基于TMS320DM642的電視跟蹤系統設計

摘要：結合某電視跟蹤系統的設計， 介紹了其內部集成的通用視頻端口， 研究了它與編碼器/解碼器的無(wú)縫連接的實(shí)現方法， 包括其驅動(dòng)程序的構成特點(diǎn)和在CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境下的封裝形式， 著(zhù)重介紹了標準PAL視頻信號的采集、處理和顯示的一般實(shí)現方法。
關(guān)鍵詞：電視跟蹤；DM642；視頻端口；驅動(dòng)程序
　　
在現代防空火控系統中，搜索、發(fā)現并跟蹤目標是整個(gè)系統的工作基礎，當前最主要的探測偵察手段仍是雷達，但其本身是一個(gè)電磁波發(fā)射源，在獲取目標信息的同時(shí)，也暴露了自己，容易受到反輻射導彈的攻擊，并且，其無(wú)法跟蹤低空目標，存在波瓣觸地、多路徑效應、地物干擾等影響，從而嚴重影響了其功能的正常發(fā)揮。

電視跟蹤系統利用高精度攝像頭獲取目標場(chǎng)景信息，轉化為視頻信號送到監視器，通過(guò)控制臺引導(也可由雷達引導)伺服平臺使目標進(jìn)入捕獲窗內，并對目標進(jìn)行實(shí)時(shí)的捕獲和檢測，獲得目標相對于光軸的俯仰和方位誤差信號，控制伺服平臺的運動(dòng)，從而實(shí)現對目標的跟蹤。電視跟蹤系統具有分辨率高、圖像可見(jiàn)、抗干擾性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在軍事上受到普遍重視， 在防空火控系統中已成為雷達的有力補充。

DSP在視頻、圖像處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用， 特別是嵌入式系統中的應用更是普遍。DM642 (DigitalMedia)是TI公司2003年推出的面向視頻/圖像處理的高性能定點(diǎn)DSP芯片，相對之前的C64x， 其主頻達到500 ～600MHz， 最高可達720MHz，指令執行速度高達4 000～4 800 M IPS，指令集與C64X全面兼容。特別地，它擁有3個(gè)可獨立配置的視頻端口，可獨立配置為視頻采集或顯示端口，均支持多種采集/顯示方案和視頻標準，支持RAW視頻集，可以實(shí)現與一般視頻編/解碼器的無(wú)縫連接，并且視頻信號可以采用EDMA方式快捷地在存儲器與視頻端口之間傳輸。

系統原理與設計

各國早期的或現役的武器系統中的電視跟蹤系統多數功能都由硬件電路實(shí)現，結構復雜，對環(huán)境條件要求高，并且嚴重阻礙了復雜搜索、跟蹤算法的實(shí)現，搜索、跟蹤能力低下，尤其是不適應全空域、多架次多層次的現代空襲戰。隨著(zhù)數字技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，電視跟蹤系統也朝著(zhù)數字化的方向發(fā)展，如圖1。

本數字式電視跟蹤系統采用先進(jìn)的DSP數字處理器，應用模塊化設計思想，不僅整體設計上實(shí)現了模塊化而且系統硬件、軟件的設計方面都采用模塊化思想。整個(gè)系統在硬件上分6個(gè)功能模塊:圖像采集模塊、目標跟蹤和識別模塊、通信控制模塊、伺服控制模塊、字符和信息疊加模塊和電源模塊;軟件從功能上可分為圖像采集模塊、圖像處理模塊、識別跟蹤模塊、顯示控制模塊以及主控模塊等。

電視跟蹤系統主要處理工作由核心處理板完成，處理芯片采用TMS320DM642 DSP，其顯著(zhù)特征是集成視頻輸入輸出端口，分別連接著(zhù)外圍的視頻編/解碼芯片，解碼芯片通過(guò)CCD采集電視信號，對其模數轉換后進(jìn)行跟蹤算法處理，得到目標質(zhì)心對視場(chǎng)中心的偏移量，送往伺服控制模塊，驅動(dòng)云臺轉動(dòng)，實(shí)現自動(dòng)跟蹤。通信控制模塊接受火控計算機輸出的火控系統參量信號，經(jīng)DSP控制完成與視頻信號的疊加。具體疊加信號包括目標高度量、距離量和速度量，以及視場(chǎng)中心十字線(xiàn)，本系統設計中利用一片位于DSP和視頻編碼芯片之間的FPGA完成此疊加功能，由于此部分電路更側重FPGA的功能實(shí)現，所以具體設計本文不再詳述。

DM642視頻端口硬件設計

本系統結合DM642特點(diǎn)，利用兩個(gè)視頻端口分別連接視頻解碼芯片和視頻編碼芯片( Philp公司的SAA7115和SAA7105H) ，直接搭建成視頻采集、顯示通道，對于編/解碼芯片的編程通過(guò)I²C總線(xiàn)進(jìn)行設定，具體技術(shù)可查詢(xún)相關(guān)網(wǎng)站，本文側重說(shuō)明本系統的設計思路。

圖2視頻采集與顯示主要硬件電路

圖2是本系統的視頻采集與顯示的主要硬件電路，由于DM642本身為視頻/圖像處理設計，其內部高度集成了視頻采集單元和顯示單元，支持主流編解碼芯片，有效地簡(jiǎn)化了外圍電路，這里需要說(shuō)明的有：

1)本系統視頻數據輸入采用彩色PAL制式，輸出為黑白PAL制式，中間采用YUV422編碼，數據位為8位。

2)DM642的視頻端口0 (Video Port0)及其配套的控制信號首先經(jīng)過(guò)信號保持及收發(fā)轉換電路，之后連接解碼芯片SAA7115 對應引腳。本系統適用于所有主要的標準合成視頻，通過(guò)I²C總線(xiàn)控制其內部寄存器進(jìn)行功能選擇，具體操作函數封裝于軟件驅動(dòng)部分。

3)DM642的視頻端口2 (Video Port2)被用作視頻顯示，這個(gè)編碼器可以進(jìn)行RGB、HD、NTSC、PAL編碼，通過(guò)編程也可對S端子視頻編碼。其編程也通過(guò)I²C總線(xiàn)進(jìn)行。

4)類(lèi)似解碼電路，DM642視頻端口2可以直接連接編碼芯片， 但本系統編碼顯示電路通過(guò)一片FPGA (XiL inx XC2S300E ) 連接DSP 與編碼器( Philp公司的SAA7105) ， 一方面對待顯的視頻信號疊加字符、波門(mén)等信息， 另一方面用來(lái)對各種控制信號進(jìn)行邏輯處理， 充分利用FPGA空間， 避免了額外的邏輯控制電路。

5)DM642視頻端口控制信號與編碼解碼芯片控制信號主要有行同步、場(chǎng)同步和時(shí)鐘信號，特別是注意保證視頻信號的33Ω匹配電阻。

DM642視頻操作的軟件設計

考慮到通用性和兼容性，在本系統中DM642的視頻端口部分的驅動(dòng)程序分為兩個(gè)部分：針對視頻端口的通用驅動(dòng)部分和針對視頻處理外設的專(zhuān)用驅動(dòng)部分。前者對于固定型號的DSP是固定的，由TI公司提供，用戶(hù)不需要改動(dòng);后者則取決于與用戶(hù)設計的視頻外設，一般只與外設硬件相關(guān)，其相關(guān)參數、函數由用戶(hù)封裝。兩者通過(guò)DSP內部的擴展設備控制器(EDC)連接為一體，共同負責視頻信號的采集、傳輸、處理。

對于TI的DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS而言，上述兩部分驅動(dòng)可被進(jìn)一步封裝成為FV ID ( frame video)驅動(dòng)模型，它作為一種針對視頻端口操作的通用I/O模型，主要包含下列兩大類(lèi)函數模型：

1)通用驅動(dòng)部分，主要完成DSP芯片對其視頻端口的配置讀寫(xiě)等操作。主要分為整體端口配置、單個(gè)采集/顯示通道配置、視頻端口中斷配置幾類(lèi)，其參數類(lèi)型存儲于Vport. h、VportCap. h、VportDis.h、Vport. h中的對應結構體中，用戶(hù)開(kāi)發(fā)程序中可參考文獻[1 ]選取恰當的參數。

2)專(zhuān)用驅動(dòng)部分，主要任務(wù)是視頻編碼/解碼芯片的初始化操作和工作模式選擇，例如，本系統采用PHILP公司的SAA7105、SAA7115 作為視頻編碼/解碼器，就需要對其編碼/解碼格式、緩存方式等方面進(jìn)行設置，一般將其配置參數定義結構體，以供工程中調用，由于擴展設備控制器將通用驅動(dòng)部分封裝為一系列AP I接口，可供用戶(hù)編寫(xiě)專(zhuān)用驅動(dòng)部分時(shí)調用，主要AP I信息存儲于EDC. h中，詳細資料可查閱TI網(wǎng)站，筆者則是側重說(shuō)明DM642EVM中視頻信號采集和顯示的方法。為了完成視頻流建立、管理，主要工作如圖3所示。

圖3 視頻信號流的建立和管理

1)在系統配置文件(B IOS配置文件cdb)中定義視頻端口的共有屬性，根據需要分別建立編碼通道、解碼通道，指定各個(gè)通道工作參數，具體參數類(lèi)型見(jiàn)Vport Cap. h和Vport Dis. h。

2)由于EVM已經(jīng)將視頻外設驅動(dòng)(專(zhuān)用驅動(dòng)部分)封裝到FV ID庫，用戶(hù)只需要參照saa7105. h，saa71105. h中的結構體，為各個(gè)視頻外設建立參數對象(類(lèi)似VC + +中的類(lèi)的對象) ，使之以選定的模式工作。

3)在CCS工程執行函數中，設置視頻采集和顯示的觸發(fā)方式。一般視頻采集使用中斷方式，采集通道的緩存區飽和后發(fā)出中斷請求，視頻顯示觸發(fā)一般采用默認方式。

4)在響應函數里，首先將其緩存指針切換到備用緩存，然后對當前數據區進(jìn)行處理，特別的，對于
PAL制式視頻，采集程序自動(dòng)對奇偶場(chǎng)象素重新排序，一維緩存數據序列直接對應視頻左上至右下逐行排列的象素值，單個(gè)象素值是一個(gè)結構體對象，包含其所有顏色特征，便于圖像處理函數讀取。之后將處理結果寫(xiě)入顯示通道的緩存區，寫(xiě)入完畢，切換顯示通道的緩存區到備用緩存，啟動(dòng)顯示任務(wù)后，顯示編碼電路自動(dòng)讀取其緩存區，按照設定的模式編碼輸出。

結束語(yǔ)

TMS320DM642是面向視頻/圖像處理的高性能定點(diǎn)DSP芯片，其硬件設計及軟件構建都符合視頻/圖像領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)化需求，其本身及其后續型號在這一領(lǐng)域具有很廣泛的的應用前景。筆者結合某電視跟蹤系統的設計，著(zhù)重研究了其視頻端口相關(guān)軟硬件的原理及實(shí)現方法，為開(kāi)發(fā)其它視頻/圖像處理系統提供軟件開(kāi)發(fā)和硬件電路設計的參考，特別是制式電視信號流的建立、管理方法，經(jīng)過(guò)設計、調試，順利實(shí)現了標準制式電視( PAL， NTSC)的采集、緩存、處理及顯示，實(shí)驗結果證明該方法切實(shí)可行，系統運行穩定。

本系統設計存在的問(wèn)題主要是開(kāi)發(fā)環(huán)境的C語(yǔ)言編譯器優(yōu)化效率十分低下，雖然匯編語(yǔ)言編寫(xiě)困難，可讀性及可維護性較差，但為了保證復雜處理算法的執行速度，下一步需要對部分核心程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。

參考文獻：
[1 ] Texas Insruments. TMS320DM642 video / imaging fixed - point digital signal p rocessor [ Z ]. Texas Insruments Incorporated， 2003.