基于USB 2．0的便攜式紅外目標跟蹤系統設計與實(shí)現

來(lái)自熱像儀的14位差分數字圖像經(jīng)過(guò)電平轉化，通過(guò)FPGA進(jìn)行自適應偏置校正和增益校正拉伸處理后，緩存入FIFO中。當FIFO存滿(mǎn)一幀圖像時(shí)中斷DSP，DSP將圖像數據讀入內部RAM空間進(jìn)行處理。處理完成后，DSP將處理結果以及圖像數據通過(guò)USB總線(xiàn)傳送至主控計算機分系統。同時(shí)，通過(guò)擴展串口與伺服控制分系統、擴展上報接口、激光測距機及慣導陀螺儀接口等外部接口通信。

　　根據信息處理數據量及處理速度的要求，分系統中的DSP采用TI公司的TMS320C6416T，他是專(zhuān)門(mén)針對圖像處理的一款高速定點(diǎn)處理器，其內部有8個(gè)并行的處理單元，體系結構采用超長(cháng)指令字結構(VL1w)，芯片的工作主頻可以達到1 GHz，當片內8個(gè)單元同時(shí)運行時(shí)其最大處理能力可以達到8000 MIPS；FPGA采用Xilinx公司的Virtex一Ⅱ系列，是業(yè)界先進(jìn)的適合數字信號處理應用的FPGA。其強大的可編程功能和內置硬件乘法器為完成一些較復雜的圖像處理操作提供了強大的資源和結構支持，外部大量的I／O管腳使之能夠提供多套數據和地址總線(xiàn)，利用該資源可以完成數據獲取中邊讀邊運算邊存儲的功能，從而大大節省數據訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)問(wèn)。

　　圖4左側為實(shí)時(shí)信息處理板實(shí)物照片，信息處理板尺寸僅為1lO mm×8l mm，內置于右側熱像儀機殼中。

　　在實(shí)時(shí)信息處理機中，DSP軟件需要完成3項任務(wù)：從FIFO中導人圖像數據、按照算法流程對圖像進(jìn)行處理、將處理結果通過(guò)L7SB微控制器傳送給伺服控制及主控計算機如圖5所示。此3項任務(wù)具有一定的獨立性，需要妥善處理以下2個(gè)同步問(wèn)題：

　　首先，來(lái)自熱像儀的圖像幀頻為固定的50幀／s，即相鄰兩幀圖像之間的時(shí)間間隔為20 ms。DSP對圖像的處理時(shí)間因目標類(lèi)型以及背景復雜度不同而略有變化。通常在背景非常復雜、虛警干擾過(guò)多的情況下，DSP處理一幀圖像的時(shí)間會(huì )偶爾超過(guò)20 ms。這種情況出現的時(shí)候，系統的穩定性不應受到影響。

　　另外，此類(lèi)問(wèn)題還存在于DSP處理結果及目標圖像與主控計算機的傳輸中，Windows操作系統的結構和工作方式?jīng)Q定了其實(shí)時(shí)性較差，在該系統中表現為，主控計算機端軟件通過(guò)LISB總線(xiàn)從圖像處理板讀取一幀數據的時(shí)間無(wú)法確定。經(jīng)測試，讀取一幀數據的耗時(shí)最快可小于8 ms，最慢可大于200 ms。因此，在DSP軟件中必須采取措施隔離圖像處理進(jìn)程與USB傳輸進(jìn)程，使USB傳輸超時(shí)不會(huì )影響圖像處理幀頻。除了解決2個(gè)協(xié)同問(wèn)題之外，還必須采取諸多優(yōu)化手段保證DSP對圖像的處理速度。只有經(jīng)過(guò)良好優(yōu)化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源，充分發(fā)揮DSP特有的優(yōu)勢，最大限度地滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求。

4 測試結果

　　本文自研的便攜式紅外自動(dòng)目標檢測跟蹤系統對部分空中目標進(jìn)行了外場(chǎng)聯(lián)調試驗，試驗結果表明，可以對320×256大小的圖像實(shí)現50幀／s的實(shí)時(shí)檢測，能夠實(shí)現對低空目標的自動(dòng)搜索、捕獲與跟蹤，探測到目標后能夠穩定伺服閉環(huán)跟蹤，短暫遮擋目標不丟失，丟失目標后能夠有效地重新捕獲，同時(shí)系統易于便攜機動(dòng)、功耗低，可以有效地應用到預警系統中。