摘 要： 紅外成像導(dǎo)引頭集光機(jī)電于一身，設(shè)計(jì)難度大、研制周期長。為了縮短導(dǎo)引頭研制周期、降低開發(fā)成本，提出一種通用的信息處理平臺(tái)方案。本方案采用FPGA+DSP架構(gòu)，有較強(qiáng)的通用性，易于維護(hù)和擴(kuò)展，可以在原理樣機(jī)階段迅速搭建硬件平臺(tái)，用于系統(tǒng)驗(yàn)證和彈載軟件調(diào)試，并為后續(xù)的產(chǎn)品研制提供有力支持。
關(guān)鍵詞： 紅外成像導(dǎo)引頭；通用信息處理平臺(tái)；實(shí)時(shí)圖像處理；FPGA+DSP架構(gòu)
紅外成像導(dǎo)引頭是第四代紅外型空空導(dǎo)彈的標(biāo)志，具有作用距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、導(dǎo)引精度高、可自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)和區(qū)分多目標(biāo)、準(zhǔn)全天候工作等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。根據(jù)紅外探測(cè)器的不同，紅外成像導(dǎo)引頭又可分為線列掃描成像導(dǎo)引頭、凝視焦平面成像導(dǎo)引頭、雙色（多色）焦平面成像導(dǎo)引頭。為了與探測(cè)器配套，需要設(shè)計(jì)不同的信息處理平臺(tái)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，信息處理平臺(tái)在功能上越來越復(fù)雜，集成化程度越來越高，而要求產(chǎn)品的研發(fā)周期卻大大縮短，更新速度加快。為了解決這一矛盾，本文提出一種通用的信息處理平臺(tái)方案，在產(chǎn)品初期利用通用信息處理平臺(tái)迅速搭建，用于系統(tǒng)驗(yàn)證和彈載軟件調(diào)試，并為后期的產(chǎn)品硬件研制提供有力借鑒。
1 通用信息處理平臺(tái)特征分析[2-4]
無論是哪一種紅外成像導(dǎo)引頭，信息處理平臺(tái)都具有如下功能：高速圖像信號(hào)采集、圖像預(yù)處理、圖像處理、與外部系統(tǒng)通信、視頻圖像輸出、時(shí)鐘管理及時(shí)序控制等。功能組成如圖1所示。
1.1 高速圖像信號(hào)采集
高速圖像信號(hào)采集是對(duì)從前置放大器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)。由于視頻輸出信號(hào)電壓范圍未知，因此在A/D采樣前還需要一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的調(diào)理電路。紅外成像導(dǎo)引頭的探測(cè)靈敏度高、幀頻高(達(dá)到100 Hz以上)、視頻傳輸數(shù)據(jù)量大，因此要求AD轉(zhuǎn)換器精度高、速度快、通道一致性好。這部分是模擬數(shù)字混合部分，因此在電源供電、元器件布局布線上要進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。
1.2 圖像預(yù)處理
圖像預(yù)處理包括非均勻校正、圖像重構(gòu)、圖像濾波、圖像穩(wěn)像等。非均勻校正是指由于探測(cè)器本身的固有缺陷，使得從前置放大器輸出的視頻信號(hào)出現(xiàn)了不均勻性，為了防止系統(tǒng)成像質(zhì)量變差而對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理。圖像重構(gòu)是指對(duì)掃描成像來說，輸出的信號(hào)不是逐行順序輸出，需要對(duì)得到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序才能得到一幅正確圖像。圖像濾波指的是利用高通濾波和中值濾波等算法簡單、數(shù)據(jù)處理吞吐量大的算法對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高圖像質(zhì)量。圖像穩(wěn)像是指探測(cè)器固連在彈體上，探測(cè)器在飛行過程中有一繞其光軸的旋轉(zhuǎn)及偏航與俯仰方向的抖動(dòng)，使視場(chǎng)中同一目標(biāo)落在圖像序列的相鄰幀圖像的不同位置上，為了防止圖像成像質(zhì)量變差而對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理。圖像預(yù)處理的特點(diǎn)是處理速度快、數(shù)據(jù)吞吐量大、可重構(gòu)性強(qiáng)。
1.3 圖像處理
圖像處理包括目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、目標(biāo)誤差信號(hào)輸出、抗人工干擾、抗誘餌干擾等。圖像處理的特點(diǎn)是算法邏輯比較復(fù)雜，需要對(duì)整幅圖像或幾幅圖像的潛在目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)、抽取、判斷，因此適于用高級(jí)語言進(jìn)行描述。
1.4 與外部系統(tǒng)通信
與外部系統(tǒng)通信主要包括與導(dǎo)引頭伺服控制系統(tǒng)的通信、與導(dǎo)彈其他部件（飛控、引信等）的通信等。要求在通信過程中互不干擾，通信速度快，數(shù)據(jù)量相對(duì)較小。
1.5 視頻圖像輸出
視頻圖像輸出的主要作用是在調(diào)試過程中，把原始視頻圖像和處理后的圖像實(shí)時(shí)傳送給顯示裝置，供調(diào)試人員觀看。顯示裝置一般為工業(yè)顯示器，視頻圖像輸出的另外一個(gè)作用是傳送給遙測(cè)部件作為遙測(cè)數(shù)據(jù)供技術(shù)人員分析。視頻圖像輸出的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，可重構(gòu)性強(qiáng)。
1.6 時(shí)鐘管理及時(shí)序控制
不同的探測(cè)器需要不同的時(shí)鐘，探測(cè)器及讀出電路、前置放大器和信息處理平臺(tái)之間都需要同步時(shí)序控制。前置放大器內(nèi)的背景抑制電路也需要信息處理平臺(tái)提供同步時(shí)序，這些都是時(shí)鐘管理及時(shí)序控制的主要功能，其特點(diǎn)是嚴(yán)格要求各部分時(shí)序同步、可重構(gòu)性強(qiáng)。
2 通用信息處理平臺(tái)方案
根據(jù)對(duì)通用信息處理平臺(tái)的特征分析，提出一種通用信息處理平臺(tái)方案，其功能組成如圖2所示。
本方案采用FPGA+DSP的設(shè)計(jì)框架[5-7]，外圍增加調(diào)理電路、A/D裝換器、PROM、SBSRAM、DPRAM、FLASH、電源及電源濾波電路等。FPGA+DSP架構(gòu)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活、設(shè)計(jì)難度不大、有較強(qiáng)的通用性、適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能有效地提高算法效率。其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適合于實(shí)時(shí)信號(hào)處理。圖像預(yù)處理操作過程確定、邏輯處理明確、運(yùn)算量大而算法相對(duì)簡單，具有確定的處理時(shí)間和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通過量，因此采用FPGA實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘管理及時(shí)序控制和視頻圖像輸出可重構(gòu)性強(qiáng)，因此也用FPGA實(shí)現(xiàn)。圖像處理涉及到大量復(fù)雜的計(jì)算過程，采用DSP十分有效。利用DSP外接DPRAM和串口實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)通信。
2.1 主要器件選型
為了減少傳輸干擾，從前置放大器出來的視頻信號(hào)一般采用差分信號(hào)傳給調(diào)理電路，因此調(diào)理電路中的運(yùn)放也選用差分運(yùn)放，型號(hào)為AD8138，具有寬帶寬、高壓擺率、低噪聲、低諧波失真、放大倍數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)。成像導(dǎo)引頭為了提高探測(cè)靈敏度要求A/D轉(zhuǎn)換器至少10 bit，視頻帶寬一般為5 MHz，因此選用AD9240。它是單路14 bit、10 MS/s的高速AD轉(zhuǎn)換器，完全可以滿足需要。成像導(dǎo)引頭一般需要2個(gè)高速數(shù)據(jù)采集通道，因此把調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器都設(shè)計(jì)為兩路。
DSP選用TI公司的TMS320C6414工業(yè)級(jí)芯片。它的主要特點(diǎn)[8，9]是：(1)最高時(shí)鐘頻率600 MHz，處理速度4 800 MIPS；(b)并行處理速度高，采用改進(jìn)的VLIW（超長指令字）結(jié)構(gòu)，CPU包含64個(gè)32位的通用寄存器和8個(gè)功能單元；(3)片內(nèi)存儲(chǔ)器大，容量為1 056 KB，可構(gòu)成兩級(jí)Cache結(jié)構(gòu)（包括程序Cache和數(shù)據(jù)Cache）；(4)豐富的外部接口，包括2個(gè)外部存儲(chǔ)器接口，1個(gè)64 bit寬（EMIFA），1個(gè)16 bit寬（EMIFB）。支持與同步存儲(chǔ)器(SDRAM，SBSRAM，ZBTSRAM)和非同步存儲(chǔ)器(SRAM，EPROM，F(xiàn)LASH等)的無縫接口，3個(gè)多通道緩沖串行口（McBSP），32/16 bit主機(jī)接口（HPI）。因此可以很好地滿足圖像處理算法的復(fù)雜性、實(shí)時(shí)性和靈活性要求。DSP外圍連接了SBSRAM、FLASH、DPRAM。SBSRAM是為了擴(kuò)充C64的存儲(chǔ)空間，可選用GS84032AT，存取速度最大為200 MHz；Flash用于固化C64的程序和引導(dǎo)啟動(dòng)，選用SST39VF080；DPRAM用于和導(dǎo)彈其他部件通信，數(shù)據(jù)量小，速度要求不高，可選用IDT71V30，存儲(chǔ)容量是1k×8 bit。
FPGA選用Xilinx的Virtex-4系列中的XC4VLX60。它的主要特點(diǎn)[10]是：(1)時(shí)鐘頻率可高達(dá)500 MHz，內(nèi)部資源豐富；(2)I/O接口能力強(qiáng)，支持多種單端和差分接口標(biāo)準(zhǔn)；(3)片內(nèi)數(shù)字化阻抗匹配(DCI技術(shù))和可編程的輸出電流(2 mA～24 mA)大大降低了信號(hào)完整性問題。FPGA外圍接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PROM，用于固化FPGA程序，選用XCF32P。
電源及電源濾波部分主要是為信息處理平臺(tái)提供各種電壓的電源。對(duì)于數(shù)字部分，由于功率較大，可選用開關(guān)電源模塊；對(duì)于模擬部分，應(yīng)盡可能用線性電源，并采用LC、磁珠等多種濾波方式濾波。
2.2 硬件接口連接
FPGA到DSP的圖像數(shù)據(jù)傳送采用DSP的HPI端口，傳送的時(shí)序和速度完全由FPGA控制，圖像可以采用每行中斷一次的方式，也可以通過每幀中斷一次的方式通知DSP數(shù)據(jù)傳送的進(jìn)度，以便DSP啟動(dòng)圖像處理的進(jìn)程。采用HPI的好處是FPGA完全控制，避免了DSP的參與，減少了DSP的工作量，數(shù)據(jù)直接傳送到DSP的片內(nèi)存儲(chǔ)器，既省略了片外雙端口存儲(chǔ)器，又省略了DSP將數(shù)據(jù)從片外讀入片內(nèi)的過程，是圖像數(shù)據(jù)傳送的最佳選擇。
DSP對(duì)FPGA控制通過FPGA內(nèi)的映射存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。在FPGA內(nèi)部的邏輯設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)若干控制寄存器，這些寄存器通過DSP的數(shù)據(jù)總線和地址總線映射在DSP的地址空間，從而使DSP可以訪問這些寄存器。DSP對(duì)FPGA的控制主要包括：(1)FPGA的功能控制，例如圖像濾波功能和圖像匹配功能，這些模塊應(yīng)該是可選的模塊，DSP可以根據(jù)算法的要求打開或關(guān)閉這些模塊。(2)參數(shù)的設(shè)置，DSP可以對(duì)非均勻性校正的系數(shù)、濾波的相關(guān)參數(shù)和圖像匹配的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。(3)可以讀取前端系統(tǒng)的一些信息，例如探測(cè)器溫度傳感器的信息。
FPGA內(nèi)部有一個(gè)DPRAM，它接在DSP的外部地址空間，用于非均勻校正系數(shù)的傳輸。上電后，DSP把非均勻校正系數(shù)從FLASH中取出，傳遞給FPGA內(nèi)部的DPRAM。
DSP的一個(gè)McBSP端口通過接插件與導(dǎo)引頭伺服控制系統(tǒng)相連實(shí)現(xiàn)通信功能，向伺服控制系統(tǒng)發(fā)送圖像跟蹤的誤差信號(hào)和部分參數(shù)。
FPGA的視頻圖像輸出口可以采用多種接口標(biāo)準(zhǔn)傳輸，不需要增加接口芯片。為了實(shí)現(xiàn)高速高質(zhì)量的視頻圖像傳輸，采用基于LVDS的電平接口協(xié)議，設(shè)計(jì)的傳輸速度為40 Mb/s，傳輸媒體為三對(duì)5類雙絞線，分別為時(shí)鐘信號(hào)、字同步信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，全部由FPGA負(fù)責(zé)輸出。
通用信息處理平臺(tái)原理框圖如圖3所示。
2.3 上電工作過程
通用信息處理平臺(tái)的上電工作過程是：上電后DSP和FPGA單獨(dú)完成配置，F(xiàn)PGA配置速度較快，配置完畢后等待DSP；DSP完成啟動(dòng)引導(dǎo)后從FLASH取出非均勻校正系數(shù)，傳遞給FPGA內(nèi)部的DPRAM，傳輸完畢后給FPGA一個(gè)已完成信號(hào)；FPGA接到信號(hào)后立即開始控制視頻信號(hào)的采集、圖像預(yù)處理等工作，并把處理后的視頻數(shù)據(jù)通過HPI口直接寫入DSP的存儲(chǔ)區(qū)。DSP接收完1行或1幀數(shù)據(jù)后就開始圖像處理的進(jìn)程，并在每幀結(jié)束前完成與導(dǎo)引頭伺服控制系統(tǒng)的通信以及與導(dǎo)彈其他部件(飛控、引信等)的通信。
本文設(shè)計(jì)的紅外成像導(dǎo)引頭通用信息處理平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)采用FPGA+DSP架構(gòu)，運(yùn)行速度高，可重構(gòu)性好，在樣機(jī)開發(fā)階段不必研制新硬件，只需修改FPGA程序就可以完成系統(tǒng)驗(yàn)證和彈載軟件調(diào)試，加快了研制周期，對(duì)整個(gè)樣機(jī)研制有很好的促進(jìn)作用。
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