現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的,，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點(diǎn),。與其他中小規(guī)模集成電路相比，其優(yōu)點(diǎn)主要在于它有很強(qiáng)的靈活性,，即其內(nèi)部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置,，對電路的修改和維護(hù)很方便。DSP+FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活,，有較強(qiáng)的通用性,，適于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率;同時其開發(fā)周期較短,，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展,，適合于實(shí)時數(shù)字信號處理。本文介紹的就是一種可以應(yīng)用于軍事偵察的紅外動目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計,。

　　設(shè)計任務(wù)及要求

　　紅外動目標(biāo)跟蹤與識別系統(tǒng)的輸入信號是紅外攝像機(jī)提供的模擬或數(shù)字視頻信號,。該系統(tǒng)通過基于C6X系列高速DSP的數(shù)字視頻處理卡，實(shí)時的處理紅外數(shù)字視頻序列,，完成對運(yùn)動目標(biāo)的搜索,、捕獲,、跟蹤、記憶;并且在PC上實(shí)時顯示紅外視頻圖像,，實(shí)時給出運(yùn)動目標(biāo)的空間坐標(biāo),，產(chǎn)生運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域的特征數(shù)據(jù)，完成運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域圖像的實(shí)時存儲或遠(yuǎn)程傳輸,。硬件模塊需要為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供硬件支持,，即提供與系統(tǒng)功能相適應(yīng)的底層物理支持，包括運(yùn)算處理速度,、存儲容量等,。

　　模擬視頻數(shù)字化精度要求：AD精度為8bit;數(shù)字視頻通道的要求：按RS422傳輸協(xié)議接收數(shù)據(jù)，像素精度14bit;每場圖像處理時間<40ms;搜索到捕獲時間：0.2～1s;捕獲到跟蹤時間<120ms;25幀/s實(shí)時識別,、跟蹤運(yùn)動目標(biāo)(即當(dāng)前場數(shù)據(jù)必須在下一場數(shù)據(jù)到來之前處理完畢,，并由計算機(jī)輸出處理結(jié)果，顯示視頻圖像),，并給出目標(biāo)位置及領(lǐng)域圖像;與計算機(jī)的接口為PCI接口,。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計

　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)和系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)大致可分為四個模塊(見圖1),。

　　圖1系統(tǒng)模塊組成

　　UNIT 1模塊基于標(biāo)準(zhǔn)32位+5V的PCI總線,，并配以超大規(guī)模可編程芯片(DSP,，F(xiàn)PGA)，具有極強(qiáng)的運(yùn)算,、處理能力,。

　　UNIT 2模塊的功能主要實(shí)現(xiàn)是運(yùn)動背景下的動目標(biāo)檢測、跟蹤,?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)時性要求，運(yùn)動背景下的動目標(biāo)檢測采用基于攝像機(jī)運(yùn)動補(bǔ)償?shù)牟罘旨夹g(shù),。首先對攝像機(jī)運(yùn)動造成的全局運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償,，對補(bǔ)償后的序列圖像進(jìn)行差分運(yùn)算;然后在差分域搜索目標(biāo)運(yùn)動引起的運(yùn)動擾動區(qū)域;最后在原視頻圖像上分割提取運(yùn)動目標(biāo)。同時,，采用預(yù)測技術(shù)對目標(biāo)的可能位置和存在區(qū)域進(jìn)行估計,，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確跟蹤(或記憶)目標(biāo),。系統(tǒng)軟件按照其工作狀態(tài)分為四個狀態(tài)模塊：搜索,、捕獲、跟蹤,、記憶跟蹤,。系統(tǒng)按照搜索,、捕獲、跟蹤,、記憶跟蹤四個狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換運(yùn)行,，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的實(shí)時檢測與跟蹤。

　　UNIT 3模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)硬件模塊與上層應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通信與信息交互,。系統(tǒng)采用了PCI 9054 Target方式的單周期讀/寫;在圖像數(shù)據(jù)傳送的時候?yàn)榱藵M足每秒25幀圖像的實(shí)時傳送和處理的要求,，采用了PCI 9054的Scatter/Gather DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸。在整個系統(tǒng)的信息交互中,，采用了一次握手協(xié)議,，也就是請求一一應(yīng)答協(xié)議。

　　UNIT 4模塊的主要功能是向硬件模塊下載DSP跟蹤程序,，啟動/停止DSP,，實(shí)時顯示場景視頻，對運(yùn)動目標(biāo)序列進(jìn)行實(shí)時存儲,，對運(yùn)動目標(biāo)序列的基本特性進(jìn)行實(shí)時分析和結(jié)果的顯示,。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示，為了設(shè)計和描述的方便,，我們把硬件模塊的電路結(jié)構(gòu)劃分為以下幾個單元：視頻接口單元,、輸入輸出FIFO視頻圖像存儲器、數(shù)字圖像處理單元(DSP),、可編程控制器,、與PC的PCI接口電路等。

　　圖2系統(tǒng)硬件原理框圖

　　1視頻接口單元

　　紅外運(yùn)動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的視頻源是紅外攝像機(jī)提供的視頻信號,。紅外攝像機(jī)有兩路視頻輸出,，即模擬視頻輸出和數(shù)字視頻輸出。本系統(tǒng)要求硬件模塊對兩路視頻信號都能夠進(jìn)行處理,。因此,，必須對輸入視頻信號進(jìn)行預(yù)處理，為數(shù)字圖像處理單元(DSP)提供必要的視頻數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù),。視頻接口單元框圖如圖3所示,。

　　2 輸入輸出緩沖FIFO

　　設(shè)置輸入輸出緩沖FIFO的目的是在高速器件和低速器件之間設(shè)置一個緩沖區(qū)，可以避免高速器件因等待低速器件的數(shù)據(jù)而使系統(tǒng)的效率降低,。A/D芯片送出的數(shù)字信號的時鐘頻率約為12MHz(模擬通道時鐘12.51MHz,，數(shù)字通道時鐘12MHz)，而處理卡上DSP的總線頻率高達(dá)50MHz,，兩者差異較大,，所以采用輸入輸出緩沖FIFO是必要的。基于以上考慮,，最終選用Cypress公司的CY7C4275,。它的容量為32K×18，最大存取速度可達(dá)到l0ns,。

　　3 可編程控制器(FPGA)

　　在本系統(tǒng)中,，F(xiàn)PGA控制了絕大部分單元，包括通道選擇/電平轉(zhuǎn)換芯片,、輸入輸出 FIFO,、SRAM、DSP,、PCI接口電路等,。利用FPGA芯片的系統(tǒng)內(nèi)可編程(ISP)性能，完成所有DSP外圍芯片的控制邏輯;并在其中設(shè)置狀態(tài)寄存器,、命令字寄存器和專用寄存器,，完成與主機(jī)的實(shí)時通信，接收主機(jī)傳送的命令信息和向主機(jī)傳送所需要的狀態(tài)信息,。

　　在本系統(tǒng)中,，數(shù)字信道為14bit，模擬為8bit,，需要由FPGA對信號進(jìn)行第一次裝配(區(qū)別于DSP為了顯示而對圖像按FGB格式進(jìn)行的第二次裝配),，即將數(shù)字/模擬信號/數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為16bit的數(shù)據(jù)，然后將兩個16bit數(shù)據(jù)裝配成一個32bit的數(shù)據(jù),。4數(shù)字圖像存儲器(SRAM)

　　紅外動目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)要完成對運(yùn)動目標(biāo)的識別與跟蹤,。其實(shí)現(xiàn)算法必然涉及到對多幀(差分處理，至少兩幀)視頻圖像的處理,。為了給實(shí)現(xiàn)算法提供較為充裕的存儲空間,，我們選用的存儲器能容納6場視頻圖像。因此,，最后選用的存儲器是Giga SemIConductor公司的兩片GS74116，其每片容量為256K×16bit,，存取速度為15ns,。考慮到我們視頻圖像每場的數(shù)據(jù)量為76800像素,，兩片512K的SRAM可以存下至少6張視頻圖像,。在本系統(tǒng)中，我們設(shè)置了4幀圖像存儲空間,，其余空間用于存放目標(biāo)小圖,、DSP裝配數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)空間具體地址分配如圖4所示。

　　圖4 SRAM數(shù)據(jù)空間分配

　　5 數(shù)字圖像處理模塊(DSP)

　　DSP采用TI公司的TMS320C6202芯片,。我們采用隔點(diǎn),、隔行的亞抽樣。抽樣后,，每幀圖像大小約為20KB,，總計約需80KB的數(shù)據(jù)空間，TMS320C6202的片內(nèi)數(shù)據(jù)空間足夠所需,。我們對DSP芯片的內(nèi)部空間分配如圖5所示,。

　　圖5 DSP內(nèi)部空間分配

　　6 PCI接口電路

　　由于本系統(tǒng)與PC的接口是PCI接口。為了避免受困于PCI接口繁雜的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議,，充分發(fā)揮PCI總線的數(shù)據(jù)傳送能力,，PCI接口電路采用PCI9054芯片。它是PCI總線專用接口芯片,，具有數(shù)據(jù)傳送快,、數(shù)據(jù)傳送簡單等優(yōu)點(diǎn)。在33MHz的PCI總線工作頻率下,，它的最大數(shù)據(jù)吞吐能力為132MB/s,。

　　PCI9054與DSP的數(shù)據(jù)交換或通信是通過DSP芯片內(nèi)部的兩個寄存器實(shí)現(xiàn)的，即地址寄存器XBISA;數(shù)據(jù)寄存器XBD,。對PCI9054及DSP芯片而言,，它們互相并不能直接訪問對方的資源，數(shù)據(jù)交換必須由這兩個寄存器中繼,，如圖6所示,。

　　圖6 PCI9054與DSP連接圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　首先進(jìn)行系統(tǒng)上電自檢，查看系統(tǒng)各部分是否進(jìn)入正常工作狀態(tài),，并將檢測結(jié)果送往主機(jī),。然后對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，檢測命令字寄存器確定圖像的輸入方式和系統(tǒng)的工作方式,，若主機(jī)未指定,，則進(jìn)入等待狀態(tài)，直到操作員指定系統(tǒng)的工作方式為止,，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作,。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。