基于TMS320DM642的電視跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合某電視跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 介紹了其內(nèi)部集成的通用視頻端口， 研究了它與編碼器/解碼器的無縫連接的實(shí)現(xiàn)方法， 包括其驅(qū)動(dòng)程序的構(gòu)成特點(diǎn)和在CCS開發(fā)環(huán)境下的封裝形式， 著重介紹了標(biāo)準(zhǔn)PAL視頻信號(hào)的采集、處理和顯示的一般實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：電視跟蹤；DM642；視頻端口；驅(qū)動(dòng)程序
　　
        在現(xiàn)代防空火控系統(tǒng)中，搜索、發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)是整個(gè)系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，當(dāng)前最主要的探測(cè)偵察手段仍是雷達(dá)，但其本身是一個(gè)電磁波發(fā)射源，在獲取目標(biāo)信息的同時(shí)，也暴露了自己，容易受到反輻射導(dǎo)彈的攻擊，并且，其無法跟蹤低空目標(biāo)，存在波瓣觸地、多路徑效應(yīng)、地物干擾等影響，從而嚴(yán)重影響了其功能的正常發(fā)揮。 

        電視跟蹤系統(tǒng)利用高精度攝像頭獲取目標(biāo)場(chǎng)景信息，轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)送到監(jiān)視器，通過控制臺(tái)引導(dǎo)(也可由雷達(dá)引導(dǎo))伺服平臺(tái)使目標(biāo)進(jìn)入捕獲窗內(nèi)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的捕獲和檢測(cè)，獲得目標(biāo)相對(duì)于光軸的俯仰和方位誤差信號(hào)，控制伺服平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。電視跟蹤系統(tǒng)具有分辨率高、圖像可見、抗干擾性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在軍事上受到普遍重視， 在防空火控系統(tǒng)中已成為雷達(dá)的有力補(bǔ)充。 

        DSP在視頻、圖像處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用， 特別是嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用更是普遍。DM642 (DigitalMedia)是TI公司2003年推出的面向視頻/圖像處理的高性能定點(diǎn)DSP芯片，相對(duì)之前的C64x， 其主頻達(dá)到500 ～600MHz， 最高可達(dá)720MHz，指令執(zhí)行速度高達(dá)4 000～4 800 M IPS，指令集與C64X全面兼容。特別地，它擁有3個(gè)可獨(dú)立配置的視頻端口，可獨(dú)立配置為視頻采集或顯示端口，均支持多種采集/顯示方案和視頻標(biāo)準(zhǔn)，支持RAW視頻集，可以實(shí)現(xiàn)與一般視頻編/解碼器的無縫連接，并且視頻信號(hào)可以采用EDMA方式快捷地在存儲(chǔ)器與視頻端口之間傳輸。 

        系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì) 

        各國(guó)早期的或現(xiàn)役的武器系統(tǒng)中的電視跟蹤系統(tǒng)多數(shù)功能都由硬件電路實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境條件要求高，并且嚴(yán)重阻礙了復(fù)雜搜索、跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)，搜索、跟蹤能力低下，尤其是不適應(yīng)全空域、多架次多層次的現(xiàn)代空襲戰(zhàn)。隨著數(shù)字技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，電視跟蹤系統(tǒng)也朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，如圖1。 

        本數(shù)字式電視跟蹤系統(tǒng)采用先進(jìn)的DSP數(shù)字處理器，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思想，不僅整體設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了模塊化而且系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)方面都采用模塊化思想。整個(gè)系統(tǒng)在硬件上分6個(gè)功能模塊:圖像采集模塊、目標(biāo)跟蹤和識(shí)別模塊、通信控制模塊、伺服控制模塊、字符和信息疊加模塊和電源模塊;軟件從功能上可分為圖像采集模塊、圖像處理模塊、識(shí)別跟蹤模塊、顯示控制模塊以及主控模塊等。 

        電視跟蹤系統(tǒng)主要處理工作由核心處理板完成，處理芯片采用TMS320DM642 DSP，其顯著特征是集成視頻輸入輸出端口，分別連接著外圍的視頻編/解碼芯片，解碼芯片通過CCD采集電視信號(hào)，對(duì)其模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行跟蹤算法處理，得到目標(biāo)質(zhì)心對(duì)視場(chǎng)中心的偏移量，送往伺服控制模塊，驅(qū)動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。通信控制模塊接受火控計(jì)算機(jī)輸出的火控系統(tǒng)參量信號(hào)，經(jīng)DSP控制完成與視頻信號(hào)的疊加。具體疊加信號(hào)包括目標(biāo)高度量、距離量和速度量，以及視場(chǎng)中心十字線，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用一片位于DSP和視頻編碼芯片之間的FPGA完成此疊加功能，由于此部分電路更側(cè)重FPGA的功能實(shí)現(xiàn)，所以具體設(shè)計(jì)本文不再詳述。 

        DM642視頻端口硬件設(shè)計(jì) 

        本系統(tǒng)結(jié)合DM642特點(diǎn)，利用兩個(gè)視頻端口分別連接視頻解碼芯片和視頻編碼芯片( Philp公司的SAA7115和SAA7105H) ，直接搭建成視頻采集、顯示通道，對(duì)于編/解碼芯片的編程通過I²C總線進(jìn)行設(shè)定，具體技術(shù)可查詢相關(guān)網(wǎng)站，本文側(cè)重說明本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。 

圖2視頻采集與顯示主要硬件電路
       
         圖2是本系統(tǒng)的視頻采集與顯示的主要硬件電路，由于DM642本身為視頻/圖像處理設(shè)計(jì)，其內(nèi)部高度集成了視頻采集單元和顯示單元，支持主流編解碼芯片，有效地簡(jiǎn)化了外圍電路，這里需要說明的有：

1)本系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)輸入采用彩色PAL制式，輸出為黑白PAL制式，中間采用YUV422編碼，數(shù)據(jù)位為8位。

2)DM642的視頻端口0 (Video Port0)及其配套的控制信號(hào)首先經(jīng)過信號(hào)保持及收發(fā)轉(zhuǎn)換電路，之后連接解碼芯片SAA7115 對(duì)應(yīng)引腳。本系統(tǒng)適用于所有主要的標(biāo)準(zhǔn)合成視頻，通過I²C總線控制其內(nèi)部寄存器進(jìn)行功能選擇，具體操作函數(shù)封裝于軟件驅(qū)動(dòng)部分。

3)DM642的視頻端口2 (Video Port2)被用作視頻顯示，這個(gè)編碼器可以進(jìn)行RGB、HD、NTSC、PAL編碼，通過編程也可對(duì)S端子視頻編碼。其編程也通過I²C總線進(jìn)行。

4)類似解碼電路，DM642視頻端口2可以直接連接編碼芯片， 但本系統(tǒng)編碼顯示電路通過一片F(xiàn)PGA (XiL inx XC2S300E ) 連接DSP 與編碼器( Philp公司的SAA7105) ， 一方面對(duì)待顯的視頻信號(hào)疊加字符、波門等信息， 另一方面用來對(duì)各種控制信號(hào)進(jìn)行邏輯處理， 充分利用FPGA空間， 避免了額外的邏輯控制電路。

5)DM642視頻端口控制信號(hào)與編碼解碼芯片控制信號(hào)主要有行同步、場(chǎng)同步和時(shí)鐘信號(hào)，特別是注意保證視頻信號(hào)的33Ω匹配電阻。 

        DM642視頻操作的軟件設(shè)計(jì) 

        考慮到通用性和兼容性，在本系統(tǒng)中DM642的視頻端口部分的驅(qū)動(dòng)程序分為兩個(gè)部分：針對(duì)視頻端口的通用驅(qū)動(dòng)部分和針對(duì)視頻處理外設(shè)的專用驅(qū)動(dòng)部分。前者對(duì)于固定型號(hào)的DSP是固定的，由TI公司提供，用戶不需要改動(dòng);后者則取決于與用戶設(shè)計(jì)的視頻外設(shè)，一般只與外設(shè)硬件相關(guān)，其相關(guān)參數(shù)、函數(shù)由用戶封裝。兩者通過DSP內(nèi)部的擴(kuò)展設(shè)備控制器(EDC)連接為一體，共同負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的采集、傳輸、處理。 

        對(duì)于TI的DSP開發(fā)環(huán)境CCS而言，上述兩部分驅(qū)動(dòng)可被進(jìn)一步封裝成為FV ID ( frame video)驅(qū)動(dòng)模型，它作為一種針對(duì)視頻端口操作的通用I/O模型，主要包含下列兩大類函數(shù)模型：

1)通用驅(qū)動(dòng)部分，主要完成DSP芯片對(duì)其視頻端口的配置讀寫等操作。主要分為整體端口配置、單個(gè)采集/顯示通道配置、視頻端口中斷配置幾類，其參數(shù)類型存儲(chǔ)于Vport. h、VportCap. h、VportDis.h、Vport. h中的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體中，用戶開發(fā)程序中可參考文獻(xiàn)[ 1 ]選取恰當(dāng)?shù)膮?shù)。

2)專用驅(qū)動(dòng)部分，主要任務(wù)是視頻編碼/解碼芯片的初始化操作和工作模式選擇，例如，本系統(tǒng)采用PHILP公司的SAA7105、SAA7115 作為視頻編碼/解碼器，就需要對(duì)其編碼/解碼格式、緩存方式等方面進(jìn)行設(shè)置，一般將其配置參數(shù)定義結(jié)構(gòu)體，以供工程中調(diào)用，由于擴(kuò)展設(shè)備控制器將通用驅(qū)動(dòng)部分封裝為一系列AP I接口，可供用戶編寫專用驅(qū)動(dòng)部分時(shí)調(diào)用，主要AP I信息存儲(chǔ)于EDC. h中，詳細(xì)資料可查閱TI網(wǎng)站，筆者則是側(cè)重說明DM642EVM中視頻信號(hào)采集和顯示的方法。為了完成視頻流建立、管理，主要工作如圖3所示。

            圖3 視頻信號(hào)流的建立和管理

1)在系統(tǒng)配置文件(B IOS配置文件cdb)中定義視頻端口的共有屬性，根據(jù)需要分別建立編碼通道、解碼通道，指定各個(gè)通道工作參數(shù)，具體參數(shù)類型見Vport Cap. h和Vport Dis. h。

2)由于EVM已經(jīng)將視頻外設(shè)驅(qū)動(dòng)(專用驅(qū)動(dòng)部分)封裝到FV ID庫(kù)，用戶只需要參照saa7105. h，saa71105. h中的結(jié)構(gòu)體，為各個(gè)視頻外設(shè)建立參數(shù)對(duì)象(類似VC + +中的類的對(duì)象) ，使之以選定的模式工作。

3)在CCS工程執(zhí)行函數(shù)中，設(shè)置視頻采集和顯示的觸發(fā)方式。一般視頻采集使用中斷方式，采集通道的緩存區(qū)飽和后發(fā)出中斷請(qǐng)求，視頻顯示觸發(fā)一般采用默認(rèn)方式。

4)在響應(yīng)函數(shù)里，首先將其緩存指針切換到備用緩存，然后對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行處理，特別的，對(duì)于
PAL制式視頻，采集程序自動(dòng)對(duì)奇偶場(chǎng)象素重新排序，一維緩存數(shù)據(jù)序列直接對(duì)應(yīng)視頻左上至右下逐行排列的象素值，單個(gè)象素值是一個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)象，包含其所有顏色特征，便于圖像處理函數(shù)讀取。之后將處理結(jié)果寫入顯示通道的緩存區(qū)，寫入完畢，切換顯示通道的緩存區(qū)到備用緩存，啟動(dòng)顯示任務(wù)后，顯示編碼電路自動(dòng)讀取其緩存區(qū)，按照設(shè)定的模式編碼輸出。 

        結(jié)束語(yǔ) 

        TMS320DM642是面向視頻/圖像處理的高性能定點(diǎn)DSP芯片，其硬件設(shè)計(jì)及軟件構(gòu)建都符合視頻/圖像領(lǐng)域的專業(yè)化需求，其本身及其后續(xù)型號(hào)在這一領(lǐng)域具有很廣泛的的應(yīng)用前景。筆者結(jié)合某電視跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著重研究了其視頻端口相關(guān)軟硬件的原理及實(shí)現(xiàn)方法，為開發(fā)其它視頻/圖像處理系統(tǒng)提供軟件開發(fā)和硬件電路設(shè)計(jì)的參考，特別是制式電視信號(hào)流的建立、管理方法，經(jīng)過設(shè)計(jì)、調(diào)試，順利實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)制式電視( PAL， NTSC)的采集、緩存、處理及顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法切實(shí)可行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 

        本系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題主要是開發(fā)環(huán)境的C語(yǔ)言編譯器優(yōu)化效率十分低下，雖然匯編語(yǔ)言編寫困難，可讀性及可維護(hù)性較差，但為了保證復(fù)雜處理算法的執(zhí)行速度，下一步需要對(duì)部分核心程序采用匯編語(yǔ)言編寫。

參考文獻(xiàn)：
[ 1 ] Texas Insruments. TMS320DM642 video / imaging fixed - point digital signal p rocessor [ Z ]. Texas Insruments Incorporated， 2003.