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火星上的fpga处理

为什么在毅力号漫游者中使用fpga用于雷达收发器、导航系统、电机控制器和计算机视觉应用。

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“毅力”号火星车的任务是寻找微生物形式的生命,于美国东部时间2021年2月18日凌晨4点登陆火星。“火星漫游车”配备了多个传感器和摄像头,以便尽可能多地收集数据。由于记录的实时数据量大,而且从火星到地球的数据传输时间长,一个强大的处理系统至关重要。

然而,早期的火星探测器主要配备cpu和asic作为处理单元,fpga承担了毅力号的大部分工作。让我们想想为什么会这样。

毅力漫游者的fpga责任

FPGA用于较新的MARS ROVERS,用于雷达收发器,导航系统,电机控制器和计算机视觉应用等不同应用。毅力利用近十年历史的FPGA技术(Xilinx Virtex-5)作为主要加工单位之一。本机首先负责Rover条目,下降和降落于火星,然后它被从地球中的美国宇航局工程师的计算机视觉任务编程。使用XQR4VFX60和XQR2V3000 FPGA来控制恒定的持续防护装置,如UHF收发器,雷达,X射线(识别化学品)和摄像机。

“恒心”最重要的单元之一是SHERLOC,这是一个相当贴切的首字母缩略词,意思是用拉曼光谱和荧光光谱扫描可居住环境。它使用照相机、光谱仪和激光来寻找被水环境改变的有机物和矿物质,它们可能是过去微生物生命的迹象。SHERLOC的功能主要是在一个单元中实现的,它是一个传感器融合模块(结合了相机、光谱仪和激光),目的是精细地检测矿物、有机分子和潜在的生物特征。该单元也由XQR2V3000 FPGA运行。


图1:坚持不懈的火星流动站。

关于毅力号有趣的一点是,通过使用fpga来实现良好优化的机器学习和计算机视觉算法,它实现了比2012年8月5日登陆火星的好奇号探测器更高的性能水平(约18倍),后者仍然活跃在火星上。

在太空中使用fpga的好处

以下是FPGA为恒定最强烈的处理功能的最佳选择的主要原因:

  • Re-programmability:机会流浪者于2003年开始在火星上义务,这是一场由2018年由火星尘暴的巡回赛。好奇路虎(如上所述,2012年巡回巡回演出)仍然活跃。流浪者的寿命足够长,即加工系统架构必须适应重新配置,让NASA的工程师随时改变/优化它。FPGA提供直接访问固件,从而导致速度重新编程。
  • 低功率:电力消耗越低,流动站的预期寿命越多。重沉重,具有多个传感器,相机和电机,具有低功耗数据处理单元非常重要,这可能成为流动站上最令人掌的单位之一。
  • 辐射耐受: Cosmic radiation such as particles trapped in the Earth’s magnetic field, particles shot into space during solar flares (solar particle events), and galactic cosmic rays, can result in single event upsets and latch-ups (SEUs and SELs respectively) in digital circuitry. For this reason, radiation-tolerant FPGAs are used and tested extensively on satellites in the space for many years.
  • 安全:在fpga硬件中部署加密算法可以提供更强的安全性。(当然,外星人正在寻找一种方法来窃取我们的数据。)
  • 成本效率和更快的时间到空间:由于在任何空间项目的开发阶段,处理单元的架构有许多变化 - 通常必须达到发射窗口的必要条件 - 很难允许制造ASIC。而且,ASIC的设计,开发和制造成本非常高。

然而,即使有了使用fpga的上述好处,如果没有使用最合适的EDA工具来实现这些步骤的自动化,并在发布当天为您提供最大的信心,那么您仍然可能有一个相对复杂的设计验证过程。

在生成网表之前,RTL仿真让我们在早期阶段找到设计中的错误,这为我们节省了很多时间和金钱。模拟后,原型设计是让我们完全自信地对设计验证的准确性。此步骤需要单个到多FPGA原型板。如果设计不符合单个芯片,则必须将其分为多FPGA,如果手动完成,则存在问题。这是一个设计验证管理工具与多fpga自动分区功能节省了一大笔钱。


图2:ALDEC FPGA / ASIC原型和仿真解决方案。



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