楊 龍，李范鳴，張 涌

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基于Wishbone-PCI核的紅外探測器注入式仿真系統(tǒng)

楊 龍，李范鳴，張 涌

（中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

介紹了一種基于Wishbone-PCI橋核和Spartan6系列FPGA的紅外探測器注入式仿真系統(tǒng)。重點討論了基于PCI總線的紅外圖像注入接口卡的設(shè)計與實現(xiàn)以及Wishbone-PCI橋核技術(shù)。該系統(tǒng)可以代替紅外偵察告警設(shè)備的頭部探測器將紅外仿真圖像數(shù)據(jù)注入到紅外告警、紅外搜索跟蹤等設(shè)備的實時信息處理箱，用來實現(xiàn)對紅外偵察告警設(shè)備目標(biāo)探測與目標(biāo)跟蹤功能的驗證與仿真。該注入式仿真系統(tǒng)通過將前期紅外偵察告警設(shè)備采集的紅外圖像數(shù)據(jù)與自定義的目標(biāo)圖像相疊加，注入到實時信息處理箱，因此該注入式仿真系統(tǒng)具有圖像數(shù)據(jù)真實連續(xù)的特點，能更加真實地模擬現(xiàn)實的場景，為實時信號處理箱提供真實可靠的數(shù)據(jù)來源，有利于加快紅外偵察告警設(shè)備的研發(fā)進程，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

Wishbone；PCI；FPGA；注入式仿真系統(tǒng)；紅外探測器

0 引言

紅外告警設(shè)備和紅外搜索跟蹤設(shè)備通常是由紅外告警頭和紅外實時信號處理平臺兩部分構(gòu)成。紅外告警頭主要由紅外探測器、圖像讀出電路、制冷機以及光學(xué)鏡頭等組成，主要功能包括完成探測器的成像功能以及圖像輸出功能。紅外實時信號處理平臺主要的任務(wù)是對探測器發(fā)送過來的圖像信號進行處理，運用各種圖像處理算法，根據(jù)需求對圖像進行處理，完成紅外目標(biāo)的檢測與提取，同時對潛在的目標(biāo)給出實時告警狀態(tài)信息或?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤功能。

在設(shè)計和研制紅外偵察告警設(shè)備之前，首先都會提出設(shè)計方案，然后采用各種仿真途徑驗證設(shè)計方案[1]。采用各種仿真途徑即有利于前期對系統(tǒng)的設(shè)計方案進行驗證、優(yōu)化，有利于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中的錯誤或不足，進一步改進和優(yōu)化方案；另一方面由于紅外告警設(shè)備和紅外搜索跟蹤設(shè)備中所使用的探測器價格比較昂貴、使用壽命有限，采用仿真手段可以避免使用真實探測器所面臨的高額開支以及縮短探測器使用壽命以及使用的過程中導(dǎo)致探測器的損壞等問題[2]。因此紅外仿真實驗是紅外偵察告警設(shè)備前期研制過程中一個不可或缺的環(huán)節(jié)。常用于紅外偵察告警設(shè)備的仿真實驗主要有兩種類型：半實物仿真也稱半物理仿真和數(shù)字圖像注入式仿真[3]。而對于紅外偵察告警設(shè)備的半物理仿真實驗隨著實物部件的增多，雖然仿真的逼真度有所提高，但會大大降低系統(tǒng)的靈活性，其花費開銷也會越來越大。本文介紹了一種采用數(shù)字圖像注入式仿真方式，基于Wishbone-PCI橋核和Spartan6系列FPGA的開發(fā)的紅外探測器注入式仿真系統(tǒng)。其中仿真數(shù)據(jù)源為紅外告警頭預(yù)先采集的真實外場數(shù)據(jù)，經(jīng)仿真應(yīng)用程序疊加目標(biāo)信息后，實時注入紅外實時信號處理平臺處理，真實高效地仿真了實際的紅外探測器系統(tǒng)。

1 仿真系統(tǒng)

1.1 Wishbone-PCI橋核

為實現(xiàn)圖像的注入，首先要從仿真計算機中獲取仿真數(shù)據(jù)源，本系統(tǒng)中注入接口卡通過PCI總線協(xié)議從仿真計算機中獲取目標(biāo)疊加后的仿真數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)PCI總線協(xié)議，本系統(tǒng)通過在FPGA內(nèi)例化Opencores開放IP Core組織提供的Wishbone-PCI橋核來實現(xiàn)了Wishbone片上系統(tǒng)總線與PCI邏輯總線接口的互聯(lián)[1]。圖1給出了Wishbone-PCI橋核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從圖1中可以看出Wishbone-PCI橋核由Wishbone從單元和PCI目標(biāo)單元兩個獨立的單元組成，Wishbone從單元處理Wishbone總線側(cè)的數(shù)據(jù)流，PCI目標(biāo)單元處理PCI總線側(cè)的數(shù)據(jù)流。通過對該橋核內(nèi)部的參數(shù)頭文件的配置，可以使其工作在主橋或從橋的模式下，兩種模式的區(qū)別在于對Wishbone-PCI橋核的配置空間的初始化方式不同。在本系統(tǒng)中工作在從橋的模式下，即通過系統(tǒng)配置軟件初始化橋核的配置空間。在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了一個Wishbone從接口，通過Wishbone從接口操作時序完成對數(shù)據(jù)的讀寫操作，再由Wishbone-PCI橋核完成Wishbone總線接口后PCI總接口的雙向轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)Wishbone總線和PCI總接的雙向數(shù)據(jù)通訊。

1.2 系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)先生成的紅外圖像素材數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的戰(zhàn)情類型，實時采集紅外偵察告警設(shè)備（含勻掃、擺掃兩種型號）的光軸指向數(shù)據(jù)，生成包含目標(biāo)紅外仿真圖像，并實時注入到信息處理機中進行處理，實現(xiàn)紅外偵察告警設(shè)備的注入式閉環(huán)仿真。

該仿真系統(tǒng)主要功能是基于目前現(xiàn)有的兩種偵察告警設(shè)備，完成紅外偵察告警設(shè)備勻掃型系統(tǒng)的紅外頭部仿真；完成紅外偵察告警設(shè)備擺掃型系統(tǒng)的紅外頭部仿真；在向紅外實時信號處理平臺注入仿真數(shù)據(jù)過程中完成紅外背景圖像和目標(biāo)信息的實時疊加，用于驗證紅外偵查告警設(shè)備的功能，包括圖像的采集與顯示以及目標(biāo)告警與目標(biāo)跟蹤的功能。

紅外探測器注入式仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖2所示。虛線內(nèi)為該仿真系統(tǒng)的構(gòu)成，由仿真計算機和圖像注入接口卡組成，其中圖像注入接口卡主要包括主控FPGA，緩存用的DDR3，接收數(shù)據(jù)用的PCI接口以及光纖模塊發(fā)送紅外圖像數(shù)據(jù)，通過PCI總線連接在仿真計算機上。從圖2中可以看到整個仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)過程：圖像仿真計算機將通過應(yīng)用程序從外場試驗獲取的紅外圖像數(shù)據(jù)生產(chǎn)紅外仿真圖像數(shù)據(jù)，仿真計算機應(yīng)用程序?qū)⒓t外仿真圖像數(shù)據(jù)寫入仿真計算機內(nèi)存，然后通知FPGA將仿真計算機內(nèi)存中的紅外仿真圖像數(shù)據(jù)通過PCI總線讀出，并且乒乓操作分別寫入緩存DDR3Ⅰ和DDR3Ⅱ中，最后再由FPGA從DDR3中讀出紅外仿真圖像數(shù)據(jù)并且按照紅外告警設(shè)備和紅外搜索跟蹤設(shè)備規(guī)定的協(xié)議向后級紅外實時信號處理平臺注入仿真數(shù)據(jù)。

圖1 Wishbone-PCI橋核內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 紅外探測器注入式仿真系統(tǒng)框圖

PCI總線是一條共享總線，在一條PCI總線上可以掛接多個PCI設(shè)備[4]。實際上，由于主機的仲裁機制是不會讓同一個設(shè)備長時間占用PCI總線資源，所以，即便工作在突發(fā)讀寫的模式下，PCI總線上傳輸數(shù)據(jù)也會出現(xiàn)間斷的情況。特別是在相鄰兩次突發(fā)讀寫之間，會有不固定的時間間隔的空閑。然而，想要模擬紅外設(shè)備的頭部探測器工作情況，必須保證輸出給后級紅外實時信號處理平臺的仿真數(shù)據(jù)中一幀圖像內(nèi)沒有不連續(xù)情況發(fā)生。因此，不能直接將從PCI總線上獲取的主機內(nèi)存中的紅外仿真圖像數(shù)據(jù)輸出給后級紅外實時信號處理平臺。必須有一個足夠大的緩存來暫時保存PCI總線上獲取的紅外仿真圖像數(shù)據(jù)[5]，然后再連續(xù)地發(fā)送給后級紅外實時信號處理平臺。

1.3 系統(tǒng)工作模式

該系統(tǒng)能工作在兩種不同的工作模式，根據(jù)圖像注入接口卡得到的注入控制指令產(chǎn)生的方式不同，紅外偵察告警注入式仿真試驗原理驗證系統(tǒng)應(yīng)能工作在以下兩種模式下：

1）內(nèi)觸發(fā)工作模式

在內(nèi)觸發(fā)模式下，圖像仿真與圖像注入的同步信號由圖像注入接口卡產(chǎn)生，但產(chǎn)生的第一個同步信號受外觸發(fā)信號控制，即該注入式仿真系統(tǒng)接收到仿真開始指令后，圖像注入接口卡接收到第一個外觸發(fā)信號時，產(chǎn)生第一個同步信號，且板卡的內(nèi)部計數(shù)器開始工作，間隔1時間后（1為紅外偵察告警設(shè)備的幀周期，對于勻掃型，該時間為0.95s；對于擺掃型，該時間為0.3s），板卡產(chǎn)生下一個同步信號。

圖像仿真軟件接收到注入接口卡產(chǎn)生的同步信號后，實時獲取紅外偵察告警設(shè)備的碼盤數(shù)據(jù)，并實時合成紅外圖像，寫入到注入接口卡的緩存；圖像注入接口卡產(chǎn)生同步信號后，延時固定時間（該時間需要保證圖像合成和寫緩存完成），將當(dāng)前緩存中的圖像數(shù)據(jù)注入到信息處理機中。內(nèi)觸發(fā)工作模式如圖3所示。

圖3 內(nèi)觸發(fā)工作模式示意圖

2）軟觸發(fā)工作模式

在軟觸發(fā)模式下，圖像仿真與圖像注入的同步信號由仿真應(yīng)用程序計時產(chǎn)生，但產(chǎn)生的第一個同步信號受外觸發(fā)信號控制，即該注入式仿真系統(tǒng)接收到仿真開始指令后，仿真應(yīng)用程序接收到第一個外觸發(fā)信號時，產(chǎn)生第一個同步信號，并開啟計時功能，間隔1時間后（1為紅外偵察告警設(shè)備的幀周期，對于勻掃型，該時間為0.95s；對于擺掃型，該時間為0.3s），產(chǎn)生下一個同步信號。

圖像仿真軟件產(chǎn)生同步信號的同時，獲取紅外偵察告警設(shè)備的碼盤數(shù)據(jù)，并實時合成紅外圖像，寫入到注入接口卡的緩存，寫入完成后向圖像注入接口卡發(fā)送開始注入指令，將當(dāng)前緩存中的圖像數(shù)據(jù)注入到信息處理機中。在圖像注入的同時，圖像仿真軟件等待下一個同步信號的產(chǎn)生。軟觸發(fā)工作模式如圖4所示。

1.4 系統(tǒng)初始化流程

為實現(xiàn)圖像注入接口卡對多種型號紅外偵察告警設(shè)備的注入式仿真，在啟動仿真應(yīng)用程序后，首先需對PCI板卡進行配置以及參數(shù)設(shè)定，使得注入接口卡工作的所需的模式下，以及使得板卡輸出對用紅外實時信號處理箱能識別的數(shù)據(jù)格式。圖像注入接口卡初始化配置流程圖如圖5所示，對于勻掃型和擺掃型設(shè)備，需配置不同的寄存器，用于定義注入接口卡的數(shù)據(jù)輸出格式和圖像規(guī)模的設(shè)定。中斷使能的目的為了實現(xiàn)注入接口卡和仿真應(yīng)用程序的同步，同步信號通過注入接口卡中斷信號來產(chǎn)生。

1.5 FPGA內(nèi)部系統(tǒng)流程

FPGA內(nèi)部邏輯實現(xiàn)框圖如圖6所示。FPGA和PCI總線的接口采用了開放IP組織Opencores提供的Wishbone-PCI[6]橋核。該核完成了Wishbone片上系統(tǒng)總線和PCI邏輯總線接口的實現(xiàn)。在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了相關(guān)功能的寄存器，主機上的應(yīng)用程序通過PCI總線對FPGA內(nèi)部的寄存器進行初始化。而當(dāng)應(yīng)用程序完成對FPGA工作模式配置后，由FPGA通過PCI總線從主機內(nèi)存獲得紅外仿真圖像數(shù)據(jù)。在使用Wishbone-PCI[6]橋核獲取紅外仿真數(shù)據(jù)之前，要配置相應(yīng)的寄存器，如設(shè)置能使中斷位開啟中斷功能，產(chǎn)生同步信號，配置數(shù)據(jù)輸出格式寄存器，輸出多種紅外仿真數(shù)據(jù)格式，以適應(yīng)不同型號信息處理箱，配置數(shù)據(jù)傳輸模式為突發(fā)傳輸模式，提高傳輸效率。

圖4 軟觸發(fā)工作模式示意圖

圖5 系統(tǒng)初始化配置流程

圖6 FPGA內(nèi)部系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)中DDR3的讀寫是通過Xilinx公司提供的MCB硬核來實現(xiàn)的[7]，Xilinx公司在最新的Spartan6中集成了MCB硬核，目前它可以支持到DDR3-800，且對于大多數(shù)廠家的儲存芯片都支持（Micron、Elpida、Hynix等）。MCB硬核有著優(yōu)秀的誤碼校驗和偏移時鐘校驗，以及高精度高穩(wěn)定性的PLL_ADV。而對于用戶控制接口是通過讀寫FIFO的方式，代替復(fù)雜的DDR3讀寫邏輯，以SRAM的地址映射方式代替復(fù)雜的行列地址選擇。在該系統(tǒng)中MCB主要用來完成DDR3的初始化，根據(jù)控制狀態(tài)機的控制信號實現(xiàn)對兩片DDR3的乒乓操作。在本設(shè)計中，為了提高數(shù)據(jù)的存儲速度，并沒有選用操作簡單的SRAM，而是選用了操作更為復(fù)雜速度更快的DDR3作為緩存。

時序控制器的主要功能是根據(jù)時序配置寄存器輸出對應(yīng)的紅外仿真數(shù)據(jù)格式。該仿真系統(tǒng)可以根據(jù)時序配置寄存器初始化過程中所配置的參數(shù)輸出不同格式時序信號，參數(shù)配置多樣化，以使得該系統(tǒng)可以使用與不同型號的紅外實時信號處理平臺，也可以兼容前一代的紅外實時信號處理平臺，大大增強了該紅外仿真系統(tǒng)的通用性。

系統(tǒng)中的中控核心控制狀態(tài)機的主要功能和任務(wù)包括：

1）乒乓操作控制仿真數(shù)據(jù)流的流向[8]。當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好一幀數(shù)據(jù)的時候，控制狀態(tài)機判斷當(dāng)前幀數(shù)是奇數(shù)幀還是偶數(shù)幀并發(fā)出讀取命令，若為奇數(shù)幀則數(shù)據(jù)進入FIFOⅠ中，并控制數(shù)據(jù)寫入到DDR3Ⅰ中，同時控制DDR3控制器從DDR3Ⅱ中讀出經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器和時序控制器輸出到光纖模塊輸出。反之，則數(shù)據(jù)進入FIFOⅡ中，并控制數(shù)據(jù)寫入到DDR3Ⅱ中，同時控制DDR3控制器從DDR3Ⅰ中讀出經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器和時序控制器輸出到光纖模塊輸出。

2）控制Wishbone-PCI橋核向主機提供中斷，產(chǎn)生同步信號。當(dāng)從主機讀取指定長度的數(shù)據(jù)塊后，會通過PCI接口向主機發(fā)出中斷請求，主機上應(yīng)用程序響應(yīng)中斷并讓主機提供下一幀數(shù)據(jù)，包括獲取碼盤數(shù)據(jù)、圖像合成、圖像寫緩存等操作。

3）按紅外實時信息處理平臺要求的協(xié)議輸出仿真數(shù)據(jù)。控制狀態(tài)機配合參數(shù)寄存器中初始化的參數(shù)值控制時序控制器輸出對應(yīng)格式的仿真數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果和討論

該仿真系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多種型號的紅外偵察告警設(shè)備中包括勻掃型一代、勻掃型二代以及擺掃型設(shè)備，有著良好的使用效果，可以完全代替紅外偵察告警設(shè)備的頭部，圖7、圖8分別為仿真系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果圖，圖7是該仿真系統(tǒng)實時向勻掃型設(shè)備中注入的仿真數(shù)據(jù)的效果圖，圖8是該仿真系統(tǒng)按勻掃型二代設(shè)備數(shù)據(jù)格式協(xié)議要求輸出紅外仿真數(shù)據(jù)，實驗測試該系統(tǒng)具有靈活的輸出方式、長時間可靠穩(wěn)定工作等特點。

本文采用基于Wishbone-PCI橋核設(shè)計并實現(xiàn)了紅外頭部注入式仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨立性好，資源占用少，數(shù)據(jù)傳輸速度快，以方便、靈活地配置成不同工作模式以及實現(xiàn)多種圖像輸出格式，能適用于多種型號的紅外偵察告警設(shè)備，如該系統(tǒng)成功地模擬了紅外偵察告警勻掃型一代、勻掃型二代以及擺掃型設(shè)備的紅外頭部，成功地解決了紅外仿真階段中注入原始圖像數(shù)據(jù)困難，通過仿真應(yīng)用程序完成對目標(biāo)的疊加，該系統(tǒng)可以代替紅外偵察告警設(shè)備研制過程中的多數(shù)外場實驗，大大節(jié)省了紅外偵察告警設(shè)備研制過程中的人力物力財力成本，也避免了使用真實探測器所面臨的巨額開支、縮短探測器使用壽命以及使用的過程中導(dǎo)致探測器的損壞等問題。同時，紅外成像、紅外目標(biāo)探測與目標(biāo)跟蹤是當(dāng)今信息對抗領(lǐng)域的熱門研究方向。該系統(tǒng)能夠為紅外信號實時處理平臺提供一個半真實的仿真環(huán)境，大大縮短紅外信號實時處理平臺的研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本，具有很大的實用價值。

圖7 仿真系統(tǒng)實際應(yīng)用效果圖

圖8 仿真系統(tǒng)輸出的紅外圖像

3 結(jié)語

實驗表明基于Wishbone-PCI橋核設(shè)計的紅外頭部注入式仿真系統(tǒng)能代替紅外頭部，為信號處理箱注入仿真紅外圖像數(shù)據(jù)，工作穩(wěn)定可靠，減少紅外偵察告警設(shè)備研制過程中的外場實驗，節(jié)省成本，同時該仿真系統(tǒng)基于FPGA開發(fā)，具有開發(fā)周期短、設(shè)計靈活等特點。在紅外注入式仿真系統(tǒng)方面有著廣闊的應(yīng)用前景和價值。

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Design of Infrared Detector Injected Simulator Based on Wishbone-PCI Core

YANG Long，LI Fanming，ZHANG Yong

(,,200083,)

Infrared detector’s injected simulator system based on Wishbone-PCI bridge core and Spartan6 series FPGA is introduced.. This paper focuses on the design and implementation of infrared image injected simulator’s interface card based on PCI bus and technology of Wishbone-PCI bridge core. The system can replace the head detector, by injecting the simulation image into the real-time processing tank of infrared warning and tracking system, which can verify and simulate the target detection and tracking function. The system superpose infrared image data which was collected by infrared detection warning system and the custom target image, injecting to the real-time processing tank, so the system is of real data and continuous, which can be more realistic with simulation of real scenarios and provide true and reliable data source for real-time signal processing tank. It can speed up the development process of the infrared detection and warning system, shortening the development cycle.

Wishbone，PCI，F(xiàn)PGA，injected simulator，infrared detector

TN216

A

1001-8891(2016)12-1026-06

2016-04-14；

2016-05-09.

楊龍（1989-），男，湖北漢川人，博士研究生，主要從事紅外成像電路與系統(tǒng)的研究。E-mail：yanglongsitp@163.com。

國家863計劃資助項目（2011AA7031002G）。