無人機(jī)光電載荷圖像處理器的設(shè)計(jì)

魯劍鋒

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

無人機(jī)作為一種特殊的戰(zhàn)場(chǎng)武器，其武器化趨勢(shì)及其未來作戰(zhàn)應(yīng)用越來越引起世界各國(guó)的重視。特別是小型無人機(jī)，如美國(guó)陸軍的“烏鴉”無人機(jī)等，已以其隱蔽性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，成本低的特點(diǎn)，成為世界各國(guó)軍方關(guān)注的焦點(diǎn)。無人機(jī)載光電偵查載荷主要用于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤。隨著無人機(jī)任務(wù)載荷的發(fā)展和進(jìn)步，探測(cè)手段也從原始的膠片照相機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)今的可見光CCD、紅外熱像儀傳感器以及激光指示器等。2002年，美國(guó)“捕食者”無人機(jī)安裝了雷神公司研制的AN/AAS-52多頻譜目標(biāo)指示系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了紅外、彩色光電照相機(jī)和激光指示器［1］。未來的無人機(jī)上還將安裝多波段傳感器來滿足用戶對(duì)多頻譜和高頻譜數(shù)字光電設(shè)備的需求，而圖像處理器作為判斷、識(shí)別目標(biāo)并引導(dǎo)光電任務(wù)載荷跟蹤目標(biāo)的主要設(shè)備，在現(xiàn)今的無人機(jī)偵查設(shè)備中有著不可替代的作用。

本文對(duì)無人機(jī)載設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和機(jī)載圖像處理器的構(gòu)成進(jìn)行了研究，利用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片作核心器件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和微控制單元(MCU)設(shè)計(jì)并研制了適用于無人機(jī)光電載荷的圖像處理器，該處理器具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2 無人機(jī)載設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)無人機(jī)自身的特點(diǎn)，無人機(jī)載設(shè)備有著與其他載體設(shè)備不同的要求:

(1)無人機(jī)載設(shè)備受到無人機(jī)體積的限制，其線路板的體積、形狀都受到約束;

(2)由于無人機(jī)，特別是小型無人機(jī)的載荷能力有限，要求機(jī)載的任務(wù)載荷重量輕，以便飛機(jī)能夠盡可能多地?cái)y帶任務(wù)載荷。例如EADS公司研制的微型無人機(jī)重量約500 g，攜帶的傳感器重量?jī)H為50 g。美國(guó)陸軍的“烏鴉”無人機(jī)和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的“龍眼”無人機(jī)上的紅外偵查設(shè)備是被稱為“歐米茄”的紅外照相機(jī)，重量不到200 g，功耗 ＜1 W［2］;

(3)無人機(jī)提供的電源功率有限，不能像地面設(shè)備一樣通過市電或者油機(jī)提供大功率電源，因此，要求機(jī)載的任務(wù)載荷功耗低。同時(shí)，無人機(jī)提供的電源范圍較寬，通常要求載荷在(24±10)V的范圍內(nèi)都能夠正常工作［3］。

基于以上的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于 TI的TMS320C6416DSP的小型機(jī)載圖像處理器，系統(tǒng)呈圓形，直徑為 97 mm，重量為 35 g，電源為+12 V～+36 V，功耗＜5 W。

系統(tǒng)采用DSP+FPGA+MCU的構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了從圖像數(shù)據(jù)的采集、處理到輸出的過程。

3 機(jī)載小型圖像處理器的硬件構(gòu)成

針對(duì)機(jī)載圖像數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，采用了美國(guó)TI公司的高速數(shù)字信號(hào)處理器—TMS320C6416為主處理器。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，以現(xiàn)場(chǎng)可編程門列陣器件FPGA作為系統(tǒng)的邏輯控制及時(shí)序處理器，使用MCU單片機(jī)C8051F023芯片作為外圍接口控制處理器，配合以高速的Camera-link視頻解碼、編碼器件等，構(gòu)成了實(shí)時(shí)高速數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。

圖1 DSP圖像處理系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.1 Schematic diagram of hardware for DSP image processing system

系統(tǒng)的工作原理為:Camera-link解碼芯片DS90CR286接收由CCD給出的視頻信號(hào)，經(jīng)過解碼得到圖像信息、采樣時(shí)鐘以及行、幀同步信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)，發(fā)送到FPGA芯片中。FPGA芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的邏輯、時(shí)序控制芯片，不僅控制圖像數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)，負(fù)責(zé)DSP與MCU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)時(shí)序以Camera-link解碼出來的視頻幀同步信號(hào)為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)，這樣，DSP芯片在圖像的采集和處理過程中，不會(huì)被通訊等其它事件所打斷，計(jì)算出來的目標(biāo)位置等信息能夠?qū)崟r(shí)地通過FPGA傳輸給MCU芯片。MCU芯片同樣以幀同步信號(hào)為消息，從FPGA芯片中讀取DSP的信息，同時(shí)，將系統(tǒng)對(duì)外串口得到的消息通過FPGA芯片發(fā)送給DSP。MCU負(fù)責(zé)系統(tǒng)的對(duì)外通訊工作，通過RS422串口芯片實(shí)現(xiàn)與無人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。MCU芯片對(duì)外通訊采用中斷方式，收到外部通訊請(qǐng)求，立即響應(yīng)中斷，確保與系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性;通過FPGA對(duì)內(nèi)通訊，采取查詢方式，在沒有外部通訊中斷的情況下，實(shí)時(shí)查詢幀同步信號(hào)，查詢得到幀同步信號(hào)后，通過FPGA進(jìn)行圖像處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換工作［4］。

圖像數(shù)據(jù)的傳輸過程為:Camera-link解碼芯片將圖像數(shù)據(jù)按照幀同步及采樣時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到FPGA芯片中，F(xiàn)PGA芯片將數(shù)據(jù)分成兩路，一路提供給 DSP，用作圖像處理;另一路發(fā)送給Camera-link編碼芯片。提供給DSP的圖像數(shù)據(jù)，在FPGA芯片內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)雙端口RAM(DPRAM)［5］，將奇數(shù)行與偶數(shù)行的圖像數(shù)據(jù)分別交替寫入兩個(gè)DPRAM中。根據(jù)DSP芯片發(fā)出的指令，F(xiàn)PGA將相應(yīng)區(qū)域圖像的第一行圖像數(shù)據(jù)寫入一個(gè)DPRAM中，然后通知DSP進(jìn)行讀取圖像數(shù)據(jù)，在DSP讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA將下一行的圖像數(shù)據(jù)寫入另一個(gè)DPRAM中，依次交替進(jìn)行乒乓操作［6］。這樣，在可選擇的任意大小范圍內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)依次存入DSP的內(nèi)存中。同時(shí)，F(xiàn)PGA將用于輸出的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到Camera-link編碼芯片DS90CR285中，對(duì)圖像進(jìn)行Camera-link協(xié)議編碼，通過Camera-link接口輸出。

系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是:

(1)DSP處理器在600 MHz時(shí)鐘工作時(shí)，處理能力可達(dá)4 800 MIPS;

(2)DSP外擴(kuò)主頻為166 MHz的SDRAM，SDRAM容量為4 MByte;

(3)DSP 帶 8MBIT FLASH ROM［7］的程序存儲(chǔ)器;

(4)FPGA對(duì)圖像進(jìn)行濾波、邊緣預(yù)處理等工作;

(5)MCU負(fù)責(zé)與外部進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通訊;

(6)具有 JTAG端口，支持實(shí)時(shí)的仿真調(diào)試［8］;

(7)低電平邏輯數(shù)字電路設(shè)計(jì)，降低功耗。

全面采用BGA封裝及小型表貼封裝器件，器件工作的IO電壓全部為3.3 V，減小了PCB尺寸，降低了功耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)兼容性與可靠性。

3.1 TMS320C6416數(shù)字信號(hào)處理器

TMS320C6416是TI公司于2007年推出的TMS320C6000系列處理器中的一款主流圖像處理器，處理器片內(nèi)總線采用的是修正的哈佛總線結(jié)構(gòu)［7，8］。針對(duì)無人機(jī)載設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求，系統(tǒng)選用了TMS320C6416GLZA6E3寬溫處理器，工作溫度為 －40～85℃，時(shí)鐘主頻為600 MHz;采用了C6000系列標(biāo)準(zhǔn)的甚長(zhǎng)指令字(VILW)結(jié)構(gòu)，每個(gè)時(shí)鐘周期可讀取指令總字長(zhǎng)為256 bit。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用DSP片內(nèi)的PLL電路對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行倍頻［8］，采用50 MHz的晶振作為提供給DSP芯片的工作晶振，用片內(nèi)的PLL電路對(duì)50 MHz時(shí)鐘進(jìn)行12倍頻，這樣，避免了高頻晶振及高頻線路引起的電磁兼容問題。TMS320C6416片內(nèi)集成了1M-BYTE的DATA RAM 和 PROGREM RAM［7］。

DSP對(duì)片外存儲(chǔ)器的訪問是通過兩個(gè)外部存儲(chǔ)器接口(EMIFA＆EMIFB)［7］來實(shí)現(xiàn)的。

DSP的EMIF可以擴(kuò)展的存儲(chǔ)器接口包括［5］:

(1)同步突發(fā)靜態(tài)RAM(SBRAM)存儲(chǔ)器;

(2)同步動(dòng)態(tài)RAM(SDRAM)存儲(chǔ)器;

(3)異步存儲(chǔ)器，如 SRAM，F(xiàn)LASH，F(xiàn)IFO等［8］。

選用SDRAM(HY57V653220B)作為 DSP的緩存，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)等的緩存。SDRAM的接口采用DSP芯片提供的無縫接口，接口速度為1/2 CPU CLOCK［9］，占用 DSP 接口的 CE2 空間［9］。

圖像數(shù)據(jù)從FPGA到DSP的傳輸，由EDMA控制寄存器把圖像數(shù)據(jù)以EDMA方式導(dǎo)入DSP中［7］。DSP使用異步存儲(chǔ)器接口與FPGA片內(nèi)的DPRAM相連接，通過EDMA進(jìn)行圖像的導(dǎo)入工作［10］，不占用DSP芯片的CPU資源，而是由EDMA控制器來完成圖像導(dǎo)入的工作，從而將DSP的CPU資源完全用來實(shí)現(xiàn)圖像處理算法［11］。

DSP程序存儲(chǔ)在外擴(kuò)的一片F(xiàn)lash芯片中(ATMEL公司的AM29LV800芯片)，上電復(fù)位時(shí)將程序自舉［12］，導(dǎo)入DSP內(nèi)。系統(tǒng)采用MAP1存儲(chǔ)器映射方式［13］，F(xiàn)lash閃存占用DSP的EMIFB的16 bit接口空間，SDRAM與雙口RAM占用DSP的 EMIFA 的32 bit接口空間［14］。

3.2 邏輯主控FPGA芯片

系統(tǒng)選用的主控邏輯芯片是Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C35F672I8，該芯片的核電壓為1.2 V，IO接口電壓為3.3 V，同時(shí)支持1.5、1.8和2.5 V LVTTL電平的 IO輸入和輸出［8］。低電平的IO電壓為高速信號(hào)傳輸提供了可能，確保了圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性和完整性［2］。采用EPCS4串口ROM芯片作為FPGA的配置芯片，系統(tǒng)上電后，EPCS4芯片將程序自舉加載到FPGA中［9，12］。

3.3 對(duì)外通訊管理芯片MCU

無人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊往往與圖像的幀信號(hào)不同步，而二者都要求實(shí)時(shí)性，因此，圖像處理器在設(shè)計(jì)上選用了Silicon Labs公司的C8051F023單片機(jī)芯片，作為對(duì)外通訊的管理芯片，配合FPGA芯片完成圖像處理器與無人機(jī)系統(tǒng)及圖像處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換。這樣，既保證了圖像處理器與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性，又保證了DSP在圖像處理過程中的連續(xù)性［4］。

C8051F023芯片采用高速的8051μC核，具有很好的兼容性。芯片使用3.3 V電源供電，比傳統(tǒng)5 V供電的單片機(jī)功耗更小。芯片提供內(nèi)置的2～16 MHz可編程時(shí)鐘振蕩器［8］。圖像處理器采用芯片內(nèi)部的16 MHz時(shí)鐘作為芯片的工作時(shí)鐘。芯片內(nèi)部提供4 Kbit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及64 Kbit的Flash程序存儲(chǔ)器。

3.4 上電程序加載與復(fù)位

圖像處理器采用TI公司的TPS3824復(fù)位芯片作為整板的上電復(fù)位芯片。DSP及其程序存儲(chǔ)芯片、MCU芯片和串口芯片等都使用TPS3824復(fù)位信號(hào)。而FPGA芯片因?yàn)椴恍枰獜?fù)位信號(hào)，所以使用 FPGA芯片提供的TPS3824看門狗信號(hào)［12］。

系統(tǒng)的DSP芯片、FPGA芯片以及MCU芯片都需要上電進(jìn)行程序的加載工作。其中，DSP與FPGA芯片從片外的存儲(chǔ)器進(jìn)行程序加載，MCU芯片從芯片內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)空間進(jìn)行程序的加載。這樣，產(chǎn)生了程序加載的時(shí)序問題，即DSP與MCU加載沒有完成，F(xiàn)PGA已經(jīng)加載完畢并發(fā)出了相應(yīng)的初始化的指令;或者DSP加載完畢，而FPGA沒有完成程序的加載，造成DSP與MCU之間的初始化指令不通等故障。為了避免產(chǎn)生加載時(shí)序的問題，圖像處理器在設(shè)計(jì)上選擇了應(yīng)答的模式。FPGA芯片不需要復(fù)位芯片提供的復(fù)位信號(hào)，同時(shí)，F(xiàn)PGA芯片提供給復(fù)位芯片看門狗信號(hào)，也就是說，F(xiàn)PGA不提供看門狗信號(hào)，復(fù)位芯片將會(huì)進(jìn)行圖像處理器系統(tǒng)的復(fù)位［9］。因此，在DSP與 MCU程序設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了應(yīng)答激活模式［13］。FPGA芯片加載完成后，將向DSP芯片與MCU芯片發(fā)出固定地址的高電平信號(hào)。DSP與MCU芯片在程序設(shè)計(jì)的初始化工作完成后，在循環(huán)中等待，讀取相應(yīng)地址的信號(hào)。收到信號(hào)，則證明FPGA芯片已經(jīng)完成初始化，立即向FPGA發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)，可以進(jìn)行圖像處理或者系統(tǒng)通訊。若沒有收到信號(hào)，則表示FPGA芯片初始化沒有完成，DSP與MCU就在循環(huán)中不停地讀取相應(yīng)地址信號(hào)，直至收到FPGA信號(hào)為止。FPGA芯片初始化完成后，發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，然后等待DSP與MCU的應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)，發(fā)送固定電平信號(hào)給復(fù)位芯片的看門狗［15］。若1.6 s內(nèi)仍未得到DSP與MCU的應(yīng)答信號(hào)，則復(fù)位芯片進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，DSP與MCU重新進(jìn)行復(fù)位，程序加載。

4 結(jié)論

本文采用DSP+FPGA+MCU的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并研制了適用于無人機(jī)光電載荷的圖像處理器，與原有的其他機(jī)載圖像處理器系統(tǒng)相比，該處理器具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，整板采用小型、貼片型器件，系統(tǒng)的可靠性高。該處理器已應(yīng)用于無人機(jī)系統(tǒng)中，工作良好，性能可靠，能夠滿足無人機(jī)光電載荷的任務(wù)需要。

［1］石嵐.外軍無人機(jī)光電偵查監(jiān)視載荷研究［J］.紅外與激光工程，2007，36(9):103-106.SHI L.Research on UAV electro-optical reconnaissance and surveillance payloads［J］.Infrared and Laser Eng.，2007，36(9):103-106.(in Chinese)

［2］秦明，朱會(huì)，李國(guó)強(qiáng).軍用無人機(jī)的的發(fā)展趨勢(shì)［J］.飛航導(dǎo)彈，2007(6):36-38.QIN M，ZHU H，LI G Q.The development of UAV［J］.Winged Missiles J.，2007(6):36-38.(in Chinese)

［3］韓冰.戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)的任務(wù)載荷與發(fā)展分析［J］.艦船電子工程，2007，27(3):31-35.HAN B.Load task and development analysis of tactical UAV［J］.Ship Electronic Eng.，2007，27(3):31-35.(in Chinese)

［4］代少升，張新立.利用單片可編程系統(tǒng)對(duì)紅外焦平面陣列進(jìn)行實(shí)時(shí)非均勻性校正［J］.光學(xué)精密工程，2009，17(4):854-858.DAI SH SH，ZHANG X L.Real time nonuniformity correction of infrared focal plane arrays by system on programmable chip［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17(4):854-858.(in Chinese)

［5］劉彬，房建成，劉剛.基于TMS320C6713B+FPGA數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)磁懸浮飛輪主動(dòng)振動(dòng)控制［J］.光學(xué) 精密工程，2009，17(1):151-157.LIU B，F(xiàn)ANG J CH，LIU G.Implementation of active vibration control for magnetically suspended flywheels based on TMS320C6713B+FPGA digital controller［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17(1):151-157.(in Chinese)

［6］陳升來，黃廉卿，郭靜寰.基于整型提升小波變換的圖像處理及DSP實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué) 精密工程，2006，14(3):498-502.CHEN SH L，HUANG L Q，GUO J H.Image processing based on integral lifting scheme and its implementation by DSP［J］.Opt.Precision Eng.，2006，14(3):498-502.(in Chinese)

［7］TMS320C64XX Peripherals Reference Guide［G］.Dallas:Texas Instruments Incorporated，1999.

［8］TMS320C64XX CPU and Instruction Set Reference Guide［G］.Dallas:Texas Instruments Incorporated，1999.

［9］姜培培，裘燕青，傅志輝，等.基于DSP和FPGA的多路型光纖光譜儀系統(tǒng)［J］.光學(xué) 精密工程，2006，14(6):944-948.JIANG P P，QIU Y Q，F(xiàn)U ZH H，et al..DSP and FPGA based multi-channel fiber-optic spectrometer［J］.Opt.Precision Eng.，2006，14(6):944-948.(in Chinese)

［10］王曉東，劉文耀，金月寒，等.基于DSP和CPLD的激光雷達(dá)圖像采集和顯示集成系統(tǒng)［J］.光學(xué) 精密工程，2004，12(2):190-194.WANG X D，LIU W Y，JIN Y H，et al..Laser radar image acquisition and display integrated system based on DSP and CPLD［J］.Opt.Precision Eng.，2004，12(2):190-194.(in Chinese)

［11］許廷發(fā)，趙思宏，周生兵，等.DSP并行系統(tǒng)的并行粒子群優(yōu)化目標(biāo)跟蹤［J］.光學(xué) 精密工程，2009，17(9):236-240.XU T F，ZHAO S H，ZHOU SH B，et al..Particle swarm optimizer tracking based on DSP parallel system［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17(9):236-240.(in Chinese)

［12］代少升，袁祥輝.提高DSP圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的一種有效方法［J］.光學(xué) 精密工程，2003，11(6):617-620.DAI SH SH，YUAN X H.Improvement of DSP image processing real-timeness［J］.Opt.Precision Eng.，2003，11(6):617-620.(in Chinese)

［13］張思芳，李正明.一種實(shí)時(shí)成像跟蹤系統(tǒng)的研究［J］.光學(xué) 精密工程，2002，10(6):573-577.ZHANG S F，LI ZH M.Study of an image tracking system based on DSP［J］.Opt.Precision Eng.，2002，10(6):573-577.(in Chinese)

［14］TMS320C62xx Peripherals Reference Guide［G］.Dallas:Texas Instruments Incorporated，1999.

［15］朱明，魯劍鋒，趙建，等.基于TMS320C6202 DSP的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2003，11(5):497-501.ZHU M，LU J F，ZHAO J，et al..Design of real-time digital image processing system based on digital signal processor TMS320C6202［J］.Opt.Precision Eng.，2003，11(5):497-501.(in Chinese)