摘 要： 提出了一種新的基于虛擬圖像注入的目標(biāo)模擬器的研究方法。該方法基于速度追蹤原理。模擬器從主控計(jì)算機(jī)獲得跟蹤設(shè)備及目標(biāo)的參數(shù)，用DSP產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA控制圖像時(shí)序，最后通過Camera Link接口將目標(biāo)跟蹤的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送出去，完成對(duì)目標(biāo)捕獲及跟蹤的模擬訓(xùn)練過程。給出了軟、硬件實(shí)現(xiàn)的方案和結(jié)構(gòu)。跟蹤捕獲過程可以達(dá)到目標(biāo)場(chǎng)景的全景性和實(shí)時(shí)性，能夠滿足光電跟瞄設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)與操作訓(xùn)練要求。
關(guān)鍵詞： 虛擬圖像注入；FPGA；DSP；異步FIFO；Camera Link

　　軍隊(duì)靶場(chǎng)訓(xùn)練基地用于跟蹤高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的主要手段是光電跟瞄設(shè)備。對(duì)于光電跟瞄系統(tǒng)而言，操作訓(xùn)練需要外部目標(biāo)環(huán)境的緊密配合，因此，訓(xùn)練所需的目標(biāo)環(huán)境構(gòu)建成為對(duì)操作手訓(xùn)練和對(duì)光電跟瞄設(shè)備仿真檢測(cè)的關(guān)鍵因素之一。如果通過現(xiàn)場(chǎng)飛行試驗(yàn)來構(gòu)造目標(biāo)環(huán)境，則訓(xùn)練成本過大，還受到天氣等環(huán)境因素的影響。因此，如何低成本而又高效率地完成操作訓(xùn)練是目前困擾相關(guān)軍事單位的一個(gè)難題。
目前，在靶場(chǎng)訓(xùn)練的項(xiàng)目中，通過研制目標(biāo)模擬器來構(gòu)造目標(biāo)環(huán)境，并采用虛擬場(chǎng)景注入的方法來實(shí)現(xiàn)。該方法通過事先錄制好一段目標(biāo)場(chǎng)景的圖像，操作手根據(jù)觀看播放的錄像，操縱光電跟瞄設(shè)備對(duì)錄像中的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤捕獲訓(xùn)練。但此方法沒有反饋，而且實(shí)時(shí)性較差。本文提出一種新的虛擬圖像注入方法。該方法實(shí)時(shí)獲得跟蹤設(shè)備及目標(biāo)的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)速度追蹤原理模擬生成目標(biāo)及背景的圖像數(shù)據(jù)，從而達(dá)到跟蹤訓(xùn)練的目的。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便、可操作性強(qiáng)，更加注重操作手對(duì)光電跟瞄設(shè)備操縱的性能。
1 目標(biāo)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行模式
在工作過程中，首先由操作手根據(jù)訓(xùn)練需要設(shè)定目標(biāo)模擬的速度、機(jī)動(dòng)特性等初始參數(shù)并送到主控系統(tǒng)；按照設(shè)定的目標(biāo)運(yùn)行特點(diǎn)在每幀待輸出圖像上設(shè)定、調(diào)整目標(biāo)位置；目標(biāo)模擬器通過主控計(jì)算機(jī)接收編碼器位置信息，并解算設(shè)備運(yùn)行速度，根據(jù)速度追蹤原理輸出實(shí)時(shí)跟蹤的圖像數(shù)據(jù)；將圖像處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到接收目標(biāo)模擬器輸出圖像信息的模式；圖像處理器將疊加十字絲的視頻圖像傳送給操作手的監(jiān)視器；操作手操作單桿控制伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，使回轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行模擬捕獲；最后，圖像處理器根據(jù)編碼器返回?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整目標(biāo)位置，完成對(duì)目標(biāo)捕獲過程的模擬訓(xùn)練。系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖1所示。

2 數(shù)學(xué)建模
目標(biāo)模擬器的數(shù)學(xué)模型基于速度追蹤原理：假設(shè)目標(biāo)按照特定速度與設(shè)備視軸做等速運(yùn)動(dòng)，該速度在單幀合成圖片中體現(xiàn)為位置脫靶量，如圖2所示。

　　圖2中ΔA和ΔE的初始設(shè)置為：

當(dāng)操作手開始進(jìn)行手動(dòng)跟蹤時(shí)，目標(biāo)仿真圖像的調(diào)整數(shù)學(xué)模型為：

3 硬件設(shè)計(jì)
目標(biāo)模擬器由串口轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、FPGA模塊、Camera Link接口模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    DSP采用TI公司的TMS320F2812芯片，它是目前用于控制領(lǐng)域的最高性能的處理器，具有控制精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行速率可達(dá)150 MIPS，指令采用流水線處理，使得數(shù)據(jù)處理的能力大大增強(qiáng)[1]。設(shè)計(jì)中主要利用其串行通信(SCI)接口、外部中斷（XINTx）接口和外部擴(kuò)展（XINTF）接口。通過與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收模擬目標(biāo)和跟蹤設(shè)備的參數(shù)，并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型解算出目標(biāo)及設(shè)備的坐標(biāo)，實(shí)時(shí)生成目標(biāo)及背景的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)接收時(shí)統(tǒng)的同步中斷信號(hào)。
設(shè)計(jì)中選用MAXIM公司的MAX3070芯片進(jìn)行RS-422到RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，利用DSP2812的SCI模塊實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)的通信。把MAX3070的DI腳與DSP2812的SCITXD相連，RO與DSP2812的SCIRXD相連，同時(shí)為了保證順利地與主控計(jì)算機(jī)通信，允許接收RE#腳直接接地，允許發(fā)送DI腳直接接VCC。加上兩個(gè)電阻以及去耦電容實(shí)現(xiàn)了串行通信接口的硬件設(shè)計(jì)[2]。DSP2812通過外部擴(kuò)展接口（XINTF）與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，將XWE#引腳作為寫使能信號(hào)與FPGA的I/O腳相連，將XCLKOUT引腳作為寫時(shí)鐘信號(hào)與FPGA的I/O腳相連，將16位數(shù)據(jù)線與FPGA的I/O腳相連，來傳送圖像數(shù)據(jù)信號(hào)。
  FPGA以ALTERA公司的Cyclone II系列的EP2C8-Q208C8芯片作為目標(biāo)模擬器的時(shí)序和邏輯控制核心。EP2C8Q208C8具有8 256個(gè)的邏輯單元(LE)、165 888 bit基于流行的M4K嵌入式存儲(chǔ)器塊，可以配置為廣泛的操作模式，包括ROM、單端口和雙端口RAM等。設(shè)計(jì)中用芯片內(nèi)部的雙端口RAM構(gòu)造異步FIFO控制圖像數(shù)據(jù)的時(shí)序，加上幀同步（FVAL）和行同步(LVAL)信號(hào)一起按照紅外圖像的設(shè)計(jì)時(shí)序要求將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到Camera Link接口模塊。
    Camera Link接口采用DS90CR287作為驅(qū)動(dòng)芯片，是專用的電平轉(zhuǎn)換器件，能將28位CMOS/TTL電平數(shù)據(jù)和1位像素時(shí)鐘信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成4組LVDS數(shù)據(jù)流及一對(duì)LVDS時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行傳輸。由于采用差分傳輸方式，提高了傳輸距離及信號(hào)精度。使用標(biāo)準(zhǔn)的MDR26作為Camera Link接口與圖像采集卡之間的連接接口。
4 軟件設(shè)計(jì)
    目標(biāo)模擬器的軟件設(shè)計(jì)主要由DSP程序和FPGA程序組成。
DSP程序流程圖如圖4所示。由于生成圖像數(shù)據(jù)要通過DSP芯片的外部接口XINTF發(fā)送，DSP2812有5個(gè)固定的存儲(chǔ)映像區(qū)域，設(shè)計(jì)中采用ZONE2區(qū)作為映像區(qū)域，所以首先要解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)映像的問題。本設(shè)計(jì)采用CCS提供的下面兩個(gè)指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)映像。

　　#pragma   CODE_SECTION   針對(duì)程序空間；
#pragma   DATA_SECTION   針對(duì)數(shù)據(jù)空間；
具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：
#pragma DATA_SECTION(pRGB，″My_Sect″)
struct
{ Uint16 r；
Uint16 w；
}pRGB[320][240]；
在.cmd文件中建立對(duì)應(yīng)的section就可以使用了。
MEMORY
{PAGE1：  ZONE2  ：origin=0x080000，length=0x080000 }
SECTIONS
{My_Sect   　　?。?gt;ZONE2，  PAGE=1 }
建立映像后要設(shè)置XINTF的相應(yīng)寄存器值，對(duì)于外部接口的訪問主要分為3個(gè)階段：(1)建立階段：被訪問區(qū)的片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，地址被放置在地址總線上；(2)激活階段：對(duì)外部器件進(jìn)行訪問。本設(shè)計(jì)主要是寫訪問，寫使能（XWE#）選通變低并將數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上(XD)；(3)跟蹤階段：跟蹤階段為一保持時(shí)間，其片選信號(hào)為低，而后讀和寫選通變?yōu)楦遊1]。
具體設(shè)置如下：
XintfRegs.XTIMING2.bit.XWRLEAD=1
XintfRegs.XTIMING2.bit.XWRACTIVE=1
XintfRegs.XTIMING2.bit.XWRTRAIL=1
建立、激活、跟蹤分別為1個(gè)時(shí)鐘周期。
DSP2812的串行通信（SCI）模塊使用16位的波特率選擇寄存器（SCIHBAUD和SCILBAUD）設(shè)置SCI的波特率，因此SCI可以采用64 K種不同的波特率進(jìn)行通信，通過下面的公式計(jì)算出寫入寄存器的值：

其中：BRR為寫入寄存器的值。設(shè)計(jì)中系統(tǒng)時(shí)鐘為30 MHz，波特率為38 400，則：
 

　　所以寄存器SCIHBAUD和SCILBAUD中的值分別為00H和60H。
FPGA程序結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，設(shè)計(jì)中使用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)。

　　從圖5可以看出，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，圖像數(shù)據(jù)的寫操作和讀操作分別工作在兩個(gè)不同的時(shí)鐘域內(nèi)，數(shù)據(jù)的寫入是連續(xù)的，數(shù)據(jù)的讀出是按照一定的幀頻和行頻進(jìn)行的。本設(shè)計(jì)采用雙端口RAM構(gòu)造異步FIFO的方法來實(shí)現(xiàn)。一方面要解決異步FIFO設(shè)計(jì)中存在的難點(diǎn)；另一方面要與Camera Link接口進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的同步控制，生成場(chǎng)同步信號(hào)FAVAL和行同步信號(hào)LVAL。
整個(gè)程序可分為6個(gè)模塊。其中FIFO控制器模塊中包含一個(gè)雙端口RAM，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及控制讀寫操作；寫地址與滿標(biāo)志邏輯生成寫地址并產(chǎn)生滿標(biāo)志，寫地址和寫使能由DSP提供；讀地址與空標(biāo)志邏輯生成讀地址并產(chǎn)生空標(biāo)志，讀時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘通過計(jì)數(shù)分頻得到。因?yàn)樽x操作要在LVAL信號(hào)的控制下完成，所以讀使能信號(hào)使用LVAL，其中空、滿狀態(tài)通過增加標(biāo)志位和劃分地址空間來產(chǎn)生；比較邏輯用來異步比較讀、寫地址，并產(chǎn)生將滿、將空信號(hào)，其中讀、寫地址用格雷碼指針表示。該設(shè)計(jì)很好地解決了異步FIFO設(shè)計(jì)中存在的兩個(gè)關(guān)鍵問題，即降低了電路中亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)概率，正確產(chǎn)生了空、滿狀態(tài)邏輯[3]。FVAL和LVAL的計(jì)算方法如下所述。
設(shè)計(jì)中像素時(shí)鐘信號(hào)PIXCLK的頻率為10 MHz。模擬的圖像數(shù)據(jù)的像素為320×240，幀頻為50 Hz，即每秒傳輸50幀圖像。行同步信號(hào)LVAL和幀同步信號(hào)FVAL均由像素時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)產(chǎn)生，其時(shí)序如圖6所示。

設(shè)計(jì)中采用新的虛擬圖像注入方法的目標(biāo)模擬器為訓(xùn)練系統(tǒng)提供目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單?；贑amera Link接口協(xié)議的圖像信號(hào)采用LVDS方式傳輸，增加了傳輸距離，提高了傳輸過程中的信號(hào)精度。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定圖像數(shù)據(jù)信號(hào)穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)指標(biāo)與目前光電跟瞄設(shè)備采用的紅外熱像儀輸出圖像格式吻合，實(shí)時(shí)性滿足要求，能夠很好地完成操作手對(duì)光電跟瞄設(shè)備的跟蹤訓(xùn)練和日常維護(hù)的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)
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