摘 要： 提出了一種新的基于多片TMS320C6414 DSP的EMIF與HPI接口互聯(lián)" title="互聯(lián)">互聯(lián)并與McBSP接口互聯(lián)構(gòu)成松耦合級聯(lián)的多" title="的多">的多DSP并行流水處理平臺,。通過與大規(guī)模的可編程邏輯器件FPGA的配合使用,，設(shè)計實現(xiàn)了一套具有高實時性" title="實時性">實時性、良好的擴展性和多擴展接口等特點的多DSP實時紅外目標" title="紅外目標">紅外目標跟蹤系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞： TMS320C6414 外部存儲器接口 主機接口 多通道緩沖串行口 多DSP 目標跟蹤
隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展,，各種信號處理算法的復(fù)雜性和計算量飛速增長，同時對整個處理系統(tǒng)的實時性要求也大大提高,。在紅外和雷達目標跟蹤領(lǐng)域,，雖然不斷出現(xiàn)各種優(yōu)化后的算法，但其運算量仍然非常驚人,，這使傳統(tǒng)的由單DSP構(gòu)成的處理系統(tǒng)難以負荷,，因而對復(fù)雜的信號處理算法進行分塊并在硬件系統(tǒng)上采取多DSP并行處理的方法勢在必行。
TMS320C64x是TI公司C6000平臺上具有最高性能的定點DSP,，具有第二代的超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu),。其內(nèi)部有8個相互獨立的功能單元，擁有二級程序和數(shù)據(jù)緩存,。對于最新的C64x,，其最高工作頻率為1GHz，具有8000MIPS的運算能力,。此外,，C64x具有豐富的外設(shè)資源：16/64位的外部存儲器接口EMIFA/EMIFB，16/32位的HPI接口,，3個多通道緩沖串行口(McBSP)等,。
本文提出了一種以多片TMS320C6414 DSP為信號處理單元，采用EMIF與HPI接口互聯(lián)并與McBSP接口互聯(lián)構(gòu)成了松耦合級聯(lián)的多DSP并行流水處理平臺,，通過與大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA的配合使用，設(shè)計實現(xiàn)了一套具有高實時性,、良好的擴展性和多擴展接口等特點的多DSP紅外目標跟蹤系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)
紅外目標跟蹤系統(tǒng)主要由預(yù)處理模塊" title="處理模塊">處理模塊、圖像處理模塊和圖像輸出模塊構(gòu)成,。此外,，系統(tǒng)還需要通過擴展的多路422/485串行接口與其他系統(tǒng)實時通信及人機交互，因此在硬件設(shè)計上要兼顧處理實時性和接口靈活性,。
在硬件結(jié)構(gòu)上,，為了減少體積以利于便攜式應(yīng)用，系統(tǒng)采用多塊大小相同的電路板(70mm×70mm)的松耦合級聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu),；在板間連接上,，系統(tǒng)采用多塊電路板疊加的塔式結(jié)構(gòu),。這樣，在每塊板上都利用DSP或FPGA構(gòu)成最小硬件系統(tǒng),，上級模塊可以通過訪問下級模塊的HPI口或內(nèi)部地址映射空間進行數(shù)據(jù)通信,，從而減少模塊間的耦合且使各自的功能獨立開,。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
預(yù)處理模塊針對由熱像儀輸入的數(shù)字圖像信號，采取了FPGA加兩片SDRAM乒乓工作的結(jié)構(gòu)對圖像進行濾波,，以抑制圖像的背景和噪聲,，然后通過訪問DSP的HPI接口將數(shù)據(jù)存放在DSP處理模塊1的本地SDRAM。
圖像處理模塊是整個紅外目標跟蹤系統(tǒng)的核心,，它主要負責(zé)在各種工作模式和方式下的目標檢測,、跟蹤及人機交互。當收到預(yù)處理模塊處理完畢中斷信號,，DSP處理模塊1開始進行目標檢測,、識別等算法處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過本地EMIFB口和DSP處理模塊2的HPI口送到DSP處理模塊2的SDRAM,，再由DSP2完成目標跟蹤等剩余算法處理,，最終將處理完的結(jié)果輸出給圖像輸出模塊顯示。整個過程中,，當本級模塊在處理當前幀圖像數(shù)據(jù)時,，上級模塊可以同時進行下一幀圖像數(shù)據(jù)的處理，這樣整個系統(tǒng)就可以實現(xiàn)并行流水處理,，從而達到系統(tǒng)的最佳性能,。
在每一級算法處理結(jié)束后，可以通過擴展后的422/485接口將定位或跟蹤結(jié)果送出,，也可以接收更新的工作參數(shù)和狀態(tài)命令字等內(nèi)容,。而DSP處理模塊1與DSP處理模塊2之間還可以通過互聯(lián)的McBSP口同步系統(tǒng)參數(shù)和共享數(shù)據(jù)結(jié)果。
圖像輸出模塊采用了與預(yù)處理模塊相同的乒乓結(jié)構(gòu)以保證視頻信號的實時輸出,。區(qū)別在于加入了PAL制模擬視頻信號輸出芯片,。
如圖1，兩個DSP處理模塊是完全相同的基于C6414構(gòu)成的處理模塊,。這是因為C6414豐富的外設(shè)資源使得處理模塊的接口非常靈活,，既可以通過HPI接口通信，也可以利用高速的McBSP接口通信,，這非常有利于系統(tǒng)的擴展,。假定系統(tǒng)當前的算法需要添加一個新的處理模塊，只需要再插入一個新的相同的DSP處理模塊即可,，依次類推,，系統(tǒng)最終可擴展為如圖2所示的結(jié)構(gòu),。
可以看出，每個模塊都利用了SDRAM對圖像幀進行緩存,，以保證足夠的存儲空間和運行速度,，并且在各模塊間充分利用了并行流水的硬件設(shè)計特點，從而使整個系統(tǒng)的運行速度得以提高,。
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2 系統(tǒng)工作流程及算法實現(xiàn)
本系統(tǒng)主要用于對紅外目標的搜尋,、檢測和跟蹤，可以實時地從熱像儀讀入并行的數(shù)字圖像信號,，對圖像進行實時處理以檢測和跟蹤目標,，并將目標的位置和運動信息輸出。此外,，系統(tǒng)還可以通過多路422/485串行接口進行實時通信和人機交互,，如根據(jù)需要配置工作參數(shù)和狀態(tài)命令等?；谝陨弦蟮南到y(tǒng)軟件工作流程如圖3所示,。
(1)預(yù)處理模塊
預(yù)處理模塊首先基于式(1)去除圖像背景起伏的干擾，G(x,，y)為圖像處理后灰度結(jié)果,，F(xiàn)(x，y)為處理前灰度值,，F(xiàn)mean為圖像均值,；再將處理結(jié)果通過一個5×5的高通卷積模板H構(gòu)成的高通濾波器完成預(yù)處理算法。
(2)圖像處理模塊
為完成目標的檢測識別,，圖像處理模塊需要進行圖像分割以進一步得到目標信息,。系統(tǒng)采取了基于式(3)的閾值進行自適應(yīng)閾值分割。其中,，v為分割閾值,，F(xiàn)mean為圖像均值，μ為常數(shù),，σ為圖像的均方差,。這種方法在DSP中實現(xiàn)簡單，可有效提取目標信息,。
v=Fmean+μ·σ?????????????????????????????????? (3)
目標跟蹤首先針對目標質(zhì)心提取模板,，采用序貫相似性檢測算法(SSDA)對當前幀圖像進行匹配并計算相關(guān)置信度。當置信度較高時根據(jù)匹配點更新模板并擬合目標運動曲線,，以此推算下幀圖像相關(guān)匹配的初始搜索位置,。
3 試驗結(jié)果
試驗中采用的輸入圖像信號來自熱像儀，格式為14位的數(shù)字圖像信號，分辨率為320×240/幀,，逐行掃描,，像素時鐘為12MHz/16MHz，跟蹤狀態(tài)下的幀周期為20ms,，垂直搜索狀態(tài)下的幀周期為60ms,，搜索狀態(tài)下(邊掃邊跟狀態(tài)下)每86ms(91ms)連續(xù)輸出4幀圖像信號，每幀間隔7.74ms(9.34ms),。圖4給出了試驗狀態(tài)時目標檢測識別后的結(jié)果,。
本文采用多片TMS320C6414 DSP及FPGA互聯(lián)構(gòu)成松耦合級聯(lián)的多DSP并行實時紅外目標跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)具有良好的實時性,、擴展性及適用性,，配合目標檢測跟蹤算法,，可以從背景中有效提取目標,。
參考文獻
1 Texas Instrument.TMS320C6414/6415/6416 Datasheet.2005，2
2 任驪平,，陳王騫.多DSP系統(tǒng)互連方案分析.電子技術(shù)應(yīng)用,，2002；28(4)
3 董 靜,，覃喜慶.一種復(fù)雜背景下紅外目標提取的實時性算法.光學(xué)與光電技術(shù),，2005；(4)
4 張 弘,，趙保軍.一種快速實時的低信噪比紅外點,、斑點目標檢測方法.北京理工大學(xué)學(xué)報，2001,；(3)
5 Pal N R,，Pal S K.A Review on Image Segmentation Tech-niques[J].Pattern Recognition，1993,；26(9)
6 Barnea D I,，Silverman H E.A class of algorithm for fast dig-ital image registration[J].IEEE Trans.Computers，F(xiàn)ebruary 1972,，C221
7 秦 暄,，章毓晉.一種基于曲線擬合預(yù)測的紅外目標的跟蹤算法.紅外技術(shù)，2003,；(4)