基于TMS320DM642的電視跟蹤系統(tǒng)設計
[導讀]結合某電視跟蹤系統(tǒng)的設計， 介紹了其內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現(xiàn)方法， 包括其驅動程序的構成特點和在CCS開發(fā)環(huán)境下的封裝形式
摘要：結合某電視跟蹤系統(tǒng)的設計， 介紹了其內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現(xiàn)方法， 包括其驅動程序的構成特點和在CCS開發(fā)環(huán)境下的封裝形式， 著重介紹了標準PAL視頻信號的采集、處理和顯示的一般實現(xiàn)方法。
關鍵詞：電視跟蹤；DM642；視頻端口；驅動程序
在現(xiàn)代防空火控系統(tǒng)中，搜索、發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標是整個系統(tǒng)的工作基礎，當前最主要的探測偵察手段仍是雷達，但其本身是一個電磁波發(fā)射源，在獲取目標信息的同時，也暴露了自己，容易受到反輻射導彈的攻擊，并且，其無法跟蹤低空目標，存在波瓣觸地、多路徑效應、地物干擾等影響，從而嚴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場景信息，轉化為視頻信號送到監(jiān)視器，通過控制臺引導(也可由雷達引導)伺服平臺使目標進入捕獲窗內，并對目標進行實時的捕獲和檢測，獲得目標相對于光軸的俯仰和方位誤差信號，控制伺服平臺的運動，從而實現(xiàn)對目標的跟蹤。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，在軍事上受到普遍重視， 在防空火控系統(tǒng)中已成為雷達的有力補充。
DSP在視頻、圖像處理領域已經得到了廣泛的應用， 特別是嵌入式系統(tǒng)中的應用更是普遍。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DSP芯片，相對之前的C64x， 其主頻達到500 ～600MHz， 最高可達720MHz，指令執(zhí)行速度高達4 000～4 800 M IPS，指令集與C64X全面兼容。特別地，它擁有3個可獨立配置的視頻端口，可獨立配置為視頻采集或顯示端口，均支持多種采集/顯示方案和視頻標準，支持RAW視頻集，可以實現(xiàn)與一般視頻編/解碼器的無縫連接，并且視頻信號可以采用EDMA方式快捷地在存儲器與視頻端口之間傳輸。
系統(tǒng)原理與設計
各國早期的或現(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現(xiàn)，結構復雜，對環(huán)境條件要求高，并且嚴重阻礙了復雜搜索、跟蹤算法的實現(xiàn)，搜索、跟蹤能力低下，尤其是不適應全空域、多架次多層次的現(xiàn)代空襲戰(zhàn)。隨著數(shù)字技術和圖形圖像處理技術的發(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)采用先進的DSP數(shù)字處理器，應用模塊化設計思想，不僅整體設計上實現(xiàn)了模塊化而且系統(tǒng)硬件、軟件的設計方面都采用模塊化思想。整個系統(tǒng)在硬件上分6個功能模塊:圖像采集模塊、目標跟蹤和識別模塊、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，對其模數(shù)轉換后進行跟蹤算法處理，得到目標質心對視場中心的偏移量，送往伺服控制模塊，驅動云臺轉動，實現(xiàn)自動跟蹤。通信控制模塊接受火控計算機輸出的火控系統(tǒng)參量信號，經DSP控制完成與視頻信號的疊加。具體疊加信號包括目標高度量、距離量和速度量，以及視場中心十字線，本系統(tǒng)設計中利用一片位于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重FPGA的功能實現(xiàn)，所以具體設計本文不再詳述。
DM642視頻端口硬件設計
本系統(tǒng)結合DM642特點，利用兩個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，對于編/解碼芯片的編程通過I2C總線進行設定，具體技術可查詢相關網站，本文側重說明本系統(tǒng)的設計思路。
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/圖像處理設計，其內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首先經過信號保持及收發(fā)轉換電路，之后連接解碼芯片SAA7115 對應引腳。本系統(tǒng)適用于所有主要的標準合成視頻，通過I2C總線控制其內部寄存器進行功能選擇，具體操作函數(shù)封裝于軟件驅動部分。
3)DM642的視頻端口2 (Video Port2)被用作視頻顯示，這個編碼器可以進行RGB、HD、NTSC、PAL編碼，通過編程也可對S端子視頻編碼。其編程也通過I2C總線進行。
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) ， 一方面對待顯的視頻信號疊加字符、波門等信息， 另一方面用來對各種控制信號進行邏輯處理， 充分利用FPGA空間， 避免了額外的邏輯控制電路。
5)DM642視頻端口控制信號與編碼解碼芯片控制信號主要有行同步、場同步和時鐘信號，特別是注意保證視頻信號的33Ω匹配電阻。
DM642視頻操作的軟件設計
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動程序分為兩個部分：針對視頻端口的通用驅動部分和針對視頻處理外設的專用驅動部分。前者對于固定型號的DSP是固定的，由TI公司提供，用戶不需要改動;后者則取決于與用戶設計的視頻外設，一般只與外設硬件相關，其相關參數(shù)、函數(shù)由用戶封裝。兩者通過DSP內部的擴展設備控制器(EDC)連接為一體，共同負責視頻信號的采集、傳輸、處理。
對于TI的DSP開發(fā)環(huán)境CCS而言，上述兩部分驅動可被進一步封裝成為FV ID ( frame video)驅動模型，它作為一種針對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)通用驅動部分，主要完成DSP芯片對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)類型存儲于Vport. h、VportCap. h、VportDis.h、Vport. h中的對應結構體中，用戶開發(fā)程序中可參考文獻[ 1 ]選取恰當?shù)膮?shù)。
2)專用驅動部分，主要任務是視頻編碼/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，就需要對其編碼/解碼格式、緩存方式等方面進行設置，一般將其配置參數(shù)定義結構體，以供工程中調用，由于擴展設備控制器將通用驅動部分封裝為一系列AP I接口，可供用戶編寫專用驅動部分時調用，主要AP I信息存儲于EDC. h中，詳細資料可查閱TI網站，筆者則是側重說明DM642EVM中視頻信號采集和顯示的方法。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已經將視頻外設驅動(專用驅動部分)封裝到FV ID庫，用戶只需要參照saa7105. h，saa71105. h中的結構體，為各個視頻外設建立參數(shù)對象(類似VC + +中的類的對象) ，使之以選定的模式工作。
3)在CCS工程執(zhí)行函數(shù)中，設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)出中斷請求，視頻顯示觸發(fā)一般采用默認方式。
4)在響應函數(shù)里，首先將其緩存指針切換到備用緩存，然后對當前數(shù)據(jù)區(qū)進行處理，特別的，對于
PAL制式視頻，采集程序自動對奇偶場象素重新排序，一維緩存數(shù)據(jù)序列直接對應視頻左上至右下逐行排列的象素值，單個象素值是一個結構體對象，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，啟動顯示任務后，顯示編碼電路自動讀取其緩存區(qū)，按照設定的模式編碼輸出。
結束語
TMS320DM642是面向視頻/圖像處理的高性能定點DSP芯片，其硬件設計及軟件構建都符合視頻/圖像領域的專業(yè)化需求，其本身及其后續(xù)型號在這一領域具有很廣泛的的應用前景。筆者結合某電視跟蹤系統(tǒng)的設計，著重研究了其視頻端口相關軟硬件的原理及實現(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)和硬件電路設計的參考，特別是制式電視信號流的建立、管理方法，經過設計、調試，順利實現(xiàn)了標準制式電視( PAL， NTSC)的采集、緩存、處理及顯示，實驗結果證明該方法切實可行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
本系統(tǒng)設計存在的問題主要是開發(fā)環(huán)境的C語言編譯器優(yōu)化效率十分低下，雖然匯編語言編寫困難，可讀性及可維護性較差，但為了保證復雜處理算法的執(zhí)行速度，下一步需要對部分核心程序采用匯編語言編寫。
參考文獻：
[ 1 ] Texas Insruments. TMS320DM642 video / imaging fixed - point digital signal p rocessor [ Z ]. Texas Insruments Incorporated， 2003.
關鍵詞：電視跟蹤；DM642；視頻端口；驅動程序
在現(xiàn)代防空火控系統(tǒng)中，搜索、發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標是整個系統(tǒng)的工作基礎，當前最主要的探測偵察手段仍是雷達，但其本身是一個電磁波發(fā)射源，在獲取目標信息的同時，也暴露了自己，容易受到反輻射導彈的攻擊，并且，其無法跟蹤低空目標，存在波瓣觸地、多路徑效應、地物干擾等影響，從而嚴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場景信息，轉化為視頻信號送到監(jiān)視器，通過控制臺引導(也可由雷達引導)伺服平臺使目標進入捕獲窗內，并對目標進行實時的捕獲和檢測，獲得目標相對于光軸的俯仰和方位誤差信號，控制伺服平臺的運動，從而實現(xiàn)對目標的跟蹤。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，在軍事上受到普遍重視， 在防空火控系統(tǒng)中已成為雷達的有力補充。
DSP在視頻、圖像處理領域已經得到了廣泛的應用， 特別是嵌入式系統(tǒng)中的應用更是普遍。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DSP芯片，相對之前的C64x， 其主頻達到500 ～600MHz， 最高可達720MHz，指令執(zhí)行速度高達4 000～4 800 M IPS，指令集與C64X全面兼容。特別地，它擁有3個可獨立配置的視頻端口，可獨立配置為視頻采集或顯示端口，均支持多種采集/顯示方案和視頻標準，支持RAW視頻集，可以實現(xiàn)與一般視頻編/解碼器的無縫連接，并且視頻信號可以采用EDMA方式快捷地在存儲器與視頻端口之間傳輸。
系統(tǒng)原理與設計
各國早期的或現(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現(xiàn)，結構復雜，對環(huán)境條件要求高，并且嚴重阻礙了復雜搜索、跟蹤算法的實現(xiàn)，搜索、跟蹤能力低下，尤其是不適應全空域、多架次多層次的現(xiàn)代空襲戰(zhàn)。隨著數(shù)字技術和圖形圖像處理技術的發(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)采用先進的DSP數(shù)字處理器，應用模塊化設計思想，不僅整體設計上實現(xiàn)了模塊化而且系統(tǒng)硬件、軟件的設計方面都采用模塊化思想。整個系統(tǒng)在硬件上分6個功能模塊:圖像采集模塊、目標跟蹤和識別模塊、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，對其模數(shù)轉換后進行跟蹤算法處理，得到目標質心對視場中心的偏移量，送往伺服控制模塊，驅動云臺轉動，實現(xiàn)自動跟蹤。通信控制模塊接受火控計算機輸出的火控系統(tǒng)參量信號，經DSP控制完成與視頻信號的疊加。具體疊加信號包括目標高度量、距離量和速度量，以及視場中心十字線，本系統(tǒng)設計中利用一片位于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重FPGA的功能實現(xiàn)，所以具體設計本文不再詳述。
DM642視頻端口硬件設計
本系統(tǒng)結合DM642特點，利用兩個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，對于編/解碼芯片的編程通過I2C總線進行設定，具體技術可查詢相關網站，本文側重說明本系統(tǒng)的設計思路。
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/圖像處理設計，其內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首先經過信號保持及收發(fā)轉換電路，之后連接解碼芯片SAA7115 對應引腳。本系統(tǒng)適用于所有主要的標準合成視頻，通過I2C總線控制其內部寄存器進行功能選擇，具體操作函數(shù)封裝于軟件驅動部分。
3)DM642的視頻端口2 (Video Port2)被用作視頻顯示，這個編碼器可以進行RGB、HD、NTSC、PAL編碼，通過編程也可對S端子視頻編碼。其編程也通過I2C總線進行。
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) ， 一方面對待顯的視頻信號疊加字符、波門等信息， 另一方面用來對各種控制信號進行邏輯處理， 充分利用FPGA空間， 避免了額外的邏輯控制電路。
5)DM642視頻端口控制信號與編碼解碼芯片控制信號主要有行同步、場同步和時鐘信號，特別是注意保證視頻信號的33Ω匹配電阻。
DM642視頻操作的軟件設計
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動程序分為兩個部分：針對視頻端口的通用驅動部分和針對視頻處理外設的專用驅動部分。前者對于固定型號的DSP是固定的，由TI公司提供，用戶不需要改動;后者則取決于與用戶設計的視頻外設，一般只與外設硬件相關，其相關參數(shù)、函數(shù)由用戶封裝。兩者通過DSP內部的擴展設備控制器(EDC)連接為一體，共同負責視頻信號的采集、傳輸、處理。
對于TI的DSP開發(fā)環(huán)境CCS而言，上述兩部分驅動可被進一步封裝成為FV ID ( frame video)驅動模型，它作為一種針對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)通用驅動部分，主要完成DSP芯片對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)類型存儲于Vport. h、VportCap. h、VportDis.h、Vport. h中的對應結構體中，用戶開發(fā)程序中可參考文獻[ 1 ]選取恰當?shù)膮?shù)。
2)專用驅動部分，主要任務是視頻編碼/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，就需要對其編碼/解碼格式、緩存方式等方面進行設置，一般將其配置參數(shù)定義結構體，以供工程中調用，由于擴展設備控制器將通用驅動部分封裝為一系列AP I接口，可供用戶編寫專用驅動部分時調用，主要AP I信息存儲于EDC. h中，詳細資料可查閱TI網站，筆者則是側重說明DM642EVM中視頻信號采集和顯示的方法。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已經將視頻外設驅動(專用驅動部分)封裝到FV ID庫，用戶只需要參照saa7105. h，saa71105. h中的結構體，為各個視頻外設建立參數(shù)對象(類似VC + +中的類的對象) ，使之以選定的模式工作。
3)在CCS工程執(zhí)行函數(shù)中，設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)出中斷請求，視頻顯示觸發(fā)一般采用默認方式。
4)在響應函數(shù)里，首先將其緩存指針切換到備用緩存，然后對當前數(shù)據(jù)區(qū)進行處理，特別的，對于
PAL制式視頻，采集程序自動對奇偶場象素重新排序，一維緩存數(shù)據(jù)序列直接對應視頻左上至右下逐行排列的象素值，單個象素值是一個結構體對象，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，啟動顯示任務后，顯示編碼電路自動讀取其緩存區(qū)，按照設定的模式編碼輸出。
結束語
TMS320DM642是面向視頻/圖像處理的高性能定點DSP芯片，其硬件設計及軟件構建都符合視頻/圖像領域的專業(yè)化需求，其本身及其后續(xù)型號在這一領域具有很廣泛的的應用前景。筆者結合某電視跟蹤系統(tǒng)的設計，著重研究了其視頻端口相關軟硬件的原理及實現(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)和硬件電路設計的參考，特別是制式電視信號流的建立、管理方法，經過設計、調試，順利實現(xiàn)了標準制式電視( PAL， NTSC)的采集、緩存、處理及顯示，實驗結果證明該方法切實可行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
本系統(tǒng)設計存在的問題主要是開發(fā)環(huán)境的C語言編譯器優(yōu)化效率十分低下，雖然匯編語言編寫困難，可讀性及可維護性較差，但為了保證復雜處理算法的執(zhí)行速度，下一步需要對部分核心程序采用匯編語言編寫。
參考文獻：
[ 1 ] Texas Insruments. TMS320DM642 video / imaging fixed - point digital signal p rocessor [ Z ]. Texas Insruments Incorporated， 2003.
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