摘 要: 紅外成像導引頭集光機電于一身,設計難度大、研制周期長。為了縮短導引頭研制周期、降低開發(fā)成本,提出一種通用的信息處理平臺方案。本方案采用FPGA+DSP架構,有較強的通用性,易于維護和擴展,可以在原理樣機階段迅速搭建硬件平臺,用于系統(tǒng)驗證和彈載軟件調試,并為后續(xù)的產(chǎn)品研制提供有力支持。
關鍵詞: 紅外成像導引頭;通用信息處理平臺;實時圖像處理;FPGA+DSP架構
紅外成像導引頭是第四代紅外型空空導彈的標志,具有作用距離遠、抗干擾能力強、導引精度高、可自動識別目標和區(qū)分多目標、準全天候工作等顯著優(yōu)點[1]。根據(jù)紅外探測器的不同,紅外成像導引頭又可分為線列掃描成像導引頭、凝視焦平面成像導引頭、雙色(多色)焦平面成像導引頭。為了與探測器配套,需要設計不同的信息處理平臺。隨著技術的不斷發(fā)展,信息處理平臺在功能上越來越復雜,集成化程度越來越高,而要求產(chǎn)品的研發(fā)周期卻大大縮短,更新速度加快。為了解決這一矛盾,本文提出一種通用的信息處理平臺方案,在產(chǎn)品初期利用通用信息處理平臺迅速搭建,用于系統(tǒng)驗證和彈載軟件調試,并為后期的產(chǎn)品硬件研制提供有力借鑒。
1 通用信息處理平臺特征分析[2-4]
無論是哪一種紅外成像導引頭,信息處理平臺都具有如下功能:高速圖像信號采集、圖像預處理、圖像處理、與外部系統(tǒng)通信、視頻圖像輸出、時鐘管理及時序控制等。功能組成如圖1所示。
1.1 高速圖像信號采集
高速圖像信號采集是對從前置放大器輸出的視頻信號進行A/D采樣,把模擬視頻信號轉換為數(shù)字視頻信號。由于視頻輸出信號電壓范圍未知,因此在A/D采樣前還需要一個放大倍數(shù)可調的調理電路。紅外成像導引頭的探測靈敏度高、幀頻高(達到100 Hz以上)、視頻傳輸數(shù)據(jù)量大,因此要求AD轉換器精度高、速度快、通道一致性好。這部分是模擬數(shù)字混合部分,因此在電源供電、元器件布局布線上要進行低噪聲設計。
1.2 圖像預處理
圖像預處理包括非均勻校正、圖像重構、圖像濾波、圖像穩(wěn)像等。非均勻校正是指由于探測器本身的固有缺陷,使得從前置放大器輸出的視頻信號出現(xiàn)了不均勻性,為了防止系統(tǒng)成像質量變差而對視頻數(shù)據(jù)進行的處理。圖像重構是指對掃描成像來說,輸出的信號不是逐行順序輸出,需要對得到的視頻數(shù)據(jù)進行重新排序才能得到一幅正確圖像。圖像濾波指的是利用高通濾波和中值濾波等算法簡單、數(shù)據(jù)處理吞吐量大的算法對視頻數(shù)據(jù)進行處理,提高圖像質量。圖像穩(wěn)像是指探測器固連在彈體上,探測器在飛行過程中有一繞其光軸的旋轉及偏航與俯仰方向的抖動,使視場中同一目標落在圖像序列的相鄰幀圖像的不同位置上,為了防止圖像成像質量變差而對視頻數(shù)據(jù)進行的處理。圖像預處理的特點是處理速度快、數(shù)據(jù)吞吐量大、可重構性強。
1.3 圖像處理
圖像處理包括目標檢測與跟蹤、目標誤差信號輸出、抗人工干擾、抗誘餌干擾等。圖像處理的特點是算法邏輯比較復雜,需要對整幅圖像或幾幅圖像的潛在目標進行標識、抽取、判斷,因此適于用高級語言進行描述。
1.4 與外部系統(tǒng)通信
與外部系統(tǒng)通信主要包括與導引頭伺服控制系統(tǒng)的通信、與導彈其他部件(飛控、引信等)的通信等。要求在通信過程中互不干擾,通信速度快,數(shù)據(jù)量相對較小。
1.5 視頻圖像輸出
視頻圖像輸出的主要作用是在調試過程中,把原始視頻圖像和處理后的圖像實時傳送給顯示裝置,供調試人員觀看。顯示裝置一般為工業(yè)顯示器,視頻圖像輸出的另外一個作用是傳送給遙測部件作為遙測數(shù)據(jù)供技術人員分析。視頻圖像輸出的特點是數(shù)據(jù)傳輸速度快,可重構性強。
1.6 時鐘管理及時序控制
不同的探測器需要不同的時鐘,探測器及讀出電路、前置放大器和信息處理平臺之間都需要同步時序控制。前置放大器內(nèi)的背景抑制電路也需要信息處理平臺提供同步時序,這些都是時鐘管理及時序控制的主要功能,其特點是嚴格要求各部分時序同步、可重構性強。
2 通用信息處理平臺方案
根據(jù)對通用信息處理平臺的特征分析,提出一種通用信息處理平臺方案,其功能組成如圖2所示。
本方案采用FPGA+DSP的設計框架[5-7],外圍增加調理電路、A/D裝換器、PROM、SBSRAM、DPRAM、FLASH、電源及電源濾波電路等。FPGA+DSP架構最大的特點是結構靈活、設計難度不大、有較強的通用性、適于模塊化設計,從而能有效地提高算法效率。其開發(fā)周期較短,系統(tǒng)易于維護和擴展,適合于實時信號處理。圖像預處理操作過程確定、邏輯處理明確、運算量大而算法相對簡單,具有確定的處理時間和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通過量,因此采用FPGA實現(xiàn)。時鐘管理及時序控制和視頻圖像輸出可重構性強,因此也用FPGA實現(xiàn)。圖像處理涉及到大量復雜的計算過程,采用DSP十分有效。利用DSP外接DPRAM和串口實現(xiàn)與外部系統(tǒng)通信。
2.1 主要器件選型
為了減少傳輸干擾,從前置放大器出來的視頻信號一般采用差分信號傳給調理電路,因此調理電路中的運放也選用差分運放,型號為AD8138,具有寬帶寬、高壓擺率、低噪聲、低諧波失真、放大倍數(shù)可調的特點。成像導引頭為了提高探測靈敏度要求A/D轉換器至少10 bit,視頻帶寬一般為5 MHz,因此選用AD9240。它是單路14 bit、10 MS/s的高速AD轉換器,完全可以滿足需要。成像導引頭一般需要2個高速數(shù)據(jù)采集通道,因此把調理電路和A/D轉換器都設計為兩路。
DSP選用TI公司的TMS320C6414工業(yè)級芯片。它的主要特點[8,9]是:(1)最高時鐘頻率600 MHz,處理速度4 800 MIPS;(b)并行處理速度高,采用改進的VLIW(超長指令字)結構,CPU包含64個32位的通用寄存器和8個功能單元;(3)片內(nèi)存儲器大,容量為1 056 KB,可構成兩級Cache結構(包括程序Cache和數(shù)據(jù)Cache);(4)豐富的外部接口,包括2個外部存儲器接口,1個64 bit寬(EMIFA),1個16 bit寬(EMIFB)。支持與同步存儲器(SDRAM,SBSRAM,ZBTSRAM)和非同步存儲器(SRAM,EPROM,F(xiàn)LASH等)的無縫接口,3個多通道緩沖串行口(McBSP),32/16 bit主機接口(HPI)。因此可以很好地滿足圖像處理算法的復雜性、實時性和靈活性要求。DSP外圍連接了SBSRAM、FLASH、DPRAM。SBSRAM是為了擴充C64的存儲空間,可選用GS84032AT,存取速度最大為200 MHz;Flash用于固化C64的程序和引導啟動,選用SST39VF080;DPRAM用于和導彈其他部件通信,數(shù)據(jù)量小,速度要求不高,可選用IDT71V30,存儲容量是1k×8 bit。
FPGA選用Xilinx的Virtex-4系列中的XC4VLX60。它的主要特點[10]是:(1)時鐘頻率可高達500 MHz,內(nèi)部資源豐富;(2)I/O接口能力強,支持多種單端和差分接口標準;(3)片內(nèi)數(shù)字化阻抗匹配(DCI技術)和可編程的輸出電流(2 mA~24 mA)大大降低了信號完整性問題。FPGA外圍接一個標準PROM,用于固化FPGA程序,選用XCF32P。
電源及電源濾波部分主要是為信息處理平臺提供各種電壓的電源。對于數(shù)字部分,由于功率較大,可選用開關電源模塊;對于模擬部分,應盡可能用線性電源,并采用LC、磁珠等多種濾波方式濾波。
2.2 硬件接口連接
FPGA到DSP的圖像數(shù)據(jù)傳送采用DSP的HPI端口,傳送的時序和速度完全由FPGA控制,圖像可以采用每行中斷一次的方式,也可以通過每幀中斷一次的方式通知DSP數(shù)據(jù)傳送的進度,以便DSP啟動圖像處理的進程。采用HPI的好處是FPGA完全控制,避免了DSP的參與,減少了DSP的工作量,數(shù)據(jù)直接傳送到DSP的片內(nèi)存儲器,既省略了片外雙端口存儲器,又省略了DSP將數(shù)據(jù)從片外讀入片內(nèi)的過程,是圖像數(shù)據(jù)傳送的最佳選擇。
DSP對FPGA控制通過FPGA內(nèi)的映射存儲器實現(xiàn)。在FPGA內(nèi)部的邏輯設計中設計若干控制寄存器,這些寄存器通過DSP的數(shù)據(jù)總線和地址總線映射在DSP的地址空間,從而使DSP可以訪問這些寄存器。DSP對FPGA的控制主要包括:(1)FPGA的功能控制,例如圖像濾波功能和圖像匹配功能,這些模塊應該是可選的模塊,DSP可以根據(jù)算法的要求打開或關閉這些模塊。(2)參數(shù)的設置,DSP可以對非均勻性校正的系數(shù)、濾波的相關參數(shù)和圖像匹配的參數(shù)進行設置。(3)可以讀取前端系統(tǒng)的一些信息,例如探測器溫度傳感器的信息。
FPGA內(nèi)部有一個DPRAM,它接在DSP的外部地址空間,用于非均勻校正系數(shù)的傳輸。上電后,DSP把非均勻校正系數(shù)從FLASH中取出,傳遞給FPGA內(nèi)部的DPRAM。
DSP的一個McBSP端口通過接插件與導引頭伺服控制系統(tǒng)相連實現(xiàn)通信功能,向伺服控制系統(tǒng)發(fā)送圖像跟蹤的誤差信號和部分參數(shù)。
FPGA的視頻圖像輸出口可以采用多種接口標準傳輸,不需要增加接口芯片。為了實現(xiàn)高速高質量的視頻圖像傳輸,采用基于LVDS的電平接口協(xié)議,設計的傳輸速度為40 Mb/s,傳輸媒體為三對5類雙絞線,分別為時鐘信號、字同步信號和數(shù)據(jù)信號,全部由FPGA負責輸出。
通用信息處理平臺原理框圖如圖3所示。
2.3 上電工作過程
通用信息處理平臺的上電工作過程是:上電后DSP和FPGA單獨完成配置,F(xiàn)PGA配置速度較快,配置完畢后等待DSP;DSP完成啟動引導后從FLASH取出非均勻校正系數(shù),傳遞給FPGA內(nèi)部的DPRAM,傳輸完畢后給FPGA一個已完成信號;FPGA接到信號后立即開始控制視頻信號的采集、圖像預處理等工作,并把處理后的視頻數(shù)據(jù)通過HPI口直接寫入DSP的存儲區(qū)。DSP接收完1行或1幀數(shù)據(jù)后就開始圖像處理的進程,并在每幀結束前完成與導引頭伺服控制系統(tǒng)的通信以及與導彈其他部件(飛控、引信等)的通信。
本文設計的紅外成像導引頭通用信息處理平臺硬件結構采用FPGA+DSP架構,運行速度高,可重構性好,在樣機開發(fā)階段不必研制新硬件,只需修改FPGA程序就可以完成系統(tǒng)驗證和彈載軟件調試,加快了研制周期,對整個樣機研制有很好的促進作用。
參考文獻
[1] 鄭志偉,白曉東,胡功銜,等.空空導彈紅外導引系統(tǒng)設計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.
[2] 郭棟,王志良,李正熙,等.基于DSP的實時圖像處理系統(tǒng)[J].微計算機信息,2005,(3).
[3] 伍乾永,陳彬.基于FPGA的實時圖像數(shù)據(jù)采集模塊設 計[J].微電子學,2008(3).
[4] 黃飛,于慧敏,楊少林.基于DM642的紅外圖像實時處理系統(tǒng)的設計[J].電路與系統(tǒng)學報,2008(3).
[5] 應家駒,何永強.基于DSP和FPGA的超大視場紅外目標檢測圖像處理系統(tǒng)設計[J].微計算機信息,2006(3).
[6] 潘小冬,陳澤祥,高升久,等.FPGA+DSP的紅外圖像數(shù)據(jù)采集與顯示[J].紅外與激光工程,2007(6).
[7] 邱祖全.基于DSP+FPGA的紅外視頻實時處理系統(tǒng)[J]. 激光與紅外,2007(5).
[8] 李方慧,王飛,何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理與應用(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.
[9] TMS320C6414,TMS320C6415,TMS320C6416 fixed-point digital signal processors[Z].TI Inc,2005.
[10] Virtex-4用戶指南[Z].XILINX,2007.