缓冲器完成格式编排，将数据发送给并串转换模块15生成串行数据流，该串行数据流与卫星之间的接口为LVDS三线接口，分别为数据发送时钟（T_CLK），帧同步(FRAME)和数据(DATA)。

在并串转换模块15生成串行数据流阶段，使用移位寄存器完成并串转换，每次转换的数据为16Bits。该移位寄存器的移位时钟即为T_CLK，以SendingCounter低4位为一个发送周期，每发送完一组16Bits数据后，可更新成另一组16Bits数据继续发送。

LVDS接口的FRAME信号，由SendingCounter计数器生成，低有效，不发送数据时保持高位。本实施例中，SendingCounter的计数时钟为T_CLK，计数值为16时，帧同步信号变低，计数值达到一包数据长度时（17824或21248），计数值清零。

卫星数传通道通过数传接口11接收到数据，对数据包解码。根据行场同步字，数据长度，通道号，成像数据这几个变量，可对应恢复出4个CCD光谱仪数据。