基于VGA接口的液晶顯示屏空中目標(biāo)模擬器

李鵬飛，許金凱，韓文波，宋鴻飛

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

1 引 言

當(dāng)前，以光學(xué)觀測技術(shù)觀測空中目標(biāo)的平臺一般都由觀測系統(tǒng)和目標(biāo)模擬器組成，為了測試觀測效果，通常都需要到室外進行實際觀測，這樣做雖具有良好的效果，但使用成本很高，觀測的難度很大，且目標(biāo)模擬器特性單一，不利于測試更多的系統(tǒng)參數(shù)。

基于以上原因，本文利用Samsung公司的S3C2440處理器設(shè)計了一套基于VGA接口液晶顯示屏的通用空中目標(biāo)模擬平臺［1－5］。該平臺適用于各種光學(xué)觀測空中目標(biāo)的場合，由S3C2440處理器、TFT液晶屏、四線電阻觸摸屏、ADI公司的視頻D／A芯片ADV7120和VGA接口組成。在使用時可以根據(jù)開發(fā)者的需要自行設(shè)計目標(biāo)的原始樣式（比如飛機、導(dǎo)彈等），并把該原始樣式以圖像的方式燒寫到S3C2440處理器的FLASH存儲器中，然后通過主控端觸屏設(shè)置目標(biāo)的高度、距離、速度、大氣密度變化、運行方式的參數(shù)，即可生成該目標(biāo)樣式的模擬運動形態(tài)，并通過VGA接口傳遞給大型液晶顯示屏，光學(xué)觀測系統(tǒng)只要對著顯示端就可以模擬的觀察目標(biāo)，與傳統(tǒng)的室外實測觀察相比具有使用簡單、成本低、重復(fù)性好、且可隨意修改觀察目標(biāo)的優(yōu)點。

2 總體設(shè)計

圖1 總體硬件設(shè)計Fig.1 Design of overall hardware

通用目標(biāo)模擬器平臺的硬件部分由微處理器S3C2440、分辨率480×272的TFT液晶顯示屏、4線電阻觸屏、NAND FLASH 存儲 器和ADV7120視頻 D／A 轉(zhuǎn)換器組成［6－11］?？傮w硬件設(shè)計如圖1所示。

圖中S3C2440處理器內(nèi)部集成了觸屏驅(qū)動接口、TFT液晶屏驅(qū)動接口、NAND FLASH驅(qū)動接口和JATG接口，因此平臺只需要設(shè)計VGA接口驅(qū)動就可以。

平臺的軟件程序流程如圖2所示。

在程序中首先要輸入目標(biāo)的原始高度、原始距離、原始速度、大氣密度變化、運行方式等參數(shù)，當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)會每隔10ms計算一個時間單位內(nèi)的模擬目標(biāo)，計算要依據(jù)設(shè)置的參數(shù)，首先算出目標(biāo)在當(dāng)前時間單位內(nèi)的“空間位置”，依據(jù)空間距離與空中目標(biāo)能量（面積）的反比關(guān)系，形成目標(biāo)的“觀察面積”，然后把“空間位置”轉(zhuǎn)換成屏幕平面上的“顯示位置”；接著計算當(dāng)前時間單位內(nèi)的“大氣密度”，依據(jù)大氣密度與空中目標(biāo)能量分布（邊界模糊）的對應(yīng)關(guān)系，形成目標(biāo)的“模糊分布”，綜合這兩種因素，就會形成在屏幕平面上顯示的模擬空中目標(biāo)。

3 VGA接口驅(qū)動設(shè)計

VGA（Video Graphics Arrnay）接口是IBM公司提出的應(yīng)用于PC的顯示接口。該由于該接口具有顯示速率快、分辨率高、顏色豐富等優(yōu)點，目前仍然廣泛存在于彩色顯示器領(lǐng)域。VGA接口一般為DB15型的插座，其引腳定義如表1所示。

表1 VGA接口引腳說明Tab.1 Introducing of VGA interface

VGA接口使用的是模擬RGB信號通道，關(guān)鍵信號有5個，分別是紅色模擬信號、綠色模擬信號、籃色模擬信號、水平同步信號、垂直同步信號。圖像形成方式為逐點逐行掃描，從左至右，從上而下的進行掃描，每行結(jié)束時，用水平同步信號進行同步。掃描完所有的行后用垂直同步信號進行場同步。

由于S3C2440自帶的液晶顯示屏驅(qū)動模塊，通過芯片手冊比較VGA接口時序和S3C2440自帶的液晶顯示屏驅(qū)動的掃描時序，可以發(fā)現(xiàn)兩者相似度很高。但是S3C2440自帶的液晶顯示屏驅(qū)動控制器輸出的是RGB數(shù)字信號，而VGA接口輸出的是紅綠藍(lán)模擬信號，因此需要通過D／A轉(zhuǎn)換來完成兩者的匹配，為滿足真彩色（3個色彩通道共24位）的要求，需要單個通道達(dá)到8位的轉(zhuǎn)換精度；為滿足幀頻的要求，單個像素點的掃描時鐘頻率必須大于27MHz；而且必須保證至少有3個通道同時轉(zhuǎn)換，以滿足紅綠藍(lán)（RGB）3路信號的同時輸出。為滿足以上要求，本平臺采用ADI公司的視頻D／A芯片ADV7120。該芯片的像素掃描時鐘頻率有30、50、80MHz 3種等級，并集成了3路獨立的8位高速D／A轉(zhuǎn)換器，可以同時處理紅、綠、藍(lán)3路視頻數(shù)據(jù)，滿足了本平臺對高分辨率模擬接口時序的需要，具體的電路連接方式如圖3所示。

圖3 S3C2440與ADV7120的連接原理圖Fig.3 Uncorrected correspondence between the LCD screen and touch screen

平臺不需要額外編寫VGA接口驅(qū)動程序，只是利用S3C2440自帶的液晶顯示屏驅(qū)動模塊就可以實現(xiàn)VGA視頻的輸出。

4 算法設(shè)計

平臺算法設(shè)計主要是空中目標(biāo)實時更新模擬算法，也就是把給定的目標(biāo)通過計算在大屏幕平面上顯示出來，包括目標(biāo)的位置、面積和能量分布三部分。

4.1 模擬目標(biāo)的顯示位置與面積

計算目標(biāo)在屏幕上的顯示位置需要參考目標(biāo)的高度和運行軌跡，其計算公式如下：

而目標(biāo)在屏幕上的面積大小與目標(biāo)到觀察設(shè)備的“實際距離”有關(guān)，經(jīng)過多次實驗總結(jié)了如下的經(jīng)驗公式：

式中：S0為原始面積，r0是原始直線距離，rd當(dāng)前時刻的直線距離，k是經(jīng)驗常數(shù)，其值在0.8～0.9，該公式體現(xiàn)了“目標(biāo)面積與直線距離成反比”的規(guī)律，即觀察設(shè)備與目標(biāo)的直線距離減半，則目標(biāo)的面積加倍，原理如圖4所示，具有較好的實現(xiàn)效果。

直線距離的計算需要利用目標(biāo)當(dāng)前的高度和距離，由于目標(biāo)是運動的，就需要參考原始距離、原始高度、速度曲線和運行軌跡幾個方面的因素，這里面假定目標(biāo)是由遠(yuǎn)到近，當(dāng)算出目標(biāo)的直線距離后，參照目標(biāo)的原始距離，計算出目標(biāo)圖像的放大倍率，以目標(biāo)顯示位置處的中心點為核心，按照目標(biāo)與背景區(qū)域的邊界形狀保持目標(biāo)有效像素的同步生長，生長的比例與放大倍率相同。

圖4 目標(biāo)面積計算的原理Fig.4 Numeration principle for target area value

4.2 模擬目標(biāo)的能量分布

模擬目標(biāo)在屏幕上顯示的能量分布（模糊程度）與當(dāng)前時刻的的大氣密度參數(shù)有關(guān)，大氣密度與大氣湍流的關(guān)系密切，涉及密度、溫度、濕度、風(fēng)速等，計算非常復(fù)雜，為了簡化設(shè)計，提高圖像處理的實時性，本平臺在大氣湍流理論的基礎(chǔ)上進行了簡化，提出了“大氣密度－目標(biāo)像素灰度梯度均勻模糊算法”，其計算公式如下式：

式中：r0是原始直線距離，rd當(dāng)前時刻的直線距離，g0是原始大氣密度，g（t）當(dāng)前時刻的大氣密度，該公式體現(xiàn)了目標(biāo)模糊灰度梯度隨著距離變小而減小，隨著大氣密度的變小而減小的規(guī)律，在確定目標(biāo)的顯示面積后，計算目標(biāo)當(dāng)前位置的目標(biāo)模糊灰度梯度，從目標(biāo)中心位置開始以目標(biāo)模糊灰度梯度進行灰度遞減，直到目標(biāo)的邊界，效果如圖5所示。

圖5 原始目標(biāo)按灰度梯度模糊的效果Fig.5 Original target by shades of gray blur effect

在計算完成目標(biāo)顯示位置，目標(biāo)面積大小，并完成目標(biāo)模糊后，就把目標(biāo)顯示在大屏幕上，這時檢測觀測設(shè)備電機的伺服性能，即觀測設(shè)備能否有效的始終緊跟目標(biāo)，讓目標(biāo)出現(xiàn)在觀測設(shè)備中。

5 系統(tǒng)實測

為了檢測設(shè)計是否有效，對系統(tǒng)進行了實測。觀測平臺如圖6所示，主控端參數(shù)設(shè)置如圖7所示，液晶顯示屏顯示效果如圖8所示。

圖6 觀測平臺Fig.6 Observation platform

圖7 主控端參數(shù)設(shè)置過程Fig.7 Remote parameter setting process

圖7（a）表示主控端的初始界面，當(dāng)點擊“箭頭”按鍵后，主控端進入圖7（b）界面，當(dāng)設(shè)置好大氣密度、原始高度、原始距離后，點擊“箭頭”按鍵進入圖7（c）界面，當(dāng)設(shè)置好速度曲線和軌跡曲線后，點擊“箭頭”按鍵進入大屏幕顯示狀態(tài)。圖8（a）是初始顯示的空中目標(biāo)，圖8（b）是5min后顯示的空中目標(biāo)，可以看出，目標(biāo)更大，打在大氣密度的影響下出現(xiàn)了一定的虛化。

圖8 液晶顯示屏顯示效果Fig.8 LCD display

6 結(jié) 論

實驗證明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于VGA接口液晶顯示屏的通用空中目標(biāo)模擬器解決方案，系統(tǒng)采用S3C2440處理器驅(qū)動觸摸屏，TFT液晶屏和ADV7120，結(jié)合空中目標(biāo)實時更新模擬算法，并可以根據(jù)需要任意修改模擬的觀察目標(biāo)，通過仿真調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)大量的問題，測試更方便，等問題調(diào)試完畢后再進行室外實測，可以適用于多種仿真觀測場合，與傳統(tǒng)的野外實測相比實驗成本降低了90%以上，同時具有測試簡單、可隨意修改觀察目標(biāo)和實驗重復(fù)性好的優(yōu)點。

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