基于FPGA的空间目标碰撞预警系统

选目标的数量。 CAM 容 量 的扩 展 ，需 要占 用 更 多的 FPGA 芯 片资源，同 时 其运 行 频 率会 有 所 降低 ，以 某 Spartan3A 芯片 为 例，三者之间的关系如表 3、表 4、表 5 所示[6]。
CHU Peng-hui， CHENG Tao （School of Jet Propulsion， Beihang University， Beijing 100191， China）
Abstract: To solve the problem of the collision between the targets and the spacecraft， a space targets collision warning system was designed based on FPGA， and the data which are the three-dimensional coordinates of the targets can be deal parallel in the system. The system was built on the CAM IP core and MicroBlaze soft core controller in Xilinx FPGA under the environment of the Embedded Development Kit （EDK）. At the same time， an algorithm of sifting dangerous targets was designed， and software and hardware codes were compiled. After being verified in the system ， the result proves that the system realizes the function of fast sifting dangerous targets from 16 targets. After analysing with ChipScope，it shows that the time period to operate a complete sifting is 1.8s.
4 硬件平台搭建及运行
4.1 CAM 模块实现 利用赛灵思公司提供的 IP 核资源 ，通过配置 CAM IP 核
参 数 化 图 形 界 面 ，如 图 4 所 示 ，在 FPGA 内 部 例 化 了 一 个 深 度为 16，字宽为 32 的 CAM 模块，其基本参数如表 1 所示。
图 2 MicroBlaze 内部结构框图 Fig. 2 Structure of Microblaze core
图 1 CAM 结构简图 Fig.1 Structure diagram of CAM
收 稿 日 期 ：2010-10-22
稿 件 编 号 ：201010074
作者简介：褚鹏辉（1985— ），男，河北省涿州人，硕士。研究方向：FPGA 硬件控制与应用。
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《电子设计工程》2011 年第 3 期
图 3 算法分析简图 Fig. 3 Diagram of algorithm analysis
然后分别将 xA、xB、xC 放在数据线上进行匹 配 操 作 ， 经 过 3 次 匹 配 操 作 得 到 3 个 匹 配 结 果 RxA，RxB，RxC， 对 于 y 和 z 坐 标进行 相 同 操作 ， 分 别 得到 y 和 z 的 匹配 结 果 为 RyA，RyB，RyC 和 RzA，RzB，RzC，所得到的结果均为 3 位 的 二进 制 数 ，然后 对 每 个目标进行内部坐标对比， 例如将目标 A 的 3 个匹配结果 RxA，RyA，RzA 进 行 对比 ，就 可 知道 是 否 存 在 与 目 标 A 的 3 个 坐
间为 1.8 s。
关键词： 现场可编程门阵列； Microblaze； 内容可寻址存储器； 空间目标； 碰撞
中图分类号： TP332
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2011）03-171-03
Space targets collision warning system based on FPGA
标均 相 同 的 项 ，例 如 RxA，RyA，RzA 分 别 为 101，101，101 则 说 明 目标 A 与目标 C 的坐标是匹配的， 进而可以判断目标 A 与 目标 C 有碰撞的可能。
与常规存储器和软件匹配方式有所不同，CAM 对于数据 的匹配操作是并行执行的，这样就可以大大提高数据匹配速 度，进而提升系统效率。
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图 4 CAM 参数化图形界面 Fig. 4 CAM parameterized graphical interface
表 1 16×32 bit CAM 基本参数 Tab. 1 16×32 bit CAM basic parameters
存储器类型 Block Memory
数据字宽 32
Slices
FFs
LUTs
块 RAM
1%
<1%ຫໍສະໝຸດ 1%20%褚鹏辉，等 基于 FPGA 的空间目标碰撞预警系统
由 表 2 可 知 ，实 现 一 个 深 度 为 16，字 宽 为 32 的 CAM 所 占 用 的 资源 中 ，块 RAM 所占 比 重 较 大 ，这 是 由 于 在 FPGA 内 部所 实 现 的 CAM 模 块 正 是基 于 FPGA 的 块 RAM 资 源 的 ，所 以对块 RAM 资源消耗比较多，因此在 实 际 应用 中 选 用 FPGA 芯片时应选择块 RAM 资源丰富的芯片。 4.2 MicroBlaze 软核控制器与 CAM 的连接
使用 Xilinx 公 司 提供 的 EDK（嵌 入式 系 统 开发 套 件 ），可 以在参数化的图形界面下方便地完成嵌入式处理器系统的 设计。 其突出的优点：一是设计灵活性；二是可以整合用户自 定义 IP 核 ， 使 得 算 法 可 以 在 硬 件 中 并 行 的 执 行 而 不 是 在 软 件中串行的执行，从而极大地加速软件的执行速度。
经过实际验证， 由 ISE 综合工具 XST 进行综合后得出的 综合报告显示，在型号为 XC3S700AN 的 FPGA 芯片中实现一 个深度为 16，字宽为 32 的 CAM 占用的资源情况如表 2 所示。
表 2 FPGA 资源占用情况 Tab. 2 FPGA resources occupancy
快速并行处理的目标碰撞预警系统。 该系统基于 Xilinx 公司 FPGA 芯片中的内容可寻址存储器（Content Addressable
Memory，CAM） IP 核和 MicroBlaze 软核控制器，利用嵌入式开 发 套 件（EDK）进 行 搭 建；并 设 计 了空 间 危 险目 标 的 筛选
深度 16
输出地址编码方式 非编码多位匹配
如表 1 所示， 选择存储器类型为 Block Memory 这样就可 例化一个以 FPGA 片内 BRAM 为基础的 CAM 模块， 与基 于 SRL16（16 bit 移 位 寄 存 器 查 找 表 ）的 CAM 相 比 ，其 写 周 期 只 需 2 个 时 钟 周期 ，写 操 作所 需 时 间为 后 者 的 1/8，提 升 了 系 统 速度。
处理 、数 据 安全 和 数 据加 密 等[2]。 1.2 CAM 工作原理
CAM 最基本的两个端口是数据线和地址线，数据线作为 输入端口，存放需要由 CAM 来处理的数据 ，而地址线作为 输 出端口，输出 CAM 的处理结果— — — 匹配数据所在地 址 。 图 1 所示为深度为 4、字宽为 4 的 CAM，如 果 将二 进 制 数 1100 放 在数据线上，输出的匹配结果将会是 0011，如图 1 所示，结果 中的每一位二进制数对应 CAM 内部每一条数据， 数 据 线 上 数据与 CAM 内部数据相等则对应位输出为 1，不相等则输出 为 0。 由于 CAM 具有并行匹配特性，所以很适合对空间多个 目标进行同时并行匹配处理。
在 FPGA 芯片中配置一个 MicroBlaze 软核控 制器 以 实 现 对 CAM 的 一 系 列 控 制 ， 如 复 位 、 写 入 数 据 、 读 取 数 据 等 ， MicroBlaze 通过 PLB 总线与 CAM 相连， 同时为便于调试，在 PLB 总线上连接了串口等外设模块，系统模块图如图 5 所示。
3 算法设计
3.1 算法分析 对空间目标进行碰撞预警， 实际上可以转化为通过对目
标之间的距离进行判断比较，找出有碰撞危险的目标。 由于空 间目标的位置可以用三维空间坐标表示， 因此对任意两个目 标之间距离的判断又可进一步转化为他们之间坐标的比较。 3.2 算法描述
假设只有 3 个目标需要进行坐标匹配处理，它们的坐标 分 别 为 A （xA、yA、zA），B （xB、yB、zB），C （xC、yC、zC）， 需 要 一 个 深 度 为 3 的 CAM， 首 先 处 理 x 坐 标 ， 将 3 个 目 标 的 x 坐 标 存 入 CAM，如图 3 所示。
算法，同时编写了软件及硬件代码，加载到以上系统中进行实际的操作验证。 验证结果表明，该系统实现了 16 个目标
中危 险 目标 的 快 速 筛 选 功 能 ，通 过 使 用 ChipScope 逻 辑 分 析 工 具 进 行 波 形 分 析 ，可 知 系 统 执 行 一 次 筛 选 操 作 所 需 时
1 CAM
1.1 CAM 概述 CAM 是一种特殊的存储器，它是将数据项存储在一个阵
列中。 每个数据项的位数叫作字宽，CAM 中所有数据项的条 数 叫 作 CAM 的 深 度 。 字 宽 和 深 度 可 以 表 征 CAM 的 容 量 。 CAM 基于内容寻址，通过硬件电路实现快速匹配。 CAM 的并 行处理特性使得它在数据分选领域倍受青睐，被广泛应用于 以太网网址搜寻、数据压缩、模式识别、高速缓存、高速数据