《電子技術(shù)應(yīng)用》
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航測CCD預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2011年第11期
陳蘇婷1，楊世洪2
1.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京210044； 2.中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都610209
摘要： 設(shè)計了一個應(yīng)用于航空攝影測量的CCD預(yù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)由相機數(shù)據(jù)處理和控制分系統(tǒng)組成。相機數(shù)據(jù)處理部分實現(xiàn)與記錄系統(tǒng)和機上數(shù)傳系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，要求對CCD相機送來的數(shù)據(jù)進行合成、壓縮、緩存和視頻編碼。控制分系統(tǒng)實現(xiàn)與各系統(tǒng)之間的串口通信、溫度控制以及電壓轉(zhuǎn)換。介紹了視頻編碼芯片和單片機通過I2C總線進行數(shù)據(jù)通信的原理和具體實現(xiàn)。該系統(tǒng)已經(jīng)通過驗證，可滿足航空攝影測量的需求。
中圖分類號： TN919.81
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)11-0055-03
The design and implementation of preprocessing system based on aerial photograph measurement
Chen Suting1，Yang Shihong2
1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Informaiotn Processing, Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China； 2.Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209，China
Abstract： A preprocessing system applied to aerial photograph measurement is designed. The system includes camera data processing and controlling subsystem. The part of camera data processing is to implement data communication with recording system and data transport system on the plane. The data from CCD camera are demanded to combine, compress, store and video encode. Controlling subsystem is to achieve serial port communication with other systems, temperature controlling and voltage conversion. The theory and realization of data communication through I2C bus between video encoding chip and single-chip are presented. The system is validated and satisfies the requirement to aerial photograph measurement.
Key words : aerial photograph measurement；video encoding；serial port communication；I2C bus


    為航空攝影測量系統(tǒng)，設(shè)計了一個預(yù)處理系統(tǒng)以實現(xiàn)高分辨率航測相機與記錄系統(tǒng)及，機上主控機數(shù)傳系統(tǒng)之間的通信。在這個預(yù)處理系統(tǒng)中，要求接收CCD相機送來的數(shù)字視頻信號，并對相機數(shù)據(jù)處理(合成、壓縮、緩存)后經(jīng)視頻編碼轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)CCIR模擬視頻信號，傳送到機上傳輸系統(tǒng)。同時要求接收地面的控制信號，對機上電子系統(tǒng)進行遠程遙控，實現(xiàn)各串口的通信。并且需要采集機上光機及電子系統(tǒng)各部分溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在高空飛行中的溫檢及溫控。由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計對整個航測系統(tǒng)起著重要的作用。
1 預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計模塊
    本系統(tǒng)主要由以下部分組成：
    (1)航測CCD相機：相機選用高分辨率2 K×2 K航測CCD相機。
    (2)預(yù)處理系統(tǒng)：實現(xiàn)高分辨率航測CCD相機與記錄系統(tǒng)及機上主控機數(shù)傳系統(tǒng)之間的通信。
    (3)記錄系統(tǒng)：實現(xiàn)對航測CCD相機數(shù)據(jù)的高速實時記錄。
    (4)電源：供給各系統(tǒng)所需電壓。
    其中，預(yù)處理系統(tǒng)部分是整個航測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。它主要由相機數(shù)據(jù)處理和控制分系統(tǒng)兩部分組成。相機數(shù)據(jù)處理部分需要接收航測相機送來的圖像數(shù)據(jù)，分別實現(xiàn)與記錄系統(tǒng)和機上主控機數(shù)傳系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。由于CCD相機輸出為兩路數(shù)據(jù)，所以首先需要將CCD相機的輸出數(shù)據(jù)送入FPGA進行數(shù)據(jù)合成。合成后的數(shù)據(jù)再分兩路輸出：一路送入記錄系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行記錄；另一路進行數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)送到緩存器保存，然后經(jīng)過視頻編碼，轉(zhuǎn)換為CCIR標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號，送到機上傳輸系統(tǒng)，從而完成對CCD相機圖像數(shù)據(jù)的處理。
    同時，為了實現(xiàn)相機數(shù)據(jù)與各分系統(tǒng)之間的串口通信、控制命令及電壓轉(zhuǎn)換等功能，需要設(shè)計一個控制分系統(tǒng)，主要完成以下功能：
    (1)與各分系統(tǒng)之間的串口通信：與機上主控機數(shù)傳系統(tǒng)的串口通信（RS422接口）；與記錄分系統(tǒng)的串口通信（RS232接口）用于實現(xiàn)記錄控制和附加參數(shù)；與航測相機的串口通信（為LVDS接口），用于實現(xiàn)對相機的控制；接收GPS參數(shù)（為RS232接口）。
    (2)在高空飛行中對機上光機及電子系統(tǒng)各部分進行溫度檢測，從而實現(xiàn)加溫控制。
    (3)電源部分：接收機上28 V直流輸入，轉(zhuǎn)換成CCD相機工作電源＋12 V，信號預(yù)處理及控制系統(tǒng)電源＋5 V、記錄系統(tǒng)及硬盤＋12 V和5 V，加溫電源直接用機上28 V。
    預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計模塊如圖1所示。

2 預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計方案
    由上述系統(tǒng)設(shè)計模塊，可以確定整個系統(tǒng)設(shè)計方案如下：
    相機數(shù)據(jù)處理部分實現(xiàn)如下流程：
    (1)首先通過外同步時鐘以及行、場時鐘信號順序讀入圖像數(shù)據(jù)，并將送來的數(shù)據(jù)信號（接口為Cameralink）經(jīng)過專用解碼芯片轉(zhuǎn)換為TTL信號。
    (2)由于轉(zhuǎn)換后的TTL信號數(shù)據(jù)為兩路12 bit，將其送入FPGA進行數(shù)據(jù)合成，合成后的數(shù)據(jù)分兩路輸出：一路直接變換為LVDS信號送記錄系統(tǒng)，采用抽幀方式，記錄幀頻約1幀/s；另一路經(jīng)過壓縮、緩存、視頻編碼后轉(zhuǎn)換為CCIR模擬視頻信號送入機上傳輸系統(tǒng)。
    (3)對合成后的數(shù)據(jù)進行壓縮: 壓縮方式可以是Bin方式、直接抽點或局部選擇等，本文選用Bin方式。
    (4)由于相機的幀頻與最終輸出的模擬視頻信號的幀頻不一致，所以首先需要將壓縮后的數(shù)據(jù)送入靜態(tài)存儲器（SRAM）進行緩存。采用兩塊SRAM乒乓緩存的方式，很好地完成了對于海量連續(xù)的高速數(shù)據(jù)流CCD相機圖像數(shù)據(jù)的無縫緩沖和處理。
    (5)對緩存后的輸出數(shù)據(jù)進行視頻編碼轉(zhuǎn)換為CCIR模擬視頻信號送入機上傳輸系統(tǒng)。
    (6)當(dāng)下一幀CCD控制信號有效時，返回(1)。
    控制分系統(tǒng)部分：
    主要功能之一是實現(xiàn)與各分系統(tǒng)之間的串口通信。選用AT89LS51單片機外加1個四串口擴展芯片ST16C554實現(xiàn)航測相機與各分系統(tǒng)之間的串口通信。AT89LS51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8 bit單片機，可靈活地實現(xiàn)在線系統(tǒng)編程；帶有一個全雙工串型通信口，在本系統(tǒng)中用于實現(xiàn)與機上主控機數(shù)傳系統(tǒng)的通信。1片串口擴展芯片ST16C554分別實現(xiàn)與記錄分系統(tǒng)、相機和GPS信息的串口通信。具體分配為：擴展后的2個串口用于記錄系統(tǒng)：一個作為記錄控制命令使用，另一個專門用來發(fā)送附加信息，兩串口均為RS232接口。同時一個串口用于接收GPS信息，接口形式為RS232。FPGA 的工作模式由單片機實現(xiàn)，可在地面進行遙控。
    在高空飛行中，加溫是一個很重要也很關(guān)鍵的問題。為實現(xiàn)對機上光機及電子系統(tǒng)各部分進行溫度檢測，本設(shè)計采用Dallas的DS18B20串行輸出數(shù)字測溫芯片，可以多路并聯(lián)，只由單片機一位I/O口就可以實現(xiàn)全部的控制和溫度采集，有很強的擴展能力。
    整個預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 預(yù)處理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
3.1 I2C總線原理
    目前許多視頻編、解碼芯片支持I2C總線通信協(xié)議, I2C總線是PHILIPS公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線：串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線(SCL)即可使連接于總線上的器件之間實現(xiàn)信息傳送，同時可通過對器件進行軟件尋址，而不是對硬件進行片選尋址的方式來節(jié)約通信線數(shù)目，從而減少了硬件所占空間。I2C總線采用８ bit、雙向串行數(shù)據(jù)傳送方式，在發(fā)送器和接收器之間進行雙向傳送，標(biāo)準(zhǔn)傳送速率為100 KB/s，快速方式下可達400 KB/s。
3.2 I2C總線傳輸格式
    I2C總線傳輸過程由一個起始條件來起動。起始條件產(chǎn)生后，總線進入“忙”狀態(tài)。開始傳輸一條包含一個地址和許多數(shù)據(jù)字節(jié)的信息。I2C的信息是通過終止條件或一個重復(fù)起始條件連續(xù)傳輸。終止條件將釋放主機的總線控制權(quán)限。而重復(fù)起始條件用來實現(xiàn)多于一條的來自同種或不同器件的信息傳輸，但不改變主機權(quán)限。終止和重復(fù)起始條件只在主機模式下產(chǎn)生。數(shù)據(jù)和地址傳輸時，8 bit為1 B，高位在前。在緊跟數(shù)據(jù)字節(jié)的第9個時鐘脈沖內(nèi)，接收器必須向發(fā)送器發(fā)送一位應(yīng)答位。從機可以延長時鐘脈沖的時間（出于時序的原因）。起始條件后跟隨一個7 bit的地址和1 bit的R/W方向位。I2C總線傳輸格式如圖3所示。

    圖3中S為重復(fù)起始條件，SLV_W為從機地址和寫方向位，A為最后一個字節(jié)的應(yīng)答，SLV_R為從機地址和讀方向位，N為最后一個字節(jié)無應(yīng)答，SUB為子地址，P為終止條件，D1……Dn 為數(shù)據(jù)字節(jié)塊。
3.3 ADV7300A與AT89LS51的I2C數(shù)據(jù)通信
    選用的視頻編碼芯片是ANALOG公司的ADV7300A。ADV7300A是ANALOG公司推出的內(nèi)含12 bit DAC的數(shù)字視頻編碼器。它集D/A和編碼于一身，并可以對輸入的多種格式數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)最高分辨率為10 bit）進行編碼及D/A轉(zhuǎn)換，以輸出PAL制式、NTSC制式的復(fù)合視頻信號(CVBS)或S-Video方式的Y/C分量信號和復(fù)合全電視信號。
    為實現(xiàn)ADV7300A與單片機之間的數(shù)據(jù)通信，選用ADV7300A作為從設(shè)備，AT89LS51作為主設(shè)備。雖然AT89LS51單片機不支持I2C總線結(jié)構(gòu)，但仍然可以利用單片微處理器的普通I/O口來模擬I2C總線，通過軟件編程來實現(xiàn)，但注意一定要嚴格按I2C總線的時序進行。首先從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送一個地址字節(jié)，之后主設(shè)備則發(fā)一個應(yīng)答信號，從設(shè)備接到應(yīng)答后，再發(fā)給主設(shè)備一個控制字節(jié)，當(dāng)主設(shè)備接到控制字節(jié)后，再發(fā)給從設(shè)備一個應(yīng)答。之后主、從設(shè)備間就可進行數(shù)據(jù)通信了。ADV7300A與89LS51間通信工作流程圖如圖4所示。

    本系統(tǒng)的設(shè)計要點在于對CCD相機數(shù)據(jù)的合成、壓縮、以及視頻編碼芯片和單片機之間的I2C數(shù)據(jù)通信。整個系統(tǒng)采用XILINX公司SPARTAN2E系列FPGA實現(xiàn)相機數(shù)據(jù)處理部分，并采用AT89LS51單片機和串口擴展芯片實現(xiàn)與各分系統(tǒng)間的串口通信及溫檢溫控。目前該系統(tǒng)已經(jīng)通過驗證，很好地滿足了航空攝影測量系統(tǒng)的需求，具有很高的應(yīng)用價值。
參考文獻
[1] 何立民．I2C總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1995．
[2] 劉玉璽，湯楠.MAX517與單片機的I2C總線數(shù)據(jù)通信[J-OL].http：www.//.21ic.com. 2003-07-01.

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