基于DSP和FPGA的红外信息数据处理系统

现代空战中，光电对抗装备在战争中扮演着重要的角色，而红外侦测与跟踪系统由于采用的无源探测技术，因此与雷达等主动探测系统相比具有隐身性强、抗干扰能力好和小型化程度高等优点，受到业内的关注。新一代红外成像导引系统须具备高精度、处理速度快、实时性强且反应时间短等特点，这便要求图像处理计算机能满足图像处理中大数据量、复杂运算、实时性强、高传输率和稳定可靠等要求。文中从工作原理、硬件及软件3个方面介绍了基于DSP和FPGA芯片的红外信息数据处理系统设计方法。

1红外制导控制系统硬件总体设计

红外信息数据处理系统按照功能划分为两大板块，由图像信息处理板和控制信息处理板组成数据处理系统。其红外制导控制信息数据处理系统如图1所示。图像信息处理板主要承担大量的实时图像信号预处理、图像信号处理与控制任务；控制信息处理板控制接口信号的采集，跟踪回路的解算，控制输出及与飞控计算机等的通讯，同时控制管理模块也是系统的管理模块，完成对系统的输入/输出操作、同步控制、系统状态管理等功能。


图1 红外信息数据处理系统框图

2图像处理模块的硬件设计

图像处理模块的硬件由复位电路、时钟电路、图像采集及预处理电路、DSP图像处理电路、电源转换电路和外部接口等电路组成。组成框图如图2所示。


图2 图像采集单元电路组成

2.1图像采集单元

图像采集单元包括扫描同步接口电路、探测器接口电路、前端调整电路、A/D转换电路、采样控制与数据整合电路及数据缓存（同步双口）电路等组成。电路组成框图如图2所示。扫描同步信号是来自系统中扫描模块，该信号提供系统时序基准，其信号同步于帧同步信号。扫描同步信号从底板连接器接入。探测器接口电路包括：参考电源、温度信号、采样控制信号及2路视频模拟信号等，以上信号在FPGA内部采集电路的控制下，保证每帧图像数据的同步采集。调整电路将探测器输出的视频信号调整至高速A/D输入的范围，差分视频信号经差分驱动器放大驱动，其共模输入电压为视频A/D片内参考信号（2.5 V）。模拟信号输入到A/D采用差分输入方式。视频A/D主要用于将视频电路间的模拟信号与数字信号进行转换。根据电路整体要求，A/D转换电路需满足采样频率高、功耗低、转换精度高等要求。采样控制和数据缓存电路由FPGA内部采样控制电路完成。数据缓存电路由FPGA内部双口存储器完成，具有高速、可同步及异步读写操作等性能。

2.2 DSP图像处理电路

DSP图像处理电路主要包括处理器及外围配置电路、存储器电路及与控制板接口通信的McBSP串口电路等。处理器选用TI公司高性能定点TMS320C641x系列中C6414 GIZA-6E3作为图像信息处理C6414-6E3，时钟周期为1.67 ns，内部工作时钟可达600 MHz，最高处理速度可达4 800 MIPS；内部存储器容量8 Mbit；有2个扩展存储器接口，EMIFA为64 bit，EMIFB为16 bit，EMIFA的总线频率可达133 MHz，最大可寻址空间为1280 MB；内核工作电压为1.4 V，工作温度可达-40~105℃。其完成红外成像制导导引头图像组合、分割与增强、模板匹配、背景处理、目标提取和目标跟踪等主处理算法。

FPGA预处理单元是图像信息处理板上另一个核心部件，采用Xilinx公司Vertex-II系列中的XC2V2000-FG676来实现。XC2V2000具有200万门的规模，内部的存储资源有1 Mbit的Select RAM，336 kbit的Distributed RAM，IO管脚资源达到408个，8个DCM.FPGA预处理单元设计由视频采集控制与数据整合单元、视频采集缓冲和主处理缓冲双口存储器、预处理单元、图像输出子卡数据传输接口控制、串行SPI接口控制器、LVDS数字视频输出接口、访问DSP/HPI接口的主机控制电路等部分组成。另外，图像信息处理板的FPGA配置可实现外场在线配置功能。

存储器电路包括Flash、FPGA内部同步双口两种存储器。可与C6414的（EMIF外部存储器接口，C64有2条总线EMIFA与EMIFB）连接，在使用时需通过DSP/BIOS对EMIF总线进行配置，确定访问时序。图像信息处理板上有2片Flash资源分别属于DSP和FPGA，其中属于FPGA的Flash保存的是板上控制代码，属于DSP的Flash除用以存储模块BOOT程序，还可对用户应用程序进行存储。为了采用从并方式配置FPGA，将其所属Flash连接在C6414的EMIFB异步BANK CE0，采用异步的读写信号；为支持C6414从ROM引导的机制，DSP所属Flash连接至C6414的EMIFB异步BANK CE1采用异步的读写信号。双口存储器主要用于存储帧图像数据，在图像信息处理板的FPGA上配置了双口存储器。应用中可通过FPGA设计配置同步或异步双口存储器与C6414实现数据交换，容量按图像帧大小可配置为16 kbit×16 bit，也可配置16位或32位访问方式。图像信息处理板上双口存储器连接在C6414的EMIFA同步BANK ACE0空间，可配置同步方式或异步方式。