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[導(dǎo)讀]結(jié)合某電視跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計, 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現(xiàn)方法, 包括其驅(qū)動程序的構(gòu)成特點和在CCS開發(fā)環(huán)境下的封裝形式

摘要:結(jié)合某電視跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計, 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現(xiàn)方法, 包括其驅(qū)動程序的構(gòu)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(guān)鍵詞:電視跟蹤;DM642;視頻端口;驅(qū)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(chǔ),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(dǎo)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(yīng)、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(zhuǎn)化為視頻信號送到監(jiān)視器,通過控制臺引導(dǎo)(也可由雷達引導(dǎo))伺服平臺使目標進入捕獲窗內(nèi),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(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(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,對環(huán)境條件要求高,并且嚴重阻礙了復(fù)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(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)采用先進的DSP數(shù)字處理器,應(yīng)用模塊化設(shè)計思想,不僅整體設(shè)計上實現(xiàn)了模塊化而且系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)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(zhuǎn)換后進行跟蹤算法處理,得到目標質(zhì)心對視場中心的偏移量,送往伺服控制模塊,驅(qū)動云臺轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)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(cè)重FPGA的功能實現(xiàn),所以具體設(shè)計本文不再詳述。 

        DM642視頻端口硬件設(shè)計 

        本系統(tǒng)結(jié)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(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,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(jīng)過信號保持及收發(fā)轉(zhuǎn)換電路,之后連接解碼芯片SAA7115 對應(yīng)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(nèi)部寄存器進行功能選擇,具體操作函數(shù)封裝于軟件驅(qū)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(shè)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(qū)動程序分為兩個部分:針對視頻端口的通用驅(qū)動部分和針對視頻處理外設(shè)的專用驅(qū)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(shè)計的視頻外設(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)部的擴展設(shè)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(qū)動可被進一步封裝成為FV ID ( frame video)驅(qū)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(qū)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(yīng)結(jié)構(gòu)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(qū)動部分,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,就需要對其編碼/解碼格式、緩存方式等方面進行設(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,由于擴展設(shè)備控制器將通用驅(qū)動部分封裝為一系列AP I接口,可供用戶編寫專用驅(qū)動部分時調(diào)用,主要AP I信息存儲于EDC. h中,詳細資料可查閱TI網(wǎng)站,筆者則是側(cè)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(jīng)將視頻外設(shè)驅(qū)動(專用驅(qū)動部分)封裝到FV ID庫,用戶只需要參照saa7105. h,saa71105. h中的結(jié)構(gòu)體,為各個視頻外設(shè)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(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)出中斷請求,視頻顯示觸發(fā)一般采用默認方式。

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(yīng)視頻左上至右下逐行排列的象素值,單個象素值是一個結(jié)構(gòu)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(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,啟動顯示任務(wù)后,顯示編碼電路自動讀取其緩存區(qū),按照設(shè)定的模式編碼輸出。 

        結(jié)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(shè)計及軟件構(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,著重研究了其視頻端口相關(guān)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(shè)計的參考,特別是制式電視信號流的建立、管理方法,經(jīng)過設(shè)計、調(diào)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(jié)果證明該方法切實可行,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 

        本系統(tǒng)設(shè)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(fù)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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