基于FPGA+DSP的紅外信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代空戰(zhàn)中，光電對(duì)抗裝備在戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演著重要的角色，而紅外偵測(cè)與跟蹤系統(tǒng)由于采用的無源探測(cè)技術(shù)，因此與雷達(dá)等主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)相比具有隱身性強(qiáng)、抗干擾能力好和小型化程度高等優(yōu)點(diǎn)，受到業(yè)內(nèi)的關(guān)注。新一代紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)須具備高精度、處理速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且反應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，這便要求圖像處理計(jì)算機(jī)能滿足圖像處理中大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜運(yùn)算、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、高傳輸率和穩(wěn)定可靠等要求。文中從工作原理、硬件及軟件3個(gè)方面介紹了基于DSP和FPGA芯片的紅外信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1紅外制導(dǎo)控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

紅外信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按照功能劃分為兩大板塊，由圖像信息處理板和控制信息處理板組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其紅外制導(dǎo)控制信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖1所示。圖像信息處理板主要承擔(dān)大量的實(shí)時(shí)圖像信號(hào)預(yù)處理、圖像信號(hào)處理與控制任務(wù);控制信息處理板控制接口信號(hào)的采集，跟蹤回路的解算，控制輸出及與飛控計(jì)算機(jī)等的通訊，同時(shí)控制管理模塊也是系統(tǒng)的管理模塊，完成對(duì)系統(tǒng)的輸入/輸出操作、同步控制、系統(tǒng)狀態(tài)管理等功能。

圖1 紅外信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框圖

2圖像處理模塊的硬件設(shè)計(jì)

圖像處理模塊的硬件由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、圖像采集及預(yù)處理電路、DSP圖像處理電路、電源轉(zhuǎn)換電路和外部接口等電路組成。組成框圖如圖2所示。

圖2 圖像采集單元電路組成

2.1圖像采集單元

圖像采集單元包括掃描同步接口電路、探測(cè)器接口電路、前端調(diào)整電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采樣控制與數(shù)據(jù)整合電路及數(shù)據(jù)緩存(同步雙口)電路等組成。電路組成框圖如圖2所示。掃描同步信號(hào)是來自系統(tǒng)中掃描模塊，該信號(hào)提供系統(tǒng)時(shí)序基準(zhǔn)，其信號(hào)同步于幀同步信號(hào)。掃描同步信號(hào)從底板連接器接入。探測(cè)器接口電路包括：參考電源、溫度信號(hào)、采樣控制信號(hào)及2路視頻模擬信號(hào)等，以上信號(hào)在FPGA內(nèi)部采集電路的控制下，保證每幀圖像數(shù)據(jù)的同步采集。調(diào)整電路將探測(cè)器輸出的視頻信號(hào)調(diào)整至高速A/D輸入的范圍，差分視頻信號(hào)經(jīng)差分驅(qū)動(dòng)器放大驅(qū)動(dòng)，其共模輸入電壓為視頻A/D片內(nèi)參考信號(hào)(2.5 V)。模擬信號(hào)輸入到A/D采用差分輸入方式。視頻A/D主要用于將視頻電路間的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)電路整體要求，A/D轉(zhuǎn)換電路需滿足采樣頻率高、功耗低、轉(zhuǎn)換精度高等要求。采樣控制和數(shù)據(jù)緩存電路由FPGA內(nèi)部采樣控制電路完成。數(shù)據(jù)緩存電路由FPGA內(nèi)部雙口存儲(chǔ)器完成，具有高速、可同步及異步讀寫操作等性能。

2.2 DSP圖像處理電路

DSP圖像處理電路主要包括處理器及外圍配置電路、存儲(chǔ)器電路及與控制板接口通信的McBSP串口電路等。處理器選用TI公司高性能定點(diǎn)TMS320C641x系列中C6414 GIZA-6E3作為圖像信息處理C6414-6E3，時(shí)鐘周期為1.67 ns，內(nèi)部工作時(shí)鐘可達(dá)600 MHz，最高處理速度可達(dá)4 800 MIPS;內(nèi)部存儲(chǔ)器容量8 Mbit;有2個(gè)擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口，EMIFA為64 bit，EMIFB為16 bit，EMIFA的總線頻率可達(dá)133 MHz，最大可尋址空間為1280 MB;內(nèi)核工作電壓為1.4 V，工作溫度可達(dá)-40~105℃。其完成紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)引頭圖像組合、分割與增強(qiáng)、模板匹配、背景處理、目標(biāo)提取和目標(biāo)跟蹤等主處理算法。

FPGA預(yù)處理單元是圖像信息處理板上另一個(gè)核心部件，采用Xilinx公司Vertex-II系列中的XC2V2000-FG676來實(shí)現(xiàn)。XC2V2000具有200萬門的規(guī)模，內(nèi)部的存儲(chǔ)資源有1 Mbit的Select RAM，336 kbit的Distributed RAM，IO管腳資源達(dá)到408個(gè)，8個(gè)DCM.FPGA預(yù)處理單元設(shè)計(jì)由視頻采集控制與數(shù)據(jù)整合單元、視頻采集緩沖和主處理緩沖雙口存儲(chǔ)器、預(yù)處理單元、圖像輸出子卡數(shù)據(jù)傳輸接口控制、串行SPI接口控制器、LVDS數(shù)字視頻輸出接口、訪問DSP/HPI接口的主機(jī)控制電路等部分組成。另外，圖像信息處理板的FPGA配置可實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)在線配置功能。

存儲(chǔ)器電路包括Flash、FPGA內(nèi)部同步雙口兩種存儲(chǔ)器。可與C6414的(EMIF外部存儲(chǔ)器接口，C64有2條總線EMIFA與EMIFB)連接，在使用時(shí)需通過DSP/BIOS對(duì)EMIF總線進(jìn)行配置，確定訪問時(shí)序。圖像信息處理板上有2片F(xiàn)lash資源分別屬于DSP和FPGA，其中屬于FPGA的Flash保存的是板上控制代碼，屬于DSP的Flash除用以存儲(chǔ)模塊BOOT程序，還可對(duì)用戶應(yīng)用程序進(jìn)行存儲(chǔ)。為了采用從并方式配置FPGA，將其所屬Flash連接在C6414的EMIFB異步BANK CE0，采用異步的讀寫信號(hào);為支持C6414從ROM引導(dǎo)的機(jī)制，DSP所屬Flash連接至C6414的EMIFB異步BANK CE1采用異步的讀寫信號(hào)。雙口存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)幀圖像數(shù)據(jù)，在圖像信息處理板的FPGA上配置了雙口存儲(chǔ)器。應(yīng)用中可通過FPGA設(shè)計(jì)配置同步或異步雙口存儲(chǔ)器與C6414實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，容量按圖像幀大小可配置為16 kbit×16 bit，也可配置16位或32位訪問方式。圖像信息處理板上雙口存儲(chǔ)器連接在C6414的EMIFA同步BANK ACE0空間，可配置同步方式或異步方式。