基于高速雙DSP的柔性機載實時圖像跟蹤系統(tǒng)研究
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摘要：給出了以兩片高性能TMS320C6414作為核心處理器，并輔以FPGA來實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯時序控制，從而組成雙DSP柔性機載實時圖像處理系統(tǒng)的設計方案。同時對系統(tǒng)的硬件資源選擇及工作流程進行了討論。
１ 引言
利用可見光成像與紅外成像傳感器實現(xiàn)實時目標成像跟蹤是精確制導武器及機載成像光電系統(tǒng)研究的核心技術。伴隨著實戰(zhàn)環(huán)境日益復雜以及偽裝、隱身等目標特性控制技術的飛速發(fā)展，機載實時圖像跟蹤系統(tǒng)的應用也日益廣泛與深入。當跟蹤目標并非一般地面慢速目標，而是其它快速運動目標?如：低空導彈、無人駕駛飛機等?時，系統(tǒng)將要求現(xiàn)有機載實時圖像跟蹤系統(tǒng)具有更高的技術性能。基于此，為了進一步提高現(xiàn)有機載光電跟蹤系統(tǒng)在實戰(zhàn)環(huán)境中，針對復雜場景下快速運動目標實施實時跟蹤的魯棒性與穩(wěn)定性，筆者提出以雙ＤＳＰ和ＦＰ-ＧＡ為核心來構建主從式超高速并行處理體系的設計思想，并研究開發(fā)了基于雙ＤＳＰ的新型柔性機載實時圖像跟蹤系統(tǒng)。一方面，采用雙ＤＳＰ體系結構實現(xiàn)系統(tǒng)任務的并行劃分使本系統(tǒng)具備極高的運算處理速度；另一方面，現(xiàn)場可編程邏輯器件ＦＰＧＡ的引入使系統(tǒng)的靈活性也得到極大的提高。而將兩者結合可使本系統(tǒng)充分體現(xiàn)新一代機載實時圖像跟蹤系統(tǒng)更快速、更精確、更靈活的特點。
圖1
２ ＴＭＳ３２０Ｃ６４１４的結構特點
美國德州儀器公司（ＴＩ）推出的新一代數(shù)字信號處理器ＴＭＳ３２０Ｃ６４１４（以下簡稱Ｃ６４１４）的主頻為４００ＭＨｚ～７００ＭＨｚ，其數(shù)據(jù)處理能力為３２００ＭＩＰＳ～５７６０ＭＩＰＳ。該器件的結構框圖如圖１所示。其主要特點如下：
（１）ＤＳＰ內核采用超長指令字（ＶＬＩＷ）體系結構，有８個功能單元、６４個３２ｂｉｔ通用寄存器，一個時鐘周期可同時執(zhí)行８條指令，運算能力可以達到５７６０ＭＩＰＳ；
（２）為了使數(shù)據(jù)能滿足超高速ＤＳＰ內核的需求，Ｃ６４１４采用了兩級超高速緩沖存儲器，即１６ｋ Ｂｙｔｅ的一級數(shù)據(jù)Ｃａｃｈｅ、１６ｋ Ｂｙｔｅ的一級程序Ｃａｃｈｅ和１０２４ｋ Ｂｙｔｅ的數(shù)據(jù)和程序統(tǒng)一內存。
（３）增加了直接處理打包數(shù)據(jù)指令，可建立無縫的數(shù)據(jù)流，以提高指令集的效率；
（４）每個功能單元在硬件上都增加了附加功能，從而增強了指令集的正交性。
３ 系統(tǒng)硬件設計
本光電成像跟蹤系統(tǒng)硬件平臺由六部分組成：圖像采集與預處理模塊、同步分離模塊、ＦＰＧＡ邏輯控制模塊、雙ＤＳＰ＋雙口ＲＡＭ 圖像處理模塊、異步通信模塊和圖形顯示模塊。其系統(tǒng)原理框圖如２所示。從圖２可以知道：紅外探測器及可見光攝像儀輸出的模擬視頻信號經多路信號選擇芯片導入之后，經箝位、放大、濾波以及去同步頭等預處理后，一路經Ａ／Ｄ轉換器將模擬視頻轉換為８ｂｉｔ數(shù)字信號并導入片外視頻緩存１、２，而后等待ＦＰＧＡ時序控制ＤＳＰ外部中斷，以便將全部緩存數(shù)據(jù)搬移到ＤＳＰ片內的２級緩存，再通過系統(tǒng)任務劃分實現(xiàn)數(shù)據(jù)重組，然后分別在主從ＤＳＰ進行同步并行數(shù)據(jù)處理，并將中間結果由主ＤＳＰ綜合，最后在完成后續(xù)運算后給出最終匹配結果。與此同時，主ＤＳＰ則通過寫圖形顯示緩存將目標匹配位置信息傳遞到外界；另一路模擬信號先導入同步分離器，然后提取行場同步信號送交ＦＰＧＡ作為時基，以產生系統(tǒng)各級時序控制信號；第三路模擬信號送給圖形疊加電路作為輸入疊加信號之一，當場正程來到時，ＦＰＧＡ中斷控制并讀出圖形存儲器數(shù)據(jù)，同時在ＦＰＧＡ片內實現(xiàn)讀入數(shù)據(jù)的并／串轉換后移位輸出至圖形疊加電路，此時兩路信號將會合送入視頻監(jiān)視器，從而完成視頻圖像上圖形的顯示。整個系統(tǒng)工作期間，每隔８０ｍｓ主ＤＳＰ還通過異步收發(fā)器與外部上位機進行串行通信，以便系統(tǒng)能夠實時接收外部命令與目標參數(shù)?進而調整跟蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
３．１ 圖像采集與預處理模塊
本系統(tǒng)中的多路選擇器件選用ＣＤ４０５２芯片。它能根據(jù)不同的工作場合來切換紅外／可見光視頻輸入；視頻預處理電路采用ＡＤ８１７進行視頻信號的放大，以得到更清晰的信號來進行視頻處理；Ａ／Ｄ芯片選用ＡＤ公司的ＡＤ９２２５，輸出的８ｂｉｔ數(shù)字視頻信號送入７４ＬＳ２４５進行數(shù)據(jù)鎖存。
３．２ 同步分離模塊
系統(tǒng)采用一款專門的視頻同步分離器ＬＭ１８８１來從標準的負同步ＮＴＳＣ(ＰＡＬ或ＳＥＣＡＭ)視頻信號中分離出有效的行／場同步信號，并將其送入ＦＰＧＡ以產生系統(tǒng)的各級邏輯控制輸出。
３．３ ＦＰＧＡ邏輯控制模塊
由于系統(tǒng)中各個芯片的功能相對獨立，要協(xié)調這些芯片的運作?就需要一片起控制邏輯作用的可編程芯片，為此，筆者選用了ＡＬＴＥＲＡＬ公司的ＥＰＦ１０Ｋ３０Ａ，該芯片有２４６個用戶Ｉ／Ｏ口、３００００個典型門、２１６個邏輯陣列塊、１７２８個邏輯單元?不僅能滿足系統(tǒng)的控制要求，而且也可以為將來系統(tǒng)的功能擴展提供控制邏輯。在這個光電跟蹤系統(tǒng)中，ＦＰＧＡ主要用來完成如下幾方面的工作：
（１）生成Ａ／Ｄ采樣控制時鐘，實現(xiàn)模擬視頻的正確采樣；
（２）提供字符圖形存儲器地址及片選／讀控制信號，并在場正程到來時，控制圖形數(shù)據(jù)的讀出；
（３）提供視頻數(shù)據(jù)緩存器地址及片選／寫控制信號，控制視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)寫入；
（４）產生外部中斷４至雙ＤＳＰ，當數(shù)據(jù)寫滿視頻圖像高速緩存預定空間時，控制主從ＤＳＰ以將數(shù)據(jù)塊快速搬移至片內２級緩存；
（５）產生外部中斷７至主ＤＳＰ，并在每個場逆程時刻來到時，控制主ＤＳＰ擦、寫字符圖形存儲器數(shù)據(jù)；
（６）產生一并／串轉換電路，以將并行讀入的字符圖形數(shù)據(jù)串行移位輸出至圖形疊加電路，從而實現(xiàn)“＋”、“□”圖形在視頻圖像上的疊加。
３．４ 雙ＤＳＰ＋雙口ＲＡＭ 圖像處理模塊
高速并行數(shù)字信號處理電路以雙ＤＳＰ為并行運算處理核心單元，并輔以雙口ＲＡＭ來實現(xiàn)視頻圖像的高速緩存，從而完成大運算量的高速實時目標跟蹤處理任務。該并行處理系統(tǒng)的組成與功能分述如下：
ａ． 視頻圖像高速緩存子模塊
為了實現(xiàn)圖像的實時采集與高速處理，本系統(tǒng)用兩片雙口ＲＡＭ組成相互獨立的視頻緩存，分別對應主／從ＤＳＰ處理器。設計時選用ＩＤＴ公司的３．３Ｖ 異步雙口ＰＲＡＭ ＩＤＴ７０Ｖ６５７，同時與ＤＳＰ接口采用ＡＳＲＡＭ方式。由于ＥＭＩＦ的ＡＳＲＡＭ接口支持３２Ｂｉｔ的數(shù)據(jù)接口，因此，利用ＩＤＴ７０Ｖ６５７構成不完全地址結構來存取數(shù)據(jù)能夠更好地實現(xiàn)８Ｂｉｔ鎖存數(shù)據(jù)與Ｃ６４１４的接口，而無須對ＤＰＲＡＭ進行寬度擴展。同時亦可減少ＤＳＰ讀取外部數(shù)據(jù)的時間開銷。
ＩＤＴ７０Ｖ６５７的大小是３２Ｋ３６Ｂｉｔ?系統(tǒng)采用將兩個ＤＰＲＡＭ各劃分為前后兩個半場的方式來實現(xiàn)存取數(shù)據(jù)時的乒乓切換。即在系統(tǒng)工作的任一時刻，當對ＤＰＲＡＭ前半場寫入數(shù)據(jù)時，使ＤＰＲＡＭ后半場向ＤＳＰ讀出數(shù)據(jù)。當前半場寫滿視頻數(shù)據(jù)時，由ＦＰＧＡ給ＤＳＰ發(fā)出中斷信號，以通知ＤＳＰ讀出ＤＰＲＡＭ前半場所寫入數(shù)據(jù)，同時，將Ａ／Ｄ轉換器的數(shù)據(jù)寫入ＤＰＲＡＭ后半場緩沖空間，如此反復進行來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出與寫入同步操作。
ｂ． 雙ＤＳＰ高速信號處理系統(tǒng)
ＴＭＳ３２０Ｃ６４１４－６００型ＤＳＰ的主頻高達６００ＭＨｚ，在超高速實時圖像處理領域有著非常出色的性能。本系統(tǒng)的雙ＤＳＰ高速實時信號處理系統(tǒng)就以２片Ｃ６４１４－６００ ＤＳＰ芯片為核心組成鄰域圖像并行處理機，并通過系統(tǒng)任務的劃分與分解實現(xiàn)同步并行運算處理。其系統(tǒng)框圖如圖４所示。
在本系統(tǒng)中，主ＤＳＰ完成的主要功能如下：
（１） 實現(xiàn)外部緩存數(shù)據(jù)到片內的搬移，為ＤＳＰ高速批處理開辟片內二級緩存；
（２） 實現(xiàn)與外部上位機的即時通訊，接收外部命令與目標參數(shù)；
（３） 實現(xiàn)與從ＤＳＰ的即時通信，下傳命令字與目標參數(shù)以及獲取中間結果；
（４） 運行系統(tǒng)跟蹤算法，承擔系統(tǒng)核心運算任務的一半；
（５） 與ＦＰＧＡ建立即時通信，實現(xiàn)系統(tǒng)程序模塊的調度與協(xié)調；
從ＤＳＰ完成的主要功能是：
(１) 實現(xiàn)外部緩存數(shù)據(jù)到片內的搬移，為ＤＳＰ高速批處理開辟片內二級緩存；
（２）運行系統(tǒng)跟蹤算法，承擔系統(tǒng)核心運算任務的一半；
（３）實現(xiàn)與主ＤＳＰ的即時通信，上傳匹配運算中間結果；
（４）與ＦＰＧＡ建立即時通信，實現(xiàn)系統(tǒng)程序模塊的調度與協(xié)調。
雙ＤＳＰ處理系統(tǒng)的柔性特色體現(xiàn)在：可依據(jù)實時環(huán)境需要加載不同的跟蹤算法來實現(xiàn)目標跟蹤。算法運行之初,兩片Ｃ６４１４－６００都在ＦＰＧＡ的控制下，通過ＥＭＩＦＡ口以ＥＤＭＡ方式，分若干次,依系統(tǒng)跟蹤算法而定?將外部視頻緩存中的數(shù)據(jù)（一場圖像）依次讀入ＤＳＰ的Ｌ２片內緩存中；算法運行之后,主從ＤＳＰ則通過ＭｃＢＳＰ直接互接來實現(xiàn)雙ＤＳＰ間的高速同步通信?以便交換數(shù)據(jù)處理結果。
系統(tǒng)設計中，Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ選用ＡＭＤ公司的ＡＭ２９ＬＶ８００（１Ｍ８Ｂｉｔ）來把ＦＬＡＳＨ映射到ＤＳＰ統(tǒng)一編址地址空間ＥＭＩＦＢ口的ＣＥ１空間。當系統(tǒng)上電復位后，該地址空間為首先引導區(qū)域，這樣即可將應用程序代碼加載到片內高速執(zhí)行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的脫機運行。
３．５ 異步通信模塊
本系統(tǒng)與外部上位機的異步通信主要通過主ＤＳＰ的ＭｃＢＳＰ。Ｃ６０００的ＭｃＢＳＰ是一個功能非常強大的標準串口,支持全雙工串行通信，它的雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流,可與多達１２８個通道進行收發(fā)通信。通過對ＭｃＢＳＰ的ＳＰＣＲ、ＲＣＲ、ＸＣＲ、ＳＲＧＲ、ＰＣＲ寄存器的配置可實現(xiàn)系統(tǒng)通信時收發(fā)數(shù)據(jù)的幀同步和時鐘同步。
由于外部上位機的通訊機制是ＲＳ４２２標準，而ＤＳＰ與外部通信只提供ＲＳ２３２接口，故應采用一片ＭＡＸ３０７４芯片來實現(xiàn)ＲＳ４２２到ＲＳ２３２的轉換。ＭＡＸ３０７４是ＭＡＸＩＭ公司生產的一款專門用于ＲＳ４２２／４８５至ＲＳ２３２的轉接芯片，采用３．３Ｖ供電，這與Ｃ６０００ ＤＳＰ 外圍供電電壓一致，連接非常方便，不再需要多余的電壓適配器。另一方面，由于ＭｃＢＳＰ為同步串口，為了實現(xiàn)ＭｃＢＳＰ與ＲＳ２３２的無縫連接，可通過軟件加入發(fā)送擴展算法與接收壓縮算法，從而實現(xiàn)ＤＳＰ與上位機異步串口通信協(xié)議的握手。
３．６ 圖形顯示模塊
該模塊由圖形存儲器、圖形疊加電路和視頻監(jiān)視器組成。圖形存儲器選擇ＩＤＴ公司的７０Ｖ０８（６４Ｋ８Ｂｉｔｓ）ＤＰＲＡＭ來存儲標識目標匹配位置的圖形數(shù)據(jù)。圖形疊加電路用于實現(xiàn)視頻與圖形的疊加，并最終由視頻監(jiān)視器顯示疊加結果。
４ 系統(tǒng)工作流程
本系統(tǒng)的軟件工作模式包括復位和初始化模式、運行模式、系統(tǒng)維護模式，可由系統(tǒng)程序來控制三種模式的切換。
在復位和初始化模式下，系統(tǒng)啟動后將由主從ＤＳＰ同步實現(xiàn)程序搬移,把程序代碼搬移到片內并運行系統(tǒng)程序，從而初始化主從ＤＳＰ的運行環(huán)境并設置相關參數(shù)。
運行模式下，雙ＤＳＰ一方面獨立響應并處理ＦＰＧＡ中斷、運行核心跟蹤算法并實現(xiàn)子系統(tǒng)內的進程調度；另一方面通過主從ＤＳＰ串口間的互連響應中斷以及主ＤＳＰ串口與遠程主機的通訊等功能來實現(xiàn)雙ＤＳＰ子系統(tǒng)間和雙ＤＳＰ系統(tǒng)與外部主機的進程調度。
系統(tǒng)維護模式下，主從ＤＳＰ在進行系統(tǒng)自檢后，可由遠程主機通過ＲＳ４２２接口與主ＤＳＰ進行通訊，以實現(xiàn)程序的更新下載和參數(shù)修改等功能。圖５為系統(tǒng)軟件工作流程框圖。
５ 結束語
筆者對該系統(tǒng)的實時性進行了仿真測試，結果分析表明：
（１）單ＤＳＰ只能實現(xiàn)開窗搜索，高速場合下一旦目標逃逸搜索區(qū)，將導致目標丟失；而本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)基于整場搜索的大運算量高速處理，從而加大了被跟蹤目標搜索區(qū)的動態(tài)范圍，避免了目標丟失情況的發(fā)生，進一步提高了實時跟蹤的可靠性。
（２）傳統(tǒng)單ＤＳＰ系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)基于一幀的匹配性能，而本系統(tǒng)可實現(xiàn)基于逐場的跟蹤匹配，進一步提高了跟蹤系統(tǒng)的實時性。
（３）根據(jù)實際場合的需要，本系統(tǒng)可通過軟件選擇加載跟蹤算法，從而極大的增強了系統(tǒng)的通用性和易維護性，體現(xiàn)出柔性處理系統(tǒng)的特色。
由此可見，雙ＤＳＰ柔性處理系統(tǒng)為復雜場景下快速移動目標的高速識別與跟蹤提供了一個有效的實現(xiàn)方案,同時也為機載實時圖像跟蹤系統(tǒng)提供了新的高速處理平臺。
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