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。與其他中小規(guī)模集成電路相比,，其優(yōu)點主要在于它有很強的靈活性,，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很方便,。DSP+FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點是結(jié)構(gòu)靈活,，有較強的通用性，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)易于維護和擴展，適合于實時數(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
紅外動目標跟蹤與識別系統(tǒng)的輸入信號是紅外攝像機提供的模擬或數(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，實時的處理紅外數(shù)字視頻序列,，完成對運動目標的搜索,、捕獲、跟蹤,、記憶;并且在PC上實時顯示紅外視頻圖像,，實時給出運動目標的空間坐標，產(chǎn)生運動目標區(qū)域的特征數(shù)據(jù),，完成運動目標區(qū)域圖像的實時存儲或遠程傳輸,。硬件模塊需要為系統(tǒng)功能的實現(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實時識別,、跟蹤運動目標(即當前場數(shù)據(jù)必須在下一場數(shù)據(jù)到來之前處理完畢，并由計算機輸出處理結(jié)果,，顯示視頻圖像),，并給出目標位置及領(lǐng)域圖像;與計算機的接口為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模塊基于標準32位+5V的PCI總線，并配以超大規(guī)?？删幊绦酒?DSP,，F(xiàn)PGA)，具有極強的運算,、處理能力,。
UNIT 2模塊的功能主要實現(xiàn)是運動背景下的動目標檢測、跟蹤,?？紤]到系統(tǒng)的實時性要求，運動背景下的動目標檢測采用基于攝像機運動補償?shù)牟罘旨夹g(shù),。首先對攝像機運動造成的全局運動進行補償,，對補償后的序列圖像進行差分運算;然后在差分域搜索目標運動引起的運動擾動區(qū)域;最后在原視頻圖像上分割提取運動目標。同時,，采用預(yù)測技術(shù)對目標的可能位置和存在區(qū)域進行估計,，以實現(xiàn)實時,、準確跟蹤(或記憶)目標,。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)換運行，以實現(xiàn)運動目標的實時檢測與跟蹤,。
UNIT 3模塊的主要功能是實現(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)傳送的時候為了滿足每秒25幀圖像的實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，實時顯示場景視頻,，對運動目標序列進行實時存儲,，對運動目標序列的基本特性進行實時分析和結(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
紅外運動目標識別與跟蹤系統(tǒng)的視頻源是紅外攝像機提供的視頻信號,。紅外攝像機有兩路視頻輸出，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行處理,。因此，必須對輸入視頻信號進行預(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50MHz,，兩者差異較大,，所以采用輸入輸出緩沖FIFO是必要的?；谝陨峡紤],，最終選用Cypress公司的CY7C4275。它的容量為32K×18,，最大存取速度可達到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，完成與主機的實時通信,，接收主機傳送的命令信息和向主機傳送所需要的狀態(tài)信息,。
在本系統(tǒng)中，數(shù)字信道為14bit,，模擬為8bit,，需要由FPGA對信號進行第一次裝配(區(qū)別于DSP為了顯示而對圖像按FGB格式進行的第二次裝配)，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)
紅外動目標識別與跟蹤系統(tǒng)要完成對運動目標的識別與跟蹤。其實現(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、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,。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
首先進行系統(tǒng)上電自檢,，查看系統(tǒng)各部分是否進入正常工作狀態(tài),，并將檢測結(jié)果送往主機。然后對整機系統(tǒng)進行初始化工作,，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,，若主機未指定，則進入等待狀態(tài),，直到操作員指定系統(tǒng)的工作方式為止,，系統(tǒng)進入正常工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示,。
