基于TMS320DM642在移動平臺ATP技術(shù)中的應(yīng)用

1 引言

空間光通信采用激光作為載波。與傳統(tǒng)微波通信相比，空間光通信具有傳輸容量大、方向性強、傳輸速率大、保密性好等優(yōu)點，在衛(wèi)星和航空航天等大容量通信方面具有巨大的應(yīng)用前景。但由于激光具有波束窄、發(fā)散角小的特點，空間太陽、月亮等星體背景光的干擾，加之遠(yuǎn)距離通信信道對光信號的極大衰減等因素，因而空間光通信能夠快速實現(xiàn)衛(wèi)星、飛機等空間移動平臺的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(Acquisition，Track—ing，Pointing，簡稱ATP)，并建立穩(wěn)定而有效的通信鏈路。因此，介紹了一種基于DSP的移動平臺ATP技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 ATP系統(tǒng)架構(gòu)

為了模擬實驗空間移動平臺ATP過程，設(shè)計一套地面模擬ATP系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為圖像處理模塊、電機控制及驅(qū)動模塊、二軸電控轉(zhuǎn)動平臺、光學(xué)系統(tǒng)等，如圖1所示。圖像處理模塊核心是圖像處理器件。采用TMS320DM64(簡稱DM642)作為圖像處理器，該器件是TI公司推出的一款針對多媒體處理應(yīng)用的高性能定點DSP器件，它具有C64X內(nèi)核，指令集與(264X全面兼容，其內(nèi)部工作時鐘達600 MHz，指令執(zhí)行速度高達4 000~4 800 MI/s，它擁有3個獨立配置的視頻端口，可獨立配置為視頻采集或顯示端口，采用EDMA方式快速地在存儲器與視頻端口之間傳輸視頻信號，另外DM642還擁有多路音頻端口(McASP0)，32位主機接口(HPI)，PCI總線接口，16位通用I／O端口(GPIO)，3個定時器以及I2C總線模塊。DM642對CCD采集的圖像信號進行圖像處理和分析，判斷信標(biāo)光是否進入視場，并利用灰度直方圖算法計算目標(biāo)與背景間的閾值，再利用質(zhì)心算法得出信標(biāo)光坐標(biāo)，并將信息實時傳輸給電機控制部分。

電機控制器采用專門用于工業(yè)控制的LPC2114ARM及其外圍電路。LPC211ARM采用ARM7TDMI—S核技術(shù)，采用RISC指令，流水線執(zhí)行結(jié)構(gòu)，嵌入式操作系統(tǒng)移植性強。根據(jù)DSP處理后的信息調(diào)整載有CCD的二軸電控轉(zhuǎn)動平臺。

電機驅(qū)動器采用新型的雙極性恒流斬波驅(qū)動技術(shù)，光電隔離信號輸入，自動半流，可設(shè)置最大2 A電流和最大125級細(xì)分，振動和噪聲小。

二軸電控轉(zhuǎn)動平臺按照水平和俯仰兩個方向轉(zhuǎn)動，其水平方向無最大角度限制，而俯仰方向接近360°，通過ARM控制器實現(xiàn)該轉(zhuǎn)動平臺的方位和俯仰角的精密轉(zhuǎn)動。驅(qū)動器為最大值128細(xì)分時，其方位和俯仰角的轉(zhuǎn)角精度達2．725μrad和1．635μrad。

光學(xué)系統(tǒng)由信標(biāo)光發(fā)射和CCD接收部分組成。CCD有效像素為582(H)×512(V)，像素尺寸為8．25(H)μm×7．03(V)μm，接收靈敏度為0．005勒克斯，CCD的視場角為3°x3°。CCD安裝于二軸電控轉(zhuǎn)動平臺，相當(dāng)于光學(xué)天線，用于接收光信號，通過ARM電機控制實現(xiàn)CCD的全空間掃描和信標(biāo)光接收。信標(biāo)光置于單片機控制的小車，模擬實現(xiàn)空間移動平臺的運動。

2．2 圖像處理硬件設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計的圖像處理模塊采用DM642作為圖像處理核心器件以及其外圍電路組成的視頻通訊模塊(VCM)完成CCD視頻信號的采集和處理。VCM是由視頻處理單元、音頻處理單元、SDRAM、Flash、UART、以及網(wǎng)、I2C、JTAG單元等，其中視頻處理單元主要由DM642、視頻解碼器TVP5150APBS、視頻編碼器SAA7104、同步動態(tài)存儲器SDRAM以及控制部分的通信器件UART等組成，如圖2所示。

DM642首先啟動視頻解碼器TVP5150APBS，捕獲并解碼CCD攝像頭的每一幀視頻信號，然后讀取并存儲在SRDRAM中，然后處理所存儲的數(shù)據(jù)并提取信標(biāo)光坐標(biāo)，通過UART將相應(yīng)信息實時反饋給控制部分，同時輸出處理的數(shù)據(jù)，經(jīng)視頻編碼器SAA7104編碼，經(jīng)VPout端口輸出顯示。

由于DM642功能強大，其應(yīng)用電路涉及到大量外圍電路，因此整個圖像處理電路VCM相當(dāng)復(fù)雜，限于篇幅原因，這里只給出電源部分電路，以供參考。VCM采用12 V直流電源供電，經(jīng)DC／DC轉(zhuǎn)換器TPS54350PWP轉(zhuǎn)換成3.3V直流電壓作為DM642的電源，由于DM642工作在600 MHz的高頻率下，因此對電源穩(wěn)定性要求極高，其電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

當(dāng)CCD采集的視頻信號通過DM642的視頻輸入端口進入視頻處理單元模塊，若發(fā)現(xiàn)信標(biāo)光不在視場中，則執(zhí)行光柵螺旋掃描算法，直到信標(biāo)光進入視場，此時圖像處理模塊將提取出信標(biāo)光光斑的坐標(biāo)通過串口發(fā)送給電機控制模塊，電機控制模塊根據(jù)接收的信標(biāo)光坐標(biāo)信息對二軸電控轉(zhuǎn)動平臺執(zhí)行基于增量式PID跟蹤算法控制，該過程不斷反復(fù)，直到信標(biāo)光光斑始終保持在視場的中心位置，則建立通信鏈路，從而實現(xiàn)通信；另外，若信標(biāo)光一開始就位于視場，則直接進入跟蹤過程，且整個掃描和跟蹤過程是相互嵌套的。跟蹤過程中一旦目標(biāo)突然從視場中丟失，則系統(tǒng)則轉(zhuǎn)去執(zhí)行掃描過程，直到再次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。整個ATP控制過程主要由掃描、捕獲和跟蹤3部分組成。圖4示出軟件設(shè)計主程序流程圖。

3．1 信標(biāo)光坐標(biāo)閾值提取算法

系統(tǒng)首先采用直方圖法確定信標(biāo)光坐標(biāo)提取的閾值，具體做法：將CCD采集的MxN像素的黑白圖像存入數(shù)據(jù)緩存器，以灰度值(O～255)為x軸，以該灰度值的像素點個數(shù)為y軸。由于背景和目標(biāo)灰度值的不同，必然在坐標(biāo)系中形成兩個峰值，在兩峰值之間選取像素點個數(shù)最少的灰度值為閾值，可以使目標(biāo)和背景分割誤差最小。

3．2 信標(biāo)光坐標(biāo)質(zhì)心算法

DM642必須精確地從目標(biāo)圖像提取目標(biāo)位置信息。常用的定位算法：質(zhì)心算法、形心定位法、峰值定位法、匹配定位法和投影中心法。質(zhì)心算法的精度高、且算法簡單，該系統(tǒng)設(shè)計選用質(zhì)心來定位目標(biāo)。質(zhì)心法反映了目標(biāo)的能量的分布狀況。該方法在理想的情況下定位精度小于0．05個像素，且適用的光斑范圍大。

4 結(jié)論

在脫離PC機情況下對移動平臺信標(biāo)光的捕獲與跟蹤進行實驗。利用載有信標(biāo)光的小車以不同速率在已設(shè)計的線路上運動，控制器控制二軸電控轉(zhuǎn)動平臺進行光柵螺旋掃描，一旦捕獲信標(biāo)光則轉(zhuǎn)入到跟蹤狀態(tài)并鎖定目標(biāo)。如果信標(biāo)光突然脫離CCD視場，程序?qū)⒆詣又匦逻M入掃描捕獲狀態(tài)。

實驗表明，系統(tǒng)跟蹤角速度范圍是0～lOrad／s，跟蹤精度優(yōu)于0．5mrad，基本達到移動平臺ATP技術(shù)粗跟蹤要求，也進一步證明基于DM642的移動平臺ATP技術(shù)在衛(wèi)星和航空航天等大容量通信方面具有更大的應(yīng)用潛力，特別是在改進和優(yōu)化系統(tǒng)若在靈活性和實時性以及算法，將使ATP系統(tǒng)跟蹤精度進一步提高。