高偉偉，王竹林，張自賓，張曉龍

（軍械工程學(xué)院四系，河北 石家莊 050003）

基于TMS320DM642的電視測(cè)角儀檢測(cè)研究

高偉偉，王竹林，張自賓，張曉龍

（軍械工程學(xué)院四系，河北 石家莊 050003）

通過(guò)分析電視測(cè)角儀的檢測(cè)需求，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，提出了以TMS320DM642為核心的視頻檢測(cè)系統(tǒng)框架，并對(duì)主要電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。根據(jù)CCD像元與數(shù)字圖像中像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了在數(shù)字圖像中計(jì)算彈標(biāo)偏移量的處理方案，結(jié)合電視測(cè)角儀捕捉彈標(biāo)信號(hào)的特點(diǎn)，通過(guò)追蹤窗口的定位縮小了數(shù)據(jù)處理范圍，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。整個(gè)系統(tǒng)以視頻采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以數(shù)字圖像處理為核心，為電視測(cè)角儀的檢測(cè)研究提供了一種新的思路。

電視測(cè)角儀；參數(shù)檢測(cè)；視頻處理；TMS320DM642芯片；數(shù)字圖像處理

1 引 言

電視測(cè)角儀是某型裝備的地面制導(dǎo)設(shè)備，它集光、機(jī)、電于一體，屬于技術(shù)密集的光電儀器。為了確保電視測(cè)角儀能夠滿足戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)要求，在生產(chǎn)、維修中都迫切要求有一種能夠快速、準(zhǔn)確地定量檢測(cè)技術(shù)參數(shù)的設(shè)備，以便確定測(cè)角儀是否能夠滿足戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并確定故障原因[1]。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)張，以視頻監(jiān)控系統(tǒng)為代表的各種圖像處理方案應(yīng)運(yùn)而生，如交通信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)攝像系統(tǒng)等。因此，電視測(cè)角儀通過(guò)圖像處理技術(shù)，快速、高效實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)要求成為可能。

TMS320DM642是TI公司于2003年左右推出的一款32位定點(diǎn)DSP芯片，由于其接口方便、編程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高、可重復(fù)性好、集成方便等特點(diǎn)，成為各種視頻解決方案的理想選擇[2]。以TMS320DM642為核心，各種成熟系統(tǒng)的推廣應(yīng)用為電視測(cè)角儀檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)提供了重要的理論與實(shí)踐依據(jù)。隨著部隊(duì)快速化保障需求的不斷提高，現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，以DSP為核心的視頻解決方案可以彌補(bǔ)以往專用設(shè)備的不足，為電視測(cè)角儀的檢測(cè)提供可靠、準(zhǔn)確、高效的系統(tǒng)[3-4]。

2 電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試需求分析

電視測(cè)角儀的參數(shù)有測(cè)角精度、靈敏度、抗干擾能力、視場(chǎng)、零點(diǎn)、變焦時(shí)間、短焦到位等[5]。由于篇幅有限，主要介紹前3個(gè)參數(shù)的檢測(cè)。

2.1.1 測(cè)角精度

測(cè)角精度是指瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，導(dǎo)彈偏離瞄準(zhǔn)線的偏差角。電視測(cè)角儀有兩個(gè)精度指標(biāo)：（1）攻擊400m 處的目標(biāo)時(shí)，精度應(yīng)為 3.4′；（2）攻擊 3 000m處的目標(biāo)時(shí)，精度應(yīng)為20.6″。導(dǎo)彈飛行至400m處相對(duì)于電視鏡頭的變焦時(shí)間為3.8 s，3000m處相對(duì)于電視鏡頭的變焦時(shí)間為28s。也就是說(shuō)，可以根據(jù)測(cè)量變焦時(shí)間在3.8 s和28 s導(dǎo)彈偏離瞄準(zhǔn)線的偏差角來(lái)檢測(cè)測(cè)角精度?，F(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備是在測(cè)量時(shí)用電視測(cè)角儀瞄準(zhǔn)鏡的十字線對(duì)準(zhǔn)雙夾十字絲，啟動(dòng)變焦系統(tǒng)，電子波們捕獲中心孔（目標(biāo)），參數(shù)檢測(cè)儀把變焦過(guò)程中目標(biāo)相對(duì)于瞄準(zhǔn)線的角偏差記錄下來(lái)，若變焦結(jié)束后的誤差大于20.6″，需要重新標(biāo)定電視測(cè)角儀的零點(diǎn)。

2.1.2 靈敏度

靈敏度是指電視測(cè)角儀提取彈標(biāo)信號(hào)的能力。通常情況下，通過(guò)改變模擬光學(xué)環(huán)境下背景與彈標(biāo)的對(duì)比度來(lái)檢驗(yàn)電視測(cè)角儀的靈敏度。在背景電平為0.5V±0.05V，彈標(biāo)的信號(hào)高出背景0.2～0.3V以上，電視測(cè)角儀應(yīng)能穩(wěn)定可靠地捕獲目標(biāo)。

2.1.3 抗干擾能力

在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，電視測(cè)角儀會(huì)受到各種干擾的影響，這就要求電視測(cè)角儀有一定的抗干擾能力?，F(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備在模擬光學(xué)環(huán)境下，通過(guò)設(shè)置干擾光點(diǎn)看電視測(cè)角儀的捕獲情況來(lái)判斷抗干擾能力正常與否。電視測(cè)角儀關(guān)于抗干擾的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求是:當(dāng)背景電平在0.5V±0.05V，干擾信號(hào)幅值為1.1V時(shí)，跟蹤窗口不捕獲。

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

為高效、可靠、準(zhǔn)確地檢測(cè)電視測(cè)角儀各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合圖像處理技術(shù)，采用以TMS320DM642為核心的視頻檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)控制和設(shè)置模擬光學(xué)環(huán)境中各個(gè)信號(hào)，分析數(shù)字圖像信息，采用濾波技術(shù)、圖像分割技術(shù)等提取出彈標(biāo)信號(hào)，排除干擾信號(hào)。電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

通過(guò)控制室內(nèi)光學(xué)模擬系統(tǒng)的背景電壓和彈標(biāo)信號(hào)電壓，為電視測(cè)角儀提供檢測(cè)信號(hào)，圖像采集模塊將兩路模擬全電視信號(hào)混疊處理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以TMS320DM642為核心的最小系統(tǒng)通過(guò)預(yù)先植入的程序?qū)?shù)字圖像進(jìn)行處理，并將結(jié)果轉(zhuǎn)送到視頻輸出模塊顯示，同時(shí)通過(guò)串口模塊將處理結(jié)果輸出。

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)合電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)的需求，首先設(shè)計(jì)了最小系統(tǒng)，如圖2所示。其中，電源管理模塊為DM642的內(nèi)核和I/O分別提供1.4V和3.3V的電壓，并為其他選用芯片提供所需電壓。復(fù)位模塊對(duì)I/O電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低片外時(shí)鐘頻率，在時(shí)鐘模塊使用DSP片內(nèi)鎖相環(huán)（PLL），通過(guò)外部引入50MHz時(shí)鐘源，將其經(jīng)PLL進(jìn)行12倍頻得到CPU所需600MHz；由于系統(tǒng)中各個(gè)芯片需要不同的時(shí)鐘源，采用可編程芯片CY22381，通過(guò)編程配置各參數(shù)，滿足各芯片時(shí)鐘輸入需求[6]。JTAG是基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測(cè)試方式，結(jié)合配套的仿真調(diào)試軟件，通過(guò)JTAG仿真模塊，可以訪問(wèn)DSP的所有資源，包括片內(nèi)寄存器以及所有的存儲(chǔ)器。在通過(guò)視頻信號(hào)對(duì)電視測(cè)角儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要處理海量的數(shù)據(jù)，而DM642內(nèi)部最多僅有256KB的RAM，由于同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM）讀寫速度快、存儲(chǔ)空間大，能保證DSP的運(yùn)行速度，所以采用HY57V283220T-H芯片完成圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。不過(guò)，SDRAM不具備掉電保護(hù)功能，為了保存程序代碼和一些掉電后仍需保存的數(shù)據(jù)，需要擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器，該設(shè)計(jì)采用了AMD公司生產(chǎn)的Am29LV033C芯片[7]。

圖2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（2）視頻采集與視頻輸出。電視測(cè)角儀輸出電視信號(hào)為模擬PAL信號(hào)，為對(duì)電視信號(hào)在DM642中進(jìn)行數(shù)字處理，選用TI公司生產(chǎn)的TVP5150為視頻解碼芯片，該芯片具有低功耗、支持PAL制式視頻信號(hào)等特點(diǎn)，工作電壓與DM642相同，這樣便于電源管理模塊的設(shè)計(jì)，視頻采集電路連接如圖3所示。TVP5150與DM642實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫連接，它將PAL信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)供DM642處理[8]。在檢測(cè)電視測(cè)角儀各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)時(shí)，需要實(shí)時(shí)觀察信號(hào)的變化情況，這就需要將輸出的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)供給顯示器顯示，設(shè)計(jì)中選用了Philips公司生產(chǎn)的專用視頻編碼芯片SAA7121，該芯片是一款數(shù)字PAL/NTSC編碼器，可將YUV數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)同時(shí)編碼為NTSC/PAL制式的CVBS或S-video信號(hào)，在顯示器上進(jìn)行顯示；通過(guò)I2C的時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA，DM642對(duì)SAA7121芯片進(jìn)行控制與參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，視頻輸出電路連接如圖4所示（“#”代表低電平有效）。

圖3 視頻采集電路連接

圖4 視頻輸出電路連接

（3）串口模塊設(shè)計(jì)。在測(cè)試過(guò)程中，需要不斷將測(cè)試數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電視測(cè)角儀檢測(cè)單元與整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通信，這樣在DM642與PC機(jī)之間設(shè)計(jì)了串行接口，如圖5所示。在設(shè)計(jì)中，采用TI公司生產(chǎn)的TL16C752B芯片作為通用異步收發(fā)器（UART）。其中，TL16C752B與DM642之間通過(guò)8-bit總線傳輸數(shù)據(jù)，它的讀/寫控制信號(hào)來(lái)自于DM642，通過(guò)2組TX與RX引腳發(fā)送與接收串行數(shù)據(jù)，兩組端口的使能信號(hào)通過(guò)CPLD產(chǎn)生。由于PC機(jī)的串口是RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，因此在UART與PC機(jī)之間加2片MAX3232芯片，實(shí)現(xiàn)TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換。

圖5 串行接口設(shè)計(jì)

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于TMS320C6000集成開發(fā)環(huán)境CCS2.2，采用DSP/BIOS進(jìn)行開發(fā)。通過(guò)DSP/BIOS來(lái)調(diào)度任務(wù)，可更加合理地利用資源并且在程序中減少動(dòng)態(tài)對(duì)象的建立，使得開發(fā)者可以將更多的精力投入到特定算法的開發(fā)上。檢測(cè)程序流程如圖6所示，DM642上電或復(fù)位后，系統(tǒng)自動(dòng)從Flash引導(dǎo)加載軟件系統(tǒng)，在初始化DSP/BIOS操作系統(tǒng)之后，調(diào)度圖像采集和圖像處理程序模塊。當(dāng)電視測(cè)角儀變焦結(jié)束，系統(tǒng)檢測(cè)到采集圖像不再變化，此時(shí)通過(guò)串口模塊輸出檢測(cè)結(jié)果，隨后退出檢測(cè)程序。

圖6 檢測(cè)程序流程圖

3 參數(shù)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)

在光學(xué)模擬環(huán)境下通過(guò)控制背景光源和目標(biāo)光源，為電視測(cè)角儀提供了模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和彈標(biāo)信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)圖像變化、追蹤窗口有無(wú)、彈標(biāo)位置坐標(biāo)可實(shí)現(xiàn)電視測(cè)角儀各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)[9]。電視測(cè)角儀捕獲圖像如圖7所示，兩條白色豎線代表追蹤窗口，追蹤窗口之間有一白色的圓點(diǎn)代表彈標(biāo)信號(hào)，黑色線條代表最小視場(chǎng)寬度。

圖7 電視測(cè)角儀捕獲圖像

圖8 靶面彈標(biāo)位置

在進(jìn)行精度指標(biāo)檢測(cè)時(shí)，需要在變焦結(jié)束時(shí)測(cè)得彈標(biāo)偏離瞄準(zhǔn)線的偏差角[10]。在瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)彈標(biāo)時(shí)，彈標(biāo)信號(hào)應(yīng)該成像在CCD靶面坐標(biāo)的中心，由于各種誤差的出現(xiàn)，觀測(cè)到的彈標(biāo)總會(huì)偏離靶面中心，靶面彈標(biāo)位置如圖8所示。其中，灰色方塊代表彈標(biāo)位置，Δx與Δy為彈標(biāo)偏離中心的坐標(biāo)。設(shè)電視光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f，電視測(cè)角儀精度為φ，則如式（1）所示：

電視信號(hào)中的靶面信息在數(shù)字圖像中是由像素矩陣呈現(xiàn)的，不同位置像素灰度值的差異體現(xiàn)了靶面信息各部分的差異。由于CCD靶面像元位置與數(shù)字圖像中像素位置是一一對(duì)應(yīng)的，那么彈標(biāo)偏離中心的坐標(biāo)與數(shù)字圖像中彈標(biāo)區(qū)域的位置也是一一對(duì)應(yīng)的，它們的計(jì)算完全可以在數(shù)字圖像中完成。設(shè)CCD靶面相鄰像元的中心距離為μ，在數(shù)字圖像中以對(duì)應(yīng)十字瞄準(zhǔn)線中心為原點(diǎn)，十字線為坐標(biāo)軸，X代表橫軸像素位置，Y代表縱軸像素位置，那么電視測(cè)角儀的精度φ在數(shù)字圖像中表示為：

也就是說(shuō)，通過(guò)提取彈標(biāo)信號(hào)在數(shù)字圖像中的位置完全可以實(shí)現(xiàn)精度指標(biāo)的檢測(cè)。精度指標(biāo)檢測(cè)的關(guān)鍵是在瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)定位彈標(biāo)信號(hào)偏離瞄準(zhǔn)線的坐標(biāo)，也就是如何確定彈標(biāo)位置。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)電視測(cè)角儀檢測(cè)到彈標(biāo)信號(hào)時(shí)，追蹤窗口將對(duì)彈標(biāo)信號(hào)進(jìn)行鎖定，并隨彈標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。于是可先檢測(cè)追蹤窗口，然后在追蹤窗口中檢測(cè)彈標(biāo)信號(hào)，這樣可以排除追蹤窗口之外的干擾，減少算法計(jì)算量。同樣，靈敏度與抗干擾指標(biāo)的檢測(cè)可通過(guò)在追蹤窗口中檢測(cè)有無(wú)彈標(biāo)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用以TMS320DM642為核心的電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了以往電視測(cè)角儀檢測(cè)儀處理數(shù)據(jù)能力的不足，提高了實(shí)時(shí)性。通過(guò)視頻采集系統(tǒng)將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，將各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像中各部分灰度值的檢測(cè)，減小了硬件開銷，提高了便攜程度。

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Detection of TV goniometer based on TMS320DM 642

GAO Wei-wei，WANG Zhu-lin，ZHANG Zi-bin，ZHANG Xiao-long
（Department 4，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the testing requirements of TV Goniomete，a video test system with TMS320DM642 as the core framework was proposed by combining digital image processing technique，and the main circuit design was introduced in detail.According to the correlation of CCD pixels with the pixels in the digital images and the characteristics of television goniometer to capture the marked bullet，a treatment program was proposed to calculate the offset of marked bullet in the digital image.Using the proposed system，the range of data processing was reduced by locating the tracking window，and the real time quality of test system was improved.The entire system is designed based on video acquisition system with digital image processing as the core，which provides a new way for television goniometer test study.

TV goniometer；parameter detection；video processing；TMS320DM642；digital image processing

TJ765；TM930.12

A

1674-5124（2011）01-0056-04

2010-03-26；

2010-06-03

高偉偉（1986-），男，山西臨汾市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。