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基于TMS320C6711的中心定位實(shí)時(shí)圖象處理系統(tǒng)

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作者：段榮行,王平,張燁 時(shí)間：2007-01-22 來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用 收藏
地平儀是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其測(cè)量精度和可靠性直接關(guān)系到衛(wèi)星姿態(tài)是否精確和穩(wěn)定，在凝視或靜態(tài)型地平儀中，地球被成像在紅外面陣探測(cè)器上，因此地球圖像的邊緣可落在紅外面陣探測(cè)器的光敏面內(nèi)。對(duì)該圖像進(jìn)行中心定位處理，可提取出衛(wèi)星的姿態(tài)參數(shù)，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星滾動(dòng)軸和俯仰軸方向，使固定在衛(wèi)星上的紅外面陣探測(cè)器視場(chǎng)中心正好對(duì)準(zhǔn)地球中心，從而精確定位整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的姿態(tài)，由于地平圈圖像具有遠(yuǎn)多于通過(guò)圓錐掃描方式獲得的信息，因而可獲得更高的精度，本文利用TI公司的DSP芯片TMS320C6711B（簡(jiǎn)稱(chēng)C6711）實(shí)現(xiàn)了中心定位的相關(guān)算法。實(shí)踐證明，該方法不僅可以滿足實(shí)時(shí)性要求，還可以提高地平儀的測(cè)量精度，對(duì)提高衛(wèi)星姿態(tài)的精度具有重要意義。

1 實(shí)時(shí)圖象處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)以C6711為核心，輔助以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA及高速A/D等器件構(gòu)成實(shí)時(shí)高速數(shù)字圖象處理系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件框圖如圖1，該圖象處理系統(tǒng)的工作原理是：由CCD采集輸出的模擬圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)高速A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字圖象信號(hào)在FPGA控制下，將數(shù)據(jù)不斷輸入至雙口RAM。每當(dāng)一幀圖像掃描結(jié)束時(shí)，F(xiàn)PGA提供一個(gè)中斷標(biāo)志信號(hào)，觸發(fā)DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，將雙口RAM中的一幀圖像通過(guò)C6711的QDMA搬移到SDRAM中。QDMA將數(shù)據(jù)搬移完后檢查圖像數(shù)據(jù)是否有效，如有效則觸發(fā)DSP執(zhí)行圖象處理程序，否則返回等下一個(gè)中斷到來(lái)，DSP在下次中斷到來(lái)之前處理完本幀圖像，將得出的姿態(tài)角信息通過(guò)多通道緩沖串口McBSP輸出給電腦PC機(jī)RS232口并顯示，之后又進(jìn)入中斷等待狀態(tài)，等待中斷再次觸發(fā)QDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移。

1.1 C6711數(shù)字信號(hào)處理器

C6711是TI公司的高速浮點(diǎn)DSP芯片，主頻為150MHz，最高能達(dá)到900MFLOSP的峰值運(yùn)算能力，C6711由CPU內(nèi)核、片內(nèi)外設(shè)和存儲(chǔ)器三大部分組成，處理單元采用高性能、先進(jìn)的VelociTI結(jié)構(gòu)，每時(shí)鐘周期8個(gè)功能單元可并行工作，C6711具有特別適合實(shí)時(shí)圖象處理的特點(diǎn)：

（1）先進(jìn)的VelociTI超常指令字C67XDSP內(nèi)核；

（2）硬件支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)的單精度和雙精度浮點(diǎn)指令；

（3）32位外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），提供與同步、異步存儲(chǔ)器的無(wú)縫接口；

（4）兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，其中：程序緩存32Kbit，數(shù)據(jù)緩存32Kbit，二級(jí)緩存512Kbit；

（5）增強(qiáng)型DMA控制器，共16個(gè)獨(dú)立通道。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換

由CCD輸出的模擬圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)高速A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字圖象信號(hào)，在FPGA的控制下存入雙口SAM存儲(chǔ)器，供DSP處理使用。

1.3 電源模塊和監(jiān)控復(fù)位電路

C6000系列DSP需要兩種電壓，分別為CPU內(nèi)核電壓和周邊I/O接口電壓。C6711需要3.3V和1.8V兩種電壓，并且要求兩種電源滿足一定的加電順序。本系統(tǒng)采用兩者同時(shí)加電的方式，根據(jù)系統(tǒng)的功耗要求，分別采用芯片TPS54316和TPS54314直接產(chǎn)生3.3V和1.8V兩種電壓，它最大可提供3A的供電電流，電源監(jiān)控和復(fù)位電路采用TI公司的TPS3307-33實(shí)現(xiàn)，它可以同時(shí)監(jiān)測(cè)三個(gè)獨(dú)立的電壓3.3V/5V/1.8V，并且被監(jiān)測(cè)的三個(gè)電壓有一個(gè)低于其門(mén)限值時(shí)，就可以保證輸出有效的RESET信號(hào)，使DSP復(fù)位，當(dāng)它們的值都高于門(mén)限值時(shí)，RESET信號(hào)才變?yōu)楦唠娖健?BR>
1.4 時(shí)鐘模塊和JTAG接口

25MHz的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)ICS501倍頻后，產(chǎn)生150MHz和100MHz時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)三態(tài)門(mén)總線緩沖器74LVTH125輸出后得到CPU工作時(shí)鐘及同步接口所需的工作時(shí)鐘，C6711的7個(gè)JTAG仿真腳TRST、TMS、TDI、TDO、TCK、EMU1和EMU0連接到一個(gè)14腳雙排插頭上，可與仿真器相連，以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和程序下載。

1.5 外部存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

C6711訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器必須通過(guò)EMIF。EMIF不僅有很高的數(shù)據(jù)吞吐率，而且還有很強(qiáng)的接口能力，可以與目前所有類(lèi)型的存儲(chǔ)器直接接口，設(shè)計(jì)采用三種類(lèi)型的存儲(chǔ)器：Flash ROM、雙口RAM和同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM，F(xiàn)lash ROM是現(xiàn)場(chǎng)可擦除、掉電后可保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，用來(lái)固化程序和保存掉電后需要保存的數(shù)據(jù)，雙口RAM用來(lái)存儲(chǔ)一幀圖象數(shù)據(jù)；SDRAM運(yùn)行速度快，用存放實(shí)時(shí)運(yùn)行程序和臨時(shí)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)Flash ROM采用SST39V040，且配置在CE1空間，雙口RAM采用IDT70V28，且配置在CE2空間，選用HY57V563220作為SDRAM，配置在CE0空間，這樣的配置與引導(dǎo)方式相配合。

1.6 輸出電路

系統(tǒng)根據(jù)輸入的圖像，由C6711進(jìn)行處理后得出的一個(gè)衛(wèi)星姿態(tài)角信息，該姿態(tài)角信息由C6711輸出到PC機(jī)的RS-232口，由于通信的信息量少，所以可以利用C6711的多通道緩沖串口McBSP，在不擴(kuò)展其他硬件的情況下，用實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸格式，發(fā)送時(shí)，發(fā)送轉(zhuǎn)換子程序把每一個(gè)數(shù)據(jù)位擴(kuò)展成16位的UART字，并把這些已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)塊放入發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)在適當(dāng)?shù)牡胤郊由掀鹗己徒K止位（如圖2所示），然后EDMA把數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)傳給McBSP，而McBSP幀同步發(fā)生器負(fù)責(zé)連續(xù)的移出這些數(shù)據(jù)[4]，接收時(shí)，EDMA從McBSP讀入已經(jīng)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)寫(xiě)入接收緩沖區(qū)，然后再調(diào)用壓縮子程序把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成原來(lái)的字節(jié)形式，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件接口簡(jiǎn)單，只需增加一個(gè)CMOS電平與RS232電平的電平轉(zhuǎn)換電路。

2 圖象處理算法的實(shí)現(xiàn)

中心定位圖象處理算法設(shè)計(jì)以輸入圖像格式320



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