红外动目标识别跟踪系统硬件设计与实现

高速器件因等待低速器件的数据而使系统的效率降低。A/D芯片送出的数字信号其时钟频率约为12MHz(模拟通道时钟12.5MHz，数字通道时钟12MHz)，而处理卡上DSP的总线频率高达50MHz，二者差异较大，所以采用输入输出缓冲FIFO是必要的。基于以上考虑，最终选用的缓冲FIFO是Cypress公司的CY7C4275，它的容量为32K×18，最大存取速度可达到10ns。之所以选取大容量芯片，是为了减少数据传送时总线申请的次数，从而使系统的处理效率提高。

可编程控制器

　　本系统的硬件逻辑控制电路是采用大容量的FPGA来实现的，采用的芯片是Xilinx公司的XCV50E。该芯片集成了约58000系统门，有16×24个 CLB Array，1700余个逻辑单元，可用I/O口 180个。在本系统中FPGA 控制了绝大部分单元，包括：通道选择/电平转换芯片、输入输出FIFO、SRAM、DSP、PCI接口电路等。利用FPGA芯片的系统内可编程(ISP)性能，完成所有DSP外围芯片的控制逻辑，并在其中设置状态寄存器、命令字寄存器和专用寄存器，完成与主机的实时通信，接收主机传送的命令信息和向主机传送所需要的状态信息。　

　　在本系统中，数字信道为14bit，模拟为8 bit，所以为了简化DSP程序，使其对数字/模拟信号/数据的处理，大部分采用相同程序，所以需要由FPGA对信号进行第一次装配(区别于DSP为了显示而对图像按RGB格式进行的第二次装配)，即将数字/模拟信号/数据均转换为16 bit的数据，然后将两个16 bit数据装配成一个32 bit的数据。　

　　数字图像存储器

　　红外动目标识别与跟踪系统要完成对运动目标的识别与跟踪。其实现算法必然涉及到对多帧(差分处理，至少两帧)视频图像的处理。为了给实现算法提供较为充裕的存储空间，我们选用的存储器能容纳6场视频图像。因此，最后选用的存储器是Giga Semiconductor公司的两片GS74116，每片容量为256K×16bit。考虑到我们的视频图像每场的数据量为76800像素，两片512K的SRAM可以存下至少6场视频图像。在本系统中，我们设置了4帧图象存储空间，其余空间用于存放目标小图、DSP装配数据等，数据空间具体地址分配如图4。

　　数字图像处理模块

　　CCIR 视频制式的视频信号为50场/秒，由于系统要对数字化的图像进行实时处理，经过权衡运算量和实时性要求，我们取25场／秒，因此每场图像的处理时间不能超过40ms。故要求DSP应具有较高的处理速度。基于以上考虑，DSP采用TI公司的TMS320C6202芯片，芯片峰值性能可达到2000MIPS，本系统DSP时钟为200MHz，芯片峰值运算速度1600 MIPS。

　　DSP在进行图像的差分运算时，并没有载入完整的各帧图像，因为数据空间有限，若用完整的图像帧进行差分，则由76.8K×3230KByte，加上其它常、变量、寄存器等，至少需要256KByte或以上的数据空间。大大超过芯片设定的数据空间。因此，我们采用隔点、隔行的亚抽样。抽样后，每帧图像大小约为20KByte，总计约需80 KByte数据空间，C6202的片内数据空间足够所需。我们对DSP芯片的内部空间分配如图5。

　　PCI 接口电路

　　由于本系统与PC机的接口是PCI接口。为了避免受困于PCI接口繁杂的数据传送协议，充分发挥PCI总线的数据传送能力，PCI接口电路采用PCI9054芯片来实现的。在33 MHz的PCI总线工作频率下，它的最大数据吞吐能力为132Mbyte/s。

　　PCI9054与DSP的数据交换或通信是通过DSP芯片内部的两个寄存器实现的：XBISA(地址寄存器)，XBD(数据寄存器)。即对PCI9054及DSP芯片而言，它们互相并不能直接访问对方的资源，它们之间的数据交换必须由这两个寄存器中继，如图6所示。

　　系统可靠性研究

　　可靠性是指系统在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性工程是为了到达系统可靠性要求而进行的有关设计、试验等一系列工作的总和，它与系统整个寿命周期内的全部可靠性活动有关。

　　提高系统可靠性的方法有降额设计、简化设计、余度设计、耐环境设计和热设计等。结合本系统硬件模块的现实，本文主要讨论余度设计。

"余度"就是指系统或设备具有一套以上能完成给定功能的单元，只有当规定的几套单元都发生故障时系统或设备才会丧失功能，这就使系统或设备的任务可靠性得到提高。本硬件模块只有一套功能单元和监控/恢复单元。也就是说，只有在系统的相应功能单元发生非物理损坏故障时，本余度设计才能起到预设的作用。从这种意义上讲，本系统采用的是准余度设计。当系统发生非物理损坏性故障时，本设计与典型的余度设计对可靠性的改善是等效的。在本系统的调试和测试过程中，我们发现，真正发生物理损坏性故障，并不多见。超过 95％的故障都是非物理损坏性故障。所以，从实际效果