基于雙DSP的雷場(chǎng)偵察圖像實(shí)時(shí)壓縮及存儲方法研究

　　l 引言

　　以直升機(有人機或無(wú)人機)為平臺，利用可見(jiàn)光成像和紅外成像傳感器技術(shù)，可以晝夜進(jìn)行遠距離、大面積雷場(chǎng)偵察及其他障礙體系的偵察。當機載雷場(chǎng)偵察系統執行任務(wù)時(shí)，系統對接收的雷場(chǎng)圖像進(jìn)行GPS標定，同時(shí)將標定的圖像實(shí)時(shí)壓縮、存儲和傳輸。該系統具有極高的實(shí)時(shí)性要求。因此，考慮在系統中采用雙DSP和復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心來(lái)構建高速處理體系。一方面，采用雙DSP體系結構可以使系統具備極高的運算處理速度，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，另一方面，CPLD的引入使系統的靈活性得到了很大的提高。將二者結合可使該系統充分體現新一代圖像壓縮系統更快速、更靈活的特點(diǎn)。

　　2 TMS320C62XX系列DSP的特點(diǎn)

　　根據圖像壓縮和存儲系統的特點(diǎn)，采用美國德州儀器(TI)公司的TMS320C62xx系列定點(diǎn)DSP作為核心處理器。其主頻為200 MHz~300 MHz，數據處理能力為1600 MI/s~2400 MI/s。它的主要特點(diǎn)如下：

　　(1)DSP內核采用超長(cháng)指令字(VLIW)體系結構，8個(gè)功能單元共用32個(gè)32 bit通用寄存器，最多可在一個(gè)周期內同時(shí)執行8條32位指令，從而大大提高了程序的執行速度;

　　(2)電路內部集成了l Mbit～7 Mbit片內SRAM，分為內部程序/Cache存儲器和內部數據/Cache存儲器，不存在片內存儲器與外部存儲器的總線(xiàn)競爭和訪(fǎng)問(wèn)速度不匹配問(wèn)題，因此訪(fǎng)問(wèn)速度快，可以充分利用DSP強大的數據處理能力;

　　(3)具有32 bit外部存儲器接口(EMIF)，外部存儲器可尋址空間高達52 MByte?？膳cSDRAM和SBRAM實(shí)現無(wú)縫連接，用于大容量高速存儲。其直接異步存儲器接口可與SRAM和EPROM連接，用于小容量數據存儲和程序存儲。

　　3 系統硬件設計

　　按功能劃分，圖像壓縮及存儲系統包括圖像采集模塊、GPS數據采集模塊、CPLD邏輯控制模塊、雙口RAM+雙DSP圖像處理模塊、圖像實(shí)時(shí)存儲模塊和壓縮數據輸出模塊。

　　為滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求，整個(gè)系統的設計使用3個(gè)DSP，其中1個(gè)用于壓縮數據的實(shí)時(shí)存儲，2個(gè)采用級聯(lián)方式工作的DSP用于雷場(chǎng)圖像的實(shí)時(shí)壓縮和傳輸。系統結構如圖l所示。

　　DSPl接收成像設備產(chǎn)生雷場(chǎng)圖像數據和GPS定位系統產(chǎn)生定位數據，并根據GPS定位數據標定雷場(chǎng)圖像，然后對標定后的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮。DSP2對壓縮后的雷場(chǎng)圖像依次進(jìn)行量化重排、信源編碼和信道編碼，并將編碼后的圖像通過(guò)數傳機發(fā)送到地面。DSP3主要負責控制壓縮數據的實(shí)時(shí)存儲。

　　3.1 圖像采集模塊

　　本系統采用圖1所示的DSPl的EMIF來(lái)實(shí)現與可見(jiàn)光成像傳感器和紅外成像傳感器之間的通信，采集雷場(chǎng)的可見(jiàn)光圖像和紅外圖像信息。由于DSPl的EMIF接口是32位，而圖像數據的輸入字寬為8位，為了充分利用DSP的資源，使系統滿(mǎn)足快速傳輸處理的要求，設計時(shí)在傳感器和DSPl之間使用4個(gè)8位異步FIFO存儲器作為圖像數據的輸入緩沖。FIFO與EMIF之間的硬件接口如圖2所示。

　　圖2中的控制邏輯通過(guò)圖l的CPLDl來(lái)實(shí)現。CPLD1根據系統所需要的時(shí)序，控制產(chǎn)生EMIF的片選信號(CEn)、異步輸出允許信號(AOE)、異步寫(xiě)允許信號(AWE)、異步讀允許信號(ARE)，同時(shí)通過(guò)接收FIFO的空標志(EF)、滿(mǎn)標志(FF)及半滿(mǎn)標志(HF)來(lái)產(chǎn)生DSP的中斷信號(INTx、INTy、INTz)，從而實(shí)現4個(gè)異步FIFO的讀寫(xiě)操作。

　　3.2 GPS數據采集模塊

　　通過(guò)各種光學(xué)設備拍攝到的雷場(chǎng)圖像必須標定上相應的地理坐標信息才能使其具有實(shí)際意義。因此，系統的輸入數據除了雷場(chǎng)圖像數據外還應包含相應的GPS定位數據。

　　由GPS定位系統根據偽距差分定位原理計算出的GPS定位數據按照整秒輸出，輸出接口為RS-232型串行接口。TMS320C62xx系列DSP帶有3個(gè)多通道緩沖串口(McBSP0——McBSP2)，考慮到McB-SP串口的電氣特性與RS-232串口的電氣特性之間存在差異，設計時(shí)在DSPI的McBSP接口上外接1個(gè)RS-232收發(fā)器，以便實(shí)現串口通訊，接收GPS定位數據。

　　3.3 CPLD邏輯控制模塊

　　為了協(xié)調系統中每個(gè)功能獨立的電路高效率工作，使用了2個(gè)復雜可編程邏輯器件(CPLD)控制DSP內部多段內存空間的訪(fǎng)問(wèn)，并管理DSP與雙口RAM和FIFO之間的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序。

　　此外，由于光學(xué)設備的數據輸出字寬為8位、TTL電平，而DSP的EMIF接口是32位、LVTTL電平。因此，CPLD還必須通過(guò)控制相應的接口電路來(lái)解決因光學(xué)設備與DSP之間的接口差異而產(chǎn)生的問(wèn)題，從而保證整個(gè)系統有序、高效的運行。

　　3.4 雙口RAM+雙DSP圖像處理模塊

　　作為圖像壓縮和存儲系統的核心，圖像處理模塊以雙DSP為運算處理核心單元，并輔以雙口RAM實(shí)現2個(gè)DSP之間的高速通信。2個(gè)DSP的外部存儲器接口EMIF與雙口RAM之間的接口設計如圖3所示，圖中的雙口RAM采用的是32位異步RAM。

　　在圖3所示的2個(gè)DSP中，DSPl的功能如下：

　　接收雷場(chǎng)原始圖像數據和GPS定位數據;

　　對雷場(chǎng)圖像數據進(jìn)行GPS標定;

　　通過(guò)EXBUS將GPS標定后的圖像存儲到硬盤(pán)上;

　　使用快速離散余弦變換(FDCT)對GPS標定后的雷場(chǎng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮;

　　將壓縮數據通過(guò)外部存儲器接口EMIF和雙口RAM傳送給DSP2。

　　DSP2的主要功能如下：

　　通過(guò)外部存儲器接口EMlF和雙口RAM接收來(lái)自DSPI的壓縮數據;

　　將壓縮數據量化重排;

　　對量化重排后的壓縮數據進(jìn)行信源和信道編碼;

　　將編碼后的數據通過(guò)數傳設備發(fā)送給接收站。

　　作為2個(gè)DSP之間高速通信橋梁的雙口RAM是一個(gè)共享式多端口存儲器，它配備2套獨立的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制線(xiàn)，允許2個(gè)獨立的DSP同時(shí)異步地訪(fǎng)問(wèn)存儲單元，從而實(shí)現存儲數據的共享，大大提高了2個(gè)DSP之間的通信速度。

　　雙口RAM內部的訪(fǎng)問(wèn)仲裁邏輯通過(guò)控制同一地址單元訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)序、合理分配存儲單元數據塊的訪(fǎng)問(wèn)權限、有序調度信令交換邏輯(例如中斷信號)等手段來(lái)管理2個(gè)DSP對雙口RAM的讀寫(xiě)操作，從而實(shí)現DSPI和DSP2對存儲器內共享數據的有序訪(fǎng)問(wèn)。

　　2個(gè)DSP雖然能通過(guò)雙口RAM進(jìn)行高速通信，但其控制功能不強，因此系統中需要采用如圖1所示的2個(gè)CPLD協(xié)調DSPl和DSP2對雙口RAM中共享數據的訪(fǎng)問(wèn)，從而實(shí)時(shí)快速地實(shí)現雷場(chǎng)圖像數據的標定、壓縮、存儲和傳輸。

　　3.5 圖像存儲模塊

　　原始圖像數據經(jīng)過(guò)GPS標定后進(jìn)行存儲，作為地面接收的雷場(chǎng)圖像數據的備份。由于光學(xué)設備所拍攝的雷場(chǎng)數據具有低空、大速高比、高分辨率的特點(diǎn)，是海量數據，因此，必須使用硬盤(pán)進(jìn)行存儲。為了避免圖l所示的DSPI內部硬件資源發(fā)生沖突，使用DSPI的EXBUS作為圖像存儲數據輸出的接口。

　　經(jīng)過(guò)GPS標定的雷場(chǎng)圖像數據通過(guò)DSPl的EXBUS接口首先輸出到FIFO中緩沖，然后分別通過(guò)DMA控制器和接口控制器將壓縮數據存儲到硬盤(pán)上。對硬盤(pán)的控制采用DSP3和專(zhuān)用SCSl接口控制器來(lái)實(shí)現數據的存儲。EXBUS與異步FIFO之間的硬件接口如圖4所示。

　　3.6 壓縮數據輸出模塊

　　經(jīng)GPS標定的雷場(chǎng)圖像數據在使用特定的算法壓縮后，必須傳送到地面進(jìn)行后期分析處理。壓縮數據經(jīng)過(guò)DSP2編碼后，通過(guò)DSP2的EMIF傳送到FIFO中緩沖，然后通過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)送到數傳設備，傳至地面接收站。FIFO存儲器采用IDT72V06型異步FIFO存儲器，總線(xiàn)驅動(dòng)器采用SGS-THOMSON公司的HC245型總線(xiàn)驅動(dòng)器。

　　4 圖像壓縮算法設計

　　圖像壓縮算法效率的高低直接影響整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性，因此，選用合適的圖像壓縮算法具有至關(guān)重要的意義。

　　該系統采用基于FDCT變換的圖像壓縮算法，該算法能夠在圖像質(zhì)量比較好的情況下取得較高的壓縮比，且計算量適中，能夠滿(mǎn)足圖像實(shí)時(shí)壓縮的要求，其軟件流程如圖5所示。圖5中上部虛框內的算法由DSPl執行，下部虛框中的算法由DSP2執行，中間數據通過(guò)雙口RAM傳遞。

　　由于壓縮過(guò)的數據具有非常低的冗余度，因此在信源編碼時(shí)須適當插入RoI(Restart of Interval)標志，增強壓縮數據的抗誤碼能力，避免發(fā)生誤碼擴散。

　　此外，為提高通信的可靠性，在編碼中還要加入信道編碼?？紤]到卷積碼的前向糾錯能力和實(shí)時(shí)性較好，選擇卷積碼作為信道編碼。從理論上講，卷積碼的約束度越長(cháng)糾錯能力越好，但是約束度越長(cháng)，譯碼時(shí)間也會(huì )相應變長(cháng)。因此，在設計時(shí)必須從實(shí)時(shí)性出發(fā)，選擇合適的卷積碼約束度，從而保證數傳設備的誤碼率糾錯能力能夠滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性、可靠性和抗干擾性要求。

　　5 結束語(yǔ)

　　該系統利用TMS320C62xx系列DSP的快速數據處理能力和雙口RAM的高速數據傳輸能力，對光學(xué)傳感器拍攝到的大面積雷場(chǎng)圖像進(jìn)行快速GPS標定，并對標定后的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮、存儲和傳輸，可滿(mǎn)足機載大面積雷場(chǎng)偵察系統的實(shí)時(shí)性要求。