基于雙DSP的雷場(chǎng)偵察圖像實(shí)時(shí)壓縮及存儲(chǔ)方法研究

摘要：以2個(gè)TMS320C62xx為棱l心處理器，實(shí)現(xiàn)大面積雷場(chǎng)圖像的實(shí)時(shí)壓縮和傳輸。使用雙口RAM實(shí)現(xiàn)2個(gè)DSP之間的高速通信，利用EMIF、EXBUS及McBSP實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的通信，通過(guò)FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出緩沖，并以CPLD來(lái)控制系統(tǒng)的邏輯時(shí)序。
關(guān)鍵詞：圖像壓縮；DSP；雙口RAM；CPLD

l 引言
    以直升機(jī)(有人機(jī)或無(wú)人機(jī))為平臺(tái)，利用可見(jiàn)光成像和紅外成像傳感器技術(shù)，可以晝夜進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大面積雷場(chǎng)偵察及其他障礙體系的偵察。當(dāng)機(jī)載雷場(chǎng)偵察系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)接收的雷場(chǎng)圖像進(jìn)行GPS標(biāo)定，同時(shí)將標(biāo)定的圖像實(shí)時(shí)壓縮、存儲(chǔ)和傳輸。該系統(tǒng)具有極高的實(shí)時(shí)性要求。因此，考慮在系統(tǒng)中采用雙DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心來(lái)構(gòu)建高速處理體系。一方面，采用雙DSP體系結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)具備極高的運(yùn)算處理速度，滿足實(shí)時(shí)性要求，另一方面，CPLD的引入使系統(tǒng)的靈活性得到了很大的提高。將二者結(jié)合可使該系統(tǒng)充分體現(xiàn)新一代圖像壓縮系統(tǒng)更快速、更靈活的特點(diǎn)。

2 TMS320C62XX系列DSP的特點(diǎn)
    根據(jù)圖像壓縮和存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用美國(guó)德州儀器(TI)公司的TMS320C62xx系列定點(diǎn)DSP作為核心處理器。其主頻為200 MHz~300 MHz，數(shù)據(jù)處理能力為1600 MI/s~2400 MI/s。它的主要特點(diǎn)如下：
    (1)DSP內(nèi)核采用超長(zhǎng)指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)，8個(gè)功能單元共用32個(gè)32 bit通用寄存器，最多可在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行8條32位指令，從而大大提高了程序的執(zhí)行速度；
    (2)電路內(nèi)部集成了l Mbit～7 Mbit片內(nèi)SRAM，分為內(nèi)部程序/Cache存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)/Cache存儲(chǔ)器，不存在片內(nèi)存儲(chǔ)器與外部存儲(chǔ)器的總線競(jìng)爭(zhēng)和訪問(wèn)速度不匹配問(wèn)題，因此訪問(wèn)速度快，可以充分利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；
    (3)具有32 bit外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，外部存儲(chǔ)器可尋址空間高達(dá)52 MByte?？膳cSDRAM和SBRAM實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，用于大容量高速存儲(chǔ)。其直接異步存儲(chǔ)器接口可與SRAM和EPROM連接，用于小容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    按功能劃分，圖像壓縮及存儲(chǔ)系統(tǒng)包括圖像采集模塊、GPS數(shù)據(jù)采集模塊、CPLD邏輯控制模塊、雙口RAM+雙DSP圖像處理模塊、圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)模塊和壓縮數(shù)據(jù)輸出模塊。
    為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用3個(gè)DSP，其中1個(gè)用于壓縮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，2個(gè)采用級(jí)聯(lián)方式工作的DSP用于雷場(chǎng)圖像的實(shí)時(shí)壓縮和傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

    DSPl接收成像設(shè)備產(chǎn)生雷場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)和GPS定位系統(tǒng)產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)，并根據(jù)GPS定位數(shù)據(jù)標(biāo)定雷場(chǎng)圖像，然后對(duì)標(biāo)定后的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮。DSP2對(duì)壓縮后的雷場(chǎng)圖像依次進(jìn)行量化重排、信源編碼和信道編碼，并將編碼后的圖像通過(guò)數(shù)傳機(jī)發(fā)送到地面。DSP3主要負(fù)責(zé)控制壓縮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。
3.1 圖像采集模塊
    本系統(tǒng)采用圖1所示的DSPl的EMIF來(lái)實(shí)現(xiàn)與可見(jiàn)光成像傳感器和紅外成像傳感器之間的通信，采集雷場(chǎng)的可見(jiàn)光圖像和紅外圖像信息。由于DSPl的EMIF接口是32位，而圖像數(shù)據(jù)的輸入字寬為8位，為了充分利用DSP的資源，使系統(tǒng)滿足快速傳輸處理的要求，設(shè)計(jì)時(shí)在傳感器和DSPl之間使用4個(gè)8位異步FIFO存儲(chǔ)器作為圖像數(shù)據(jù)的輸入緩沖。FIFO與EMIF之間的硬件接口如圖2所示。

    圖2中的控制邏輯通過(guò)圖l的CPLDl來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPLD1根據(jù)系統(tǒng)所需要的時(shí)序，控制產(chǎn)生EMIF的片選信號(hào)(CEn)、異步輸出允許信號(hào)(AOE)、異步寫(xiě)允許信號(hào)(AWE)、異步讀允許信號(hào)(ARE)，同時(shí)通過(guò)接收FIFO的空標(biāo)志(EF)、滿標(biāo)志(FF)及半滿標(biāo)志(HF)來(lái)產(chǎn)生DSP的中斷信號(hào)(INTx、INTy、INTz)，從而實(shí)現(xiàn)4個(gè)異步FIFO的讀寫(xiě)操作。
3.2 GPS數(shù)據(jù)采集模塊
    通過(guò)各種光學(xué)設(shè)備拍攝到的雷場(chǎng)圖像必須標(biāo)定上相應(yīng)的地理坐標(biāo)信息才能使其具有實(shí)際意義。因此，系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)除了雷場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)外還應(yīng)包含相應(yīng)的GPS定位數(shù)據(jù)。
    由GPS定位系統(tǒng)根據(jù)偽距差分定位原理計(jì)算出的GPS定位數(shù)據(jù)按照整秒輸出，輸出接口為RS-232型串行接口。TMS320C62xx系列DSP帶有3個(gè)多通道緩沖串口(McBSP0——McBSP2)，考慮到McB-SP串口的電氣特性與RS-232串口的電氣特性之間存在差異，設(shè)計(jì)時(shí)在DSPI的McBSP接口上外接1個(gè)RS-232收發(fā)器，以便實(shí)現(xiàn)串口通訊，接收GPS定位數(shù)據(jù)。
3.3 CPLD邏輯控制模塊
    為了協(xié)調(diào)系統(tǒng)中每個(gè)功能獨(dú)立的電路高效率工作，使用了2個(gè)復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)控制DSP內(nèi)部多段內(nèi)存空間的訪問(wèn)，并管理DSP與雙口RAM和FIFO之間的訪問(wèn)時(shí)序。
    此外，由于光學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出字寬為8位、TTL電平，而DSP的EMIF接口是32位、LVTTL電平。因此，CPLD還必須通過(guò)控制相應(yīng)的接口電路來(lái)解決因光學(xué)設(shè)備與DSP之間的接口差異而產(chǎn)生的問(wèn)題，從而保證整個(gè)系統(tǒng)有序、高效的運(yùn)行。
3.4 雙口RAM+雙DSP圖像處理模塊
    作為圖像壓縮和存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，圖像處理模塊以雙DSP為運(yùn)算處理核心單元，并輔以雙口RAM實(shí)現(xiàn)2個(gè)DSP之間的高速通信。2個(gè)DSP的外部存儲(chǔ)器接口EMIF與雙口RAM之間的接口設(shè)計(jì)如圖3所示，圖中的雙口RAM采用的是32位異步RAM。

    在圖3所示的2個(gè)DSP中，DSPl的功能如下：
    接收雷場(chǎng)原始圖像數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)；
    對(duì)雷場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS標(biāo)定；
    通過(guò)EXBUS將GPS標(biāo)定后的圖像存儲(chǔ)到硬盤(pán)上；
    使用快速離散余弦變換(FDCT)對(duì)GPS標(biāo)定后的雷場(chǎng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮；
    將壓縮數(shù)據(jù)通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口EMIF和雙口RAM傳送給DSP2。
    DSP2的主要功能如下：
    通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口EMlF和雙口RAM接收來(lái)自DSPI的壓縮數(shù)據(jù)；
    將壓縮數(shù)據(jù)量化重排；
    對(duì)量化重排后的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行信源和信道編碼；
    將編碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳設(shè)備發(fā)送給接收站。
    作為2個(gè)DSP之間高速通信橋梁的雙口RAM是一個(gè)共享式多端口存儲(chǔ)器，它配備2套獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，允許2個(gè)獨(dú)立的DSP同時(shí)異步地訪問(wèn)存儲(chǔ)單元，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的共享，大大提高了2個(gè)DSP之間的通信速度。
    雙口RAM內(nèi)部的訪問(wèn)仲裁邏輯通過(guò)控制同一地址單元訪問(wèn)的時(shí)序、合理分配存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)塊的訪問(wèn)權(quán)限、有序調(diào)度信令交換邏輯(例如中斷信號(hào))等手段來(lái)管理2個(gè)DSP對(duì)雙口RAM的讀寫(xiě)操作，從而實(shí)現(xiàn)DSPI和DSP2對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)共享數(shù)據(jù)的有序訪問(wèn)。
    2個(gè)DSP雖然能通過(guò)雙口RAM進(jìn)行高速通信，但其控制功能不強(qiáng)，因此系統(tǒng)中需要采用如圖1所示的2個(gè)CPLD協(xié)調(diào)DSPl和DSP2對(duì)雙口RAM中共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，從而實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)雷場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)定、壓縮、存儲(chǔ)和傳輸。
3.5 圖像存儲(chǔ)模塊
    原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GPS標(biāo)定后進(jìn)行存儲(chǔ)，作為地面接收的雷場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)的備份。由于光學(xué)設(shè)備所拍攝的雷場(chǎng)數(shù)據(jù)具有低空、大速高比、高分辨率的特點(diǎn)，是海量數(shù)據(jù)，因此，必須使用硬盤(pán)進(jìn)行存儲(chǔ)。為了避免圖l所示的DSPI內(nèi)部硬件資源發(fā)生沖突，使用DSPI的EXBUS作為圖像存儲(chǔ)數(shù)據(jù)輸出的接口。
    經(jīng)過(guò)GPS標(biāo)定的雷場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)通過(guò)DSPl的EXBUS接口首先輸出到FIFO中緩沖，然后分別通過(guò)DMA控制器和接口控制器將壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)上。對(duì)硬盤(pán)的控制采用DSP3和專用SCSl接口控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。EXBUS與異步FIFO之間的硬件接口如圖4所示。

3.6 壓縮數(shù)據(jù)輸出模塊
    經(jīng)GPS標(biāo)定的雷場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)在使用特定的算法壓縮后，必須傳送到地面進(jìn)行后期分析處理。壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DSP2編碼后，通過(guò)DSP2的EMIF傳送到FIFO中緩沖，然后通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)送到數(shù)傳設(shè)備，傳至地面接收站。FIFO存儲(chǔ)器采用IDT72V06型異步FIFO存儲(chǔ)器，總線驅(qū)動(dòng)器采用SGS-THOMSON公司的HC245型總線驅(qū)動(dòng)器。

4 圖像壓縮算法設(shè)計(jì)
    圖像壓縮算法效率的高低直接影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此，選用合適的圖像壓縮算法具有至關(guān)重要的意義。
    該系統(tǒng)采用基于FDCT變換的圖像壓縮算法，該算法能夠在圖像質(zhì)量比較好的情況下取得較高的壓縮比，且計(jì)算量適中，能夠滿足圖像實(shí)時(shí)壓縮的要求，其軟件流程如圖5所示。圖5中上部虛框內(nèi)的算法由DSPl執(zhí)行，下部虛框中的算法由DSP2執(zhí)行，中間數(shù)據(jù)通過(guò)雙口RAM傳遞。

    由于壓縮過(guò)的數(shù)據(jù)具有非常低的冗余度，因此在信源編碼時(shí)須適當(dāng)插入RoI(Restart of Interval)標(biāo)志，增強(qiáng)壓縮數(shù)據(jù)的抗誤碼能力，避免發(fā)生誤碼擴(kuò)散。
    此外，為提高通信的可靠性，在編碼中還要加入信道編碼?？紤]到卷積碼的前向糾錯(cuò)能力和實(shí)時(shí)性較好，選擇卷積碼作為信道編碼。從理論上講，卷積碼的約束度越長(zhǎng)糾錯(cuò)能力越好，但是約束度越長(zhǎng)，譯碼時(shí)間也會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須從實(shí)時(shí)性出發(fā)，選擇合適的卷積碼約束度，從而保證數(shù)傳設(shè)備的誤碼率糾錯(cuò)能力能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和抗干擾性要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    該系統(tǒng)利用TMS320C62xx系列DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力和雙口RAM的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，對(duì)光學(xué)傳感器拍攝到的大面積雷場(chǎng)圖像進(jìn)行快速GPS標(biāo)定，并對(duì)標(biāo)定后的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮、存儲(chǔ)和傳輸，可滿足機(jī)載大面積雷場(chǎng)偵察系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。