孫愛中，張琬珍，劉 冰，譚 震

(1.中國航空工業(yè)西安航空計算技術研究所 6室，陜西西安 710068;2.中國人民解放軍空軍駐西北地區(qū)軍事代表室，陜西西安 710068)

現(xiàn)代空戰(zhàn)中，光電對抗裝備在戰(zhàn)爭中扮演著重要的角色，而紅外偵測與跟蹤系統(tǒng)由于采用的無源探測技術，因此與雷達等主動探測系統(tǒng)相比具有隱身性強、抗干擾能力好和小型化程度高等優(yōu)點，受到業(yè)內的關注［1-3］。新一代紅外成像導引系統(tǒng)須具備高精度、處理速度快、實時性強且反應時間短等特點，這便要求圖像處理計算機能滿足圖像處理中大數(shù)據(jù)量、復雜運算、實時性強、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)設計方法［4-5］。

1 紅外制導控制系統(tǒng)硬件總體設計

紅外信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［6］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大量的實時圖像信號預處理、圖像信號處理與控制任務;控制信息處理板控制接口信號的采集，跟蹤回路的解算，控制輸出及與飛控計算機等的通訊，同時控制管理模塊也是系統(tǒng)的管理模塊，完成對系統(tǒng)的輸入/輸出操作、同步控制、系統(tǒng)狀態(tài)管理等功能。

2 圖像處理模塊的硬件設計

圖像處理模塊的硬件由復位電路、時鐘電路、圖像采集及預處理電路、DSP圖像處理電路、電源轉換電路和外部接口等電路組成。組成框圖如圖2所示。

2.1 圖像采集單元

圖像采集單元包括掃描同步接口電路、探測器接口電路、前端調整電路、A/D轉換電路、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。掃描同步信號是來自系統(tǒng)中掃描模塊，該信號提供系統(tǒng)時序基準，其信號同步于幀同步信號。掃描同步信號從底板連接器接入。探測器接口電路包括:參考電源、溫度信號、采樣控制信號及2路視頻模擬信號等，以上信號在FPGA內部采集電路的控制下，保證每幀圖像數(shù)據(jù)的同步采集。調整電路將探測器輸出的視頻信號調整至高速A/D輸入的范圍，差分視頻信號經(jīng)差分驅動器放大驅動，其共模輸入電壓為視頻A/D片內參考信號(2.5 V)。模擬信號輸入到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與數(shù)字信號進行轉換。根據(jù)電路整體要求，A/D轉換電路需滿足采樣頻率高、功耗低、轉換精度高等要求。采樣控制和數(shù)據(jù)緩存電路由FPGA內部采樣控制電路完成。數(shù)據(jù)緩存電路由FPGA內部雙口存儲器完成，具有高速、可同步及異步讀寫操作等性能。

圖1 紅外信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框圖

圖2 圖像采集單元電路組成

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TMS320C641x系列中C6414 GLZA-6E3作為圖像信息處理C6414-6E3，時鐘周期為1.67 ns，內部工作時鐘可達600 MHz，最高處理速度可達4 800 MIPS;內部存儲器容量8 Mbit;有2個擴展存儲器接口，EMIFA為64 bit，EMIFB為16 bit，EMIFA的總線頻率可達133 MHz，最大可尋址空間為1 280 MB;內核工作電壓為1.4 V，工作溫度可達-40～105℃。其完成紅外成像制導導引頭圖像組合、分割與增強、模板匹配、背景處理、目標提取和目標跟蹤等主處理算法。

FPGA預處理單元是圖像信息處理板上另一個核心部件，采用Xilinx公司Vertex-II系列中的XC2V2000-FG676來實現(xiàn)。XC2V2000具有200萬門的規(guī)模，內部的存儲資源有 1 Mbit的 Select RAM，336 kbit的Distributed RAM，IO管腳資源達到408個，8個DCM。FPGA預處理單元設計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器、預處理單元、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接口的主機控制電路等部分組成。另外，圖像信息處理板的FPGA配置可實現(xiàn)外場在線配置功能。

存儲器電路包括Flash、FPGA內部同步雙口兩種存儲器?？膳cC6414的(EMIF外部存儲器接口，C64有2條總線EMIFA與EMIFB)連接，在使用時需通過DSP/BIOS對EMIF總線進行配置，確定訪問時序。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除用以存儲模塊BOOT程序，還可對用戶應用程序進行存儲。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;為支持 C6414從ROM引導的機制，DSP所屬Flash連接至 C6414的EMIFB異步BANK CE1，采用異步的讀寫信號。雙口存儲器主要用于存儲幀圖像數(shù)據(jù)，在圖像信息處理板的FPGA上配置了雙口存儲器。應用中可通過FPGA設計配置同步或異步雙口存儲器與C6414實現(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。

3 控制信息處理模塊的硬件設計

控制信息處理板由處理器、時鐘及復位電路、存儲器、數(shù)字脈沖計數(shù)與邏輯控制電路、模數(shù)轉換A/D電路和指示燈電路組成。如圖3所示。

圖3 控制信息處理板組成框圖

控制信息處理板信號處理器采用TMS320F2812，由30 MHz晶體提供輸入工作時鐘，16位總線寬度，可訪問128 kW的片上程序存儲空間和64 kW的數(shù)據(jù)存儲空間，具有三級外部中斷。時鐘電路采用外部晶振為F2812提供30 MHz的時鐘輸入，由內部PLL電路配置F2812工作時鐘為120 MHz，外部總線工作時鐘為60 MHz。復位電路由本板的LDO電源轉換器輸出，復位輸入經(jīng)CPLD的邏輯控制均產(chǎn)生控制信息處理板DSP的復位?？刂菩畔⑻幚戆逯饕幸韵麓鎯ζ髋渲?F2812片內存儲器包括:18 kW的SARAM、128 kB的Flash、4 kB的Boot Rom。片外存儲空間包括:512 kB的SRAM、1 kB的飛控計算機雙口存儲空間、3路數(shù)字脈沖計數(shù)電路的數(shù)據(jù)寄存器及板上2片A/D轉換器的數(shù)據(jù)端口地址等。

可編程邏輯CPLD電路完成控制信息處理板的3路數(shù)字脈沖計數(shù)、復位電路和譯碼邏輯等，譯碼邏輯由F2812的外部存儲器片選信號和高位地址線一并通過邏輯譯碼產(chǎn)生訪問A/D芯片及與飛控模塊接口的片選信號。

CPLD實現(xiàn)對3路數(shù)字脈沖信號進行計數(shù)測頻的原理是;將3路數(shù)字脈沖信號經(jīng)CPLD測頻電路對脈沖信號進行計數(shù)處理后，通過軟件編程由F2812定時讀取。

2片A/D轉換器實現(xiàn)9路模擬量輸入的模數(shù)轉換，A/D電路見圖4。系統(tǒng)輸入9路差分交流模擬信號，這9路模擬信號需使用差分運放調整至0～+5 V，同時輸入到A/D轉換器，采樣時鐘由CPLD控制。

圖4 A/D轉換電路

4 軟件功能設計

圖像控制信息處理系統(tǒng)結構復雜、接口繁多。因篇幅限制，僅對驗證其是否滿足成像導引系統(tǒng)和目標信號處理系統(tǒng)指標要求的BIT測試方法作了簡要介紹。A/D測試選用數(shù)字化 FFT方法進行，F(xiàn)lash和RAM類的測試用讀寫比較片內空間數(shù)據(jù)完成判斷，接口類測試通過硬件接口從外部輸入模擬信號后運行軟件對運算結果進行閾值判斷實現(xiàn)，圖像數(shù)據(jù)傳輸率測試通過EMIF總線與FPGA內部的同步雙口RAM配置為主從式測試回路方法而實現(xiàn)。而BIT測試結果則通過RS422接口轉RS232接口，連接PC機顯示。測試結果顯示直觀，局部電路出現(xiàn)故障易于定位。

5 結束語

文中針對彈載計算機紅外圖像信息處理的需求，以DSP(TMS320C6414)處理器+FPGA(XC2V2000-FG676)為核心開發(fā)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進行了軟硬件設計。經(jīng)測試結果表明，該系統(tǒng)具有較強的處理能力，調試方便，在發(fā)生硬件故障時易于定位。

［1］辛永利.彈載數(shù)字圖像處理計算機系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.航空計算技術，2007(2):69-72.

［2］于鳳芹.TMS320 C6000DSP結構原理與硬件設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［3］江思敏，劉暢.TMS320C6000 DSP應用開發(fā)教程［M］北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［4］徐科軍.TMS320XDSP原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［5］李立坤.新一代空空導彈關鍵技術和發(fā)展戰(zhàn)略［J］.航空兵器，2002(6):1-3.

［6］史震導.彈制導與控制原理［M］哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2002.