基于VxWorks目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的接口板設(shè)計(jì)

　1 前言

　　由于目前發(fā)展現(xiàn)代化的坦克火控系統(tǒng)已成為充分發(fā)揮坦克火力，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的最有效途徑之一。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，VxWorks操作系統(tǒng)以其良好的有效性、可裁減性、互操作性、可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用在高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。因此基于 VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的目標(biāo)自動(dòng)跟蹤技術(shù)的研究已經(jīng)成為提高坦克火控系統(tǒng)性能研究的主要方向。本文以研制坦克目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)信息處理平臺(tái)為背景，設(shè)計(jì)了基于 VxWorks的目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的 PCI總線接口板，實(shí)現(xiàn)了坦克火控計(jì)算機(jī)與坦克火控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。其中以橋接芯片 PCI9054為核心的設(shè)計(jì)尤為重要。使目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具備了能夠捕獲和跟蹤較復(fù)雜背景下的無(wú)偽裝的坦克和裝甲車(chē)的能力，以及在跟蹤狀態(tài)下出現(xiàn)目標(biāo)被遮擋時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入記憶跟蹤狀態(tài)的能力。

2 目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

在基于 VxWorks嵌入式系統(tǒng)下，根據(jù)坦克目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的總體技術(shù)要求，需要完成 I/O板硬件結(jié)構(gòu)電路的設(shè)計(jì)；PCI9054的配置；接口驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)以及系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤計(jì)算機(jī)與坦克火控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

下面就坦克目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。坦克目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)包括通用視頻跟蹤器的所有功能，系統(tǒng)硬件由跟蹤器主機(jī)、瞄準(zhǔn)線功率驅(qū)動(dòng)模塊、視場(chǎng)圖像及相關(guān)信息顯示器、前端圖像采集系統(tǒng)和連接電纜等幾部分組成。跟蹤器主機(jī)由主機(jī)板、 DSP板、圖像圖形板、I/O板、電源板和機(jī)箱、無(wú)源底板、插接件組成，主要完成圖像采集、處理并輸出控制；瞄準(zhǔn)線驅(qū)動(dòng)控制模塊主要對(duì)跟蹤器主機(jī)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大來(lái)驅(qū)動(dòng)瞄準(zhǔn)線；顯示器用于顯示視野圖像及相關(guān)信息；前端圖像采集系統(tǒng)主要指火控系統(tǒng)光學(xué)改造部件及圖像采集器 CCD；連接電纜用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)各部件的信號(hào)連接。坦克目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)組成如圖1：

從圖 1中可知，系統(tǒng)通信與控制模塊（亦稱(chēng) I/O板）是通用型的目標(biāo)自動(dòng)跟蹤器與火控系統(tǒng)相連接的橋梁，在目標(biāo)自動(dòng)跟蹤火控系統(tǒng)中具有極其重要的作用。它要求實(shí)時(shí)處理 DSP板傳送的目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)和瞄準(zhǔn)線中心的偏差量，最終轉(zhuǎn)化為對(duì)瞄準(zhǔn)線的控制量。將瞄準(zhǔn)線控制量傳送給瞄準(zhǔn)線驅(qū)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)高精度控制瞄準(zhǔn)線，使之始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

3 在 VxWorks下的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 　　

3.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 　　

應(yīng)用程序必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序才能與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)與操作系統(tǒng)密切相關(guān)。在 VxWorks操作系統(tǒng)中， BSP板級(jí)支持包向 VxWorks提供與硬件環(huán)境的接口，負(fù)責(zé)完成加電時(shí)的硬件初始化、為 VxWorks訪問(wèn)硬件驅(qū)動(dòng)程序提供支持、將 VxWorks中與硬件有關(guān)以及與硬件無(wú)關(guān)的軟件進(jìn)行集成。因此在 VxWorks下編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)首先要對(duì) BSP進(jìn)行修改配置。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況需要修改 config.h頭文件： 　　

#define DEFAULT_BOOT_LINE "fei(0,0)host: VxWorks h=172.16.21.100 e=172.16.21.253 u=chb pw=123456"在 VxWorks中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有查詢(xún)方式和中斷方式二種。無(wú)論采用哪一種方式，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本流程都是相同的，如圖 2：

　　從圖 2中可以看出，編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的第一步是獲取硬件接口參數(shù)，包括內(nèi)存映射地 址、I/O端口和系統(tǒng)中斷控制器的輸入(IRQ)。獲取這些參數(shù)的方法由硬件的接口方式?jīng)Q定。例如，PCI總線作為一種即插即用的總線結(jié)構(gòu)，在 BIOS和操作系統(tǒng)的支持下，能夠自動(dòng)為設(shè)備分配合適的硬件接口參數(shù)。其部分程序代碼如下： 　　

1) 定義常量和全局變量 #define PCI9054_DEVICE_ID 0x9054 #define PCI9054_VENDOR_ID 0x10B5 #define PCI9054_MEMSIZE 0x00001000 #define PCI9054_INIT_STATE_MASK (VM_STATE_MASK_VALID | VM_STATE_MASK_WRITABLE | VM_STATE_MASK_CACHEABLE) #define PCI9054_INIT_STATE (VM_STATE_ VALID | VM_STATE_ WRITABLE | VM_STATE_ CACHEABLE_NOT) Typedef struct pci9054Info { UNIT pciBus,pciDevice,pciFunc; Char irq; }PCI9054_INFO; LOCAL PCI9054_INFO pci9054InfoTable={-1,-1,-1,-1}; 　　[!--empirenews.page--]

2）獲取硬件接口參數(shù) Void sysPci9054Init(void) {int pciBus, pciDevice, pciFunc; 　　Int intdex = 0; UINT32 membaseCsr; Char irq; PCI9054_INFO pciRes; pciRes = &pci9054InfoTable; 　　//利用供應(yīng)商標(biāo)識(shí)和設(shè)備標(biāo)識(shí)確定設(shè)備的總線號(hào)、設(shè)備號(hào)和功能號(hào)，在系統(tǒng)中查找設(shè)備 pciFindDevice(VENDER_ID, DEVICE_ID, 0, &pciBus, &pciDevice, &pciFunc) == DDRESS_1, &membaseCsr); //確定映射到系統(tǒng)中的設(shè)備基地址 membaseCsr&= PCI_MEMBASE_MASK; //獲得設(shè)備的 IRQ pciConfigInByte (pciBus, pciDevice, pciFunc,PCI_CFG_DEV_INT_LINE, &irq); //將設(shè)備映射到內(nèi)存中 sysMmuMapAdd((void)membaseCsr, PCI9054_MEMSIZE , (UINT)PCI9054_INIT_STATE_MASK, (UINT) PCI9054_INIT_STATE); //保存總線號(hào)、設(shè)備號(hào)、功能號(hào)和 IRQ pciRes->pciBus = pciBus; pciRes->pciDevice = pciDevice; pciRes->pciFunc = pciFunc; pciRes->irq = irq; //配置設(shè)備的 PCI命令寄存器以控制設(shè)備 　　pciConfigOutWord(pciBus,pciDevice,pciFunc,PCI_CFG_COMMAND,PCI_CMD_MEM_ENAB LE|PCI_CMD_MASTER_ENABLE|PCI_CMD_PERR_ENABLE|PCI_CMD_SERR_ENABLE); } 　　

3）設(shè)置硬件寄存器 Void setPci9054Reg() {……… }

4) 實(shí)現(xiàn)接口函數(shù) Void sysPci9054Intr(int pci9054IntPara) {……… } 　　

5) 啟動(dòng)設(shè)備 Void startPci9054() {……… } 　　

3.2 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

坦克目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)流程如圖 3所示：

目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的主程序的工作原理是：當(dāng)炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)并測(cè)距后，測(cè)距指令同時(shí)作為自動(dòng)跟蹤指令啟動(dòng)自動(dòng)跟蹤。自動(dòng)跟蹤器根據(jù) CCD攝像機(jī)視頻信號(hào)逐幀進(jìn)行圖像處理，求出瞄準(zhǔn)線與目標(biāo)的失調(diào)量，驅(qū)動(dòng)瞄準(zhǔn)線自動(dòng)跟蹤目標(biāo)。瞄準(zhǔn)鏡輸出目標(biāo)距離、目標(biāo)角速度和火炮位置給火控計(jì)算機(jī)?；鹂赜?jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)距離、目標(biāo)角速度、橫風(fēng)速度等解算彈道并通過(guò)炮控裝定火炮的射擊諸元。當(dāng)火炮裝定到位時(shí)，計(jì)算機(jī)給出允許射擊信號(hào)接通擊發(fā)電路，此時(shí)若炮長(zhǎng)按下射擊按鈕，火炮即可發(fā)射?；鹋诎l(fā)射后退出自動(dòng)跟蹤，由炮長(zhǎng)操縱瞄準(zhǔn)鏡。

4 結(jié)論 　　

在基于 VxWorks的嵌入式系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)某新型坦克的目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)滿足了目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，能夠?qū)C(jī)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)信息進(jìn)行處理，主要達(dá)到的性能和技術(shù)指標(biāo)如下：在 3000m有效射程內(nèi)，能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的捕獲和跟蹤，跟蹤丟失率≤ 10%；在目標(biāo)被遮蔽后，具備預(yù)測(cè)跟蹤能力。跟蹤精度(包括火控系統(tǒng)誤差在內(nèi))為 0.6mil。由以上結(jié)論可以看出，本系統(tǒng)已經(jīng)具備了初步智能化目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別、跟蹤及較好的抗干擾能力，實(shí)時(shí)性達(dá)到系統(tǒng)要求，并且有進(jìn)一步提高的基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：首次在VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，提高了坦克火控系統(tǒng)對(duì)單個(gè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的捕獲和自動(dòng)跟蹤能力。