??? 摘 要: 設(shè)計了基于FPGA和USB接口技術(shù)的新型電視跟蹤性能測試儀。在介紹硬件設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，描述了生成模擬目標和判斷跟蹤狀態(tài)的FPGA內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)。選擇LabWindows/CVI" title="LabWindows/CVI">LabWindows/CVI語言搭建測試儀的軟件平臺，并采用調(diào)用動態(tài)鏈接庫" title="動態(tài)鏈接庫">動態(tài)鏈接庫的方法，完成了上位機" title="上位機">上位機和測試儀的USB通信軟件設(shè)計。
??? 關(guān)鍵詞: 跟蹤性能測試? USB? FPGA? 模擬目標? LabWindows/CVI
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??? 電視跟蹤系統(tǒng)" title="電視跟蹤系統(tǒng)">電視跟蹤系統(tǒng)作為一種被動式目標探測跟蹤系統(tǒng)，具有分辨率高、圖像可見、抗干擾性能好、成本低等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代武器系統(tǒng)中不可缺少的目標捕獲跟蹤裝置。
??? 電視跟蹤性能的優(yōu)劣直接影響或決定著電視跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果和跟蹤能力。為了正確評估和判定電視跟蹤系統(tǒng)的跟蹤性能，目前主要是對電視跟蹤系統(tǒng)的最小跟蹤目標、最小跟蹤對比度、目標捕獲時間、目標捕獲概率、跟蹤速度和跟蹤誤差等跟蹤性能指標進行測試。以往的電視跟蹤性能測試裝置具有電路設(shè)計復雜、系統(tǒng)體積較大、擴展性差等缺點。本文將現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和USB接口技術(shù)應(yīng)用到電視跟蹤性能測試儀的硬件設(shè)計中，并且利用LabWindows/CVI語言搭建系統(tǒng)的軟件平臺，使該測試儀與以前的測試裝置相比，具有集成度高、即插即用、擴展性好以及操作界面友好的優(yōu)點[1-2]。
1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理
1.1 系統(tǒng)硬件組成
??? 系統(tǒng)主要由USB接口電路、模擬目標生成電路和方位、俯仰誤差電壓采集電路組成，硬件組成如圖1所示。
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1.2 工作原理
??? 測試者通過上位機的主界面程序選擇測試項目，然后上位機通過USB總線將模擬目標的基本信息（大小、速度等）傳送給模擬目標生成電路，由它來產(chǎn)生模擬目標的視頻信號。被測電視跟蹤系統(tǒng)接收到目標視頻信號后，輸出目標的方位和俯仰誤差電壓。測試儀的誤差電壓采集電路采集這兩路電壓，并送入模擬目標生成電路中，由該電路中的FPGA 來計算當前目標在視場中的位置，并與輸出目標的位置相比較，從而確定當前電視跟蹤系統(tǒng)搜索或跟蹤的工作狀態(tài)。根據(jù)工作狀態(tài)的變化確定被測指標，F(xiàn)PGA通過USB總線將測試結(jié)果傳送給上位機，最后完成整個測試。
2 核心電路的設(shè)計
2.1模擬目標生成電路設(shè)計
??? 該部分電路輸出的是模擬目標視頻信號，而且是CCIR制式的標準視頻信號。在以前的測試裝置中，模擬目標電路是由許多模擬分立元件設(shè)計而成，對于視頻信號這樣時序要求嚴格的模擬信號來說，設(shè)計過程復雜，硬件體積較大。FPGA具有高集成度、時序功能強以及設(shè)計周期短等特點，因此將FPGA引入到該硬件部分的設(shè)計中。模擬目標生成電路主要由FPGA及其外圍電路和視頻D/A電路兩部分組成，原理圖如圖2所示。
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FPGA選用Xilinx公司的Spartan Ⅲ系列FPGA器件xc3s400，它有40萬門和8 064個邏輯單元[3]。
??? D/A芯片選擇AD公司的ADV7123芯片，該芯片在像素時鐘(CLK)、消隱信號(CBLK)和同步信號(CSYN)的共同作用下，將10位圖像灰度信號轉(zhuǎn)換成標準的模擬視頻信號。
??? 配置電路包括兩部分，一是JTAG下載電路，二是使用PROM的FPGA配置電路。前者是為了便于調(diào)試，可以使用下載線將上位機中的*.BIT文件下載到FPGA中運行調(diào)試；后者是在系統(tǒng)設(shè)計完成后，將上位機的*.MCS文件下載到PROM中，系統(tǒng)每次加電時，PROM會自動將程序配置到FPGA中。
??? 本系統(tǒng)主要輸出標準CCIR視頻信號，它的行有效像素是768，行有效時間52μs，所以在晶振電路中采用了14.75MHz的有源晶振。
??? 此外，模擬目標生成電路還與上位機通過USB總線進行數(shù)據(jù)傳輸，并接收誤差采集電路發(fā)送來的方位和俯仰誤差電壓值。
2.2 誤差電壓采集電路設(shè)計
??? 誤差電壓采集電路原理圖如圖3所示。
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??? 本系統(tǒng)對A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率要求十分嚴格。如果分辨率選擇不當，當模擬目標移動較小的像素數(shù)時，A/D轉(zhuǎn)換后的方位和俯仰誤差電壓值不能分辨出該目標位置的變化，這將對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。所以選擇12位的A/D轉(zhuǎn)換器AD574，根據(jù)計算電壓分辨率的公式：
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??? 因此在10V的電壓范圍內(nèi)，芯片的電壓分辨率達到2.44mV，能夠滿足系統(tǒng)的指標要求。
??? FPGA的I/O引腳輸出高低電平控制AD574工作，包括轉(zhuǎn)換位數(shù)選擇、芯片允許線、讀結(jié)果/啟動轉(zhuǎn)換線等。同時， FPGA控制多通道信號選擇芯片分時將方位和俯仰誤差電壓信號接入AD574進行轉(zhuǎn)換，并且讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字結(jié)果。
2.3 USB接口電路設(shè)計
??? USB芯片選用的是Cypress公司的EZ-USB FX2芯片CY7C68013A，該芯片支持USB2.0，又向下兼容USB1.1，既負責USB事務(wù)處理也兼具微處理器的控制功能。CY7C68013A的CPU采用增強8051，提高了運算速度，增強了功能，同時該芯片采用內(nèi)部RAM用于程序和數(shù)據(jù)的存取。將該芯片置于Slave FIFO模式下，由FPGA控制USB接口芯片中FIFO的讀和寫，最后完成PC機與FPGA數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?SUP>[4]。
??? 為了引導加載正確的驅(qū)動程序，還設(shè)計了EEPROM加載電路，當該部分電路加電時，CY7C68013A會自動復制存儲在EEPROM中的制造商ID（VID）、產(chǎn)品ID（PID）和設(shè)備ID（DID）。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 FPGA內(nèi)部的軟件設(shè)計
??? FPGA內(nèi)部軟件設(shè)計主要包括三部分：
??? (1)模擬目標生成的程序設(shè)計" title="程序設(shè)計">程序設(shè)計；
??? (2)判斷跟蹤狀態(tài)的程序設(shè)計；
??? (3)與上位機進行通信的程序設(shè)計。
??? 設(shè)計過程中采用了自底向上的設(shè)計方法。在FPGA設(shè)計軟件ISE的開發(fā)環(huán)境下，首先利用Verilog語言設(shè)計這三個程序子模塊，然后將這些模塊在原理圖設(shè)計環(huán)境中進行頂層的連接。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
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3.2 基于LabWindows/CVI的主機應(yīng)用程序設(shè)計
??? LabWindows/CVI將源碼編程、32位ANSI C編譯、連接、調(diào)試及標準ANSI C庫等集成在一個交互式開發(fā)平臺中，采用簡單直觀的圖形用戶界面設(shè)計，利用函數(shù)面板輸入函數(shù)的參數(shù)，采用事件驅(qū)動方式和回調(diào)函數(shù)方式的編程技術(shù)，有效提高了工程設(shè)計的效率和可靠性[5]。
??? 本系統(tǒng)的測試主程序是在LabWindows/CVI環(huán)境下設(shè)計的，部分測試界面如圖5所示。
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??? 主機程序需要和下位機進行USB通信，所以編制了一套USB通信的動態(tài)鏈接庫供主程序調(diào)用。該動態(tài)鏈接庫是在VC環(huán)境下編譯的，它封裝了幾個常用的USB功能函數(shù)（讀函數(shù)、寫函數(shù)、手動下載固件函數(shù)和讀取描述符函數(shù)等）。在LabWindows/CVI語言中，調(diào)用了該動態(tài)鏈接庫之后，只需要寫出功能函數(shù)名及其參數(shù)，就可以實現(xiàn)USB通信，十分有利于測試者對軟件進行升級和二次開發(fā)。
3.3 USB固件設(shè)計以及驅(qū)動程序的開發(fā)
??? USB固件程序是在Keil C環(huán)境下設(shè)計的。Cypress公司提供的軟件開發(fā)包中已經(jīng)提供了固件框架，只需要開發(fā)者對其中的部分程序段進行修改就可以使用。
??? 為了便于用戶操作，將固件程序和自動下載驅(qū)動程序進行綁定。首先將固件的十六進制文件轉(zhuǎn)換為C文件，然后用其中的數(shù)組替換ezloader模板中firm.c文件的數(shù)組，最后在DDK開發(fā)環(huán)境中編譯出自動下載驅(qū)動程序tvfirmloader.sys，并在DriverWorks環(huán)境下設(shè)計了結(jié)合本系統(tǒng)硬件的驅(qū)動程序tvtest.sys。為使驅(qū)動程序正常工作，還為它編寫了安裝信息文件tvtest.inf[6]。
4 實驗結(jié)果
??? 對某型電視跟蹤系統(tǒng)的電視跟蹤性能指標進行了測試。在測試過程中，分出一路視頻信號進入圖像采集卡采集模擬目標圖像，另一路進入示波器觀察視頻信號的波形。圖6是模擬目標的單幀圖像；圖7是在示波器中顯示的模擬目標視頻信號波形。
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??? 圖6中顯示的是12×12像素靜止黑色目標，主操作界面設(shè)置的對比度是55%。從圖7的波形中可以觀察到信號周期為64μs，像素有效時間為52μs，完全符合CCIR標準視頻信號的制式要求。從圖7中還可以觀察到每場有6行出現(xiàn)黑目標的電平值，每幀出現(xiàn)了12行這樣的電平值，從而驗證了目標垂直大小為12像素的正確性。
??? 使用該檢測儀對多種電視跟蹤系統(tǒng)進行了測試，在使用過程中發(fā)現(xiàn)該儀器具有通用性好、擴展性強、可靠性高以及攜帶方便等特點。因此，該測試儀在電視跟蹤系統(tǒng)測試中將會有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1] ?GJB 1830-93，電視跟蹤器通用規(guī)范[S].
[2] ?胡文剛，汪岳峰，牛燕雄，等.電視跟蹤箱跟蹤性能檢測儀設(shè)計[J].光電子技術(shù)與信息，2005，18(1)：61-64.
[3] Spartan 3 FPGA Family Complete Data Sheet.2005.
[4] ?錢峰.EZ-USB FX2單片機原理、編程及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：22-23.
[5] ?孫曉云，郭立煒，孫會琴.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：5.
[6] ?宋杰，何友，唐小明.基于USB2.0的雷達視頻信號高速采集和實時采集系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2006,32(10)：12-14.