基于USB 2．0的便攜式紅外目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

來自熱像儀的14位差分?jǐn)?shù)字圖像經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化，通過FPGA進(jìn)行自適應(yīng)偏置校正和增益校正拉伸處理后，緩存入FIFO中。當(dāng)FIFO存滿一幀圖像時中斷DSP，DSP將圖像數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM空間進(jìn)行處理。處理完成后，DSP將處理結(jié)果以及圖像數(shù)據(jù)通過USB總線傳送至主控計算機分系統(tǒng)。同時，通過擴展串口與伺服控制分系統(tǒng)、擴展上報接口、激光測距機及慣導(dǎo)陀螺儀接口等外部接口通信。

　　根據(jù)信息處理數(shù)據(jù)量及處理速度的要求，分系統(tǒng)中的DSP采用TI公司的TMS320C6416T，他是專門針對圖像處理的一款高速定點處理器，其內(nèi)部有8個并行的處理單元，體系結(jié)構(gòu)采用超長指令字結(jié)構(gòu)(VL1w)，芯片的工作主頻可以達(dá)到1 GHz，當(dāng)片內(nèi)8個單元同時運行時其最大處理能力可以達(dá)到8000 MIPS；FPGA采用Xilinx公司的Virtex一Ⅱ系列，是業(yè)界先進(jìn)的適合數(shù)字信號處理應(yīng)用的FPGA。其強大的可編程功能和內(nèi)置硬件乘法器為完成一些較復(fù)雜的圖像處理操作提供了強大的資源和結(jié)構(gòu)支持，外部大量的I／O管腳使之能夠提供多套數(shù)據(jù)和地址總線，利用該資源可以完成數(shù)據(jù)獲取中邊讀邊運算邊存儲的功能，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)訪問的時問。

　　圖4左側(cè)為實時信息處理板實物照片，信息處理板尺寸僅為1lO mm×8l mm，內(nèi)置于右側(cè)熱像儀機殼中。

　　在實時信息處理機中，DSP軟件需要完成3項任務(wù)：從FIFO中導(dǎo)人圖像數(shù)據(jù)、按照算法流程對圖像進(jìn)行處理、將處理結(jié)果通過L7SB微控制器傳送給伺服控制及主控計算機如圖5所示。此3項任務(wù)具有一定的獨立性，需要妥善處理以下2個同步問題：

　　首先，來自熱像儀的圖像幀頻為固定的50幀／s，即相鄰兩幀圖像之間的時間間隔為20 ms。DSP對圖像的處理時間因目標(biāo)類型以及背景復(fù)雜度不同而略有變化。通常在背景非常復(fù)雜、虛警干擾過多的情況下，DSP處理一幀圖像的時間會偶爾超過20 ms。這種情況出現(xiàn)的時候，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不應(yīng)受到影響。

　　另外，此類問題還存在于DSP處理結(jié)果及目標(biāo)圖像與主控計算機的傳輸中，Windows操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定了其實時性較差，在該系統(tǒng)中表現(xiàn)為，主控計算機端軟件通過LISB總線從圖像處理板讀取一幀數(shù)據(jù)的時間無法確定。經(jīng)測試，讀取一幀數(shù)據(jù)的耗時最快可小于8 ms，最慢可大于200 ms。因此，在DSP軟件中必須采取措施隔離圖像處理進(jìn)程與USB傳輸進(jìn)程，使USB傳輸超時不會影響圖像處理幀頻。除了解決2個協(xié)同問題之外，還必須采取諸多優(yōu)化手段保證DSP對圖像的處理速度。只有經(jīng)過良好優(yōu)化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源，充分發(fā)揮DSP特有的優(yōu)勢，最大限度地滿足系統(tǒng)實時性的要求。

4 測試結(jié)果

　　本文自研的便攜式紅外自動目標(biāo)檢測跟蹤系統(tǒng)對部分空中目標(biāo)進(jìn)行了外場聯(lián)調(diào)試驗，試驗結(jié)果表明，可以對320×256大小的圖像實現(xiàn)50幀／s的實時檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對低空目標(biāo)的自動搜索、捕獲與跟蹤，探測到目標(biāo)后能夠穩(wěn)定伺服閉環(huán)跟蹤，短暫遮擋目標(biāo)不丟失，丟失目標(biāo)后能夠有效地重新捕獲，同時系統(tǒng)易于便攜機動、功耗低，可以有效地應(yīng)用到預(yù)警系統(tǒng)中。