摘 要： 紅外成像導引頭集光機電于一身，設計難度大、研制周期長。為了縮短導引頭研制周期、降低開發成本，提出一種通用的信息處理平臺方案。本方案采用FPGA+DSP架構，有較強的通用性，易于維護和擴展，可以在原理樣機階段迅速搭建硬件平臺，用于系統驗證和彈載軟件調試，并為后續的產品研制提供有力支持。
關鍵詞： 紅外成像導引頭；通用信息處理平臺；實時圖像處理；FPGA+DSP架構
紅外成像導引頭是第四代紅外型空空導彈的標志，具有作用距離遠、抗干擾能力強、導引精度高、可自動識別目標和區分多目標、準全天候工作等顯著優點[1]。根據紅外探測器的不同，紅外成像導引頭又可分為線列掃描成像導引頭、凝視焦平面成像導引頭、雙色（多色）焦平面成像導引頭。為了與探測器配套，需要設計不同的信息處理平臺。隨著技術的不斷發展，信息處理平臺在功能上越來越復雜，集成化程度越來越高，而要求產品的研發周期卻大大縮短，更新速度加快。為了解決這一矛盾，本文提出一種通用的信息處理平臺方案，在產品初期利用通用信息處理平臺迅速搭建，用于系統驗證和彈載軟件調試，并為后期的產品硬件研制提供有力借鑒。
1 通用信息處理平臺特征分析[2-4]
無論是哪一種紅外成像導引頭，信息處理平臺都具有如下功能：高速圖像信號采集、圖像預處理、圖像處理、與外部系統通信、視頻圖像輸出、時鐘管理及時序控制等。功能組成如圖1所示。
1.1 高速圖像信號采集
高速圖像信號采集是對從前置放大器輸出的視頻信號進行A/D采樣，把模擬視頻信號轉換為數字視頻信號。由于視頻輸出信號電壓范圍未知，因此在A/D采樣前還需要一個放大倍數可調的調理電路。紅外成像導引頭的探測靈敏度高、幀頻高(達到100 Hz以上)、視頻傳輸數據量大，因此要求AD轉換器精度高、速度快、通道一致性好。這部分是模擬數字混合部分，因此在電源供電、元器件布局布線上要進行低噪聲設計。
1.2 圖像預處理
圖像預處理包括非均勻校正、圖像重構、圖像濾波、圖像穩像等。非均勻校正是指由于探測器本身的固有缺陷，使得從前置放大器輸出的視頻信號出現了不均勻性，為了防止系統成像質量變差而對視頻數據進行的處理。圖像重構是指對掃描成像來說，輸出的信號不是逐行順序輸出，需要對得到的視頻數據進行重新排序才能得到一幅正確圖像。圖像濾波指的是利用高通濾波和中值濾波等算法簡單、數據處理吞吐量大的算法對視頻數據進行處理，提高圖像質量。圖像穩像是指探測器固連在彈體上，探測器在飛行過程中有一繞其光軸的旋轉及偏航與俯仰方向的抖動，使視場中同一目標落在圖像序列的相鄰幀圖像的不同位置上，為了防止圖像成像質量變差而對視頻數據進行的處理。圖像預處理的特點是處理速度快、數據吞吐量大、可重構性強。
1.3 圖像處理
圖像處理包括目標檢測與跟蹤、目標誤差信號輸出、抗人工干擾、抗誘餌干擾等。圖像處理的特點是算法邏輯比較復雜，需要對整幅圖像或幾幅圖像的潛在目標進行標識、抽取、判斷，因此適于用高級語言進行描述。
1.4 與外部系統通信
與外部系統通信主要包括與導引頭伺服控制系統的通信、與導彈其他部件（飛控、引信等）的通信等。要求在通信過程中互不干擾，通信速度快，數據量相對較小。
1.5 視頻圖像輸出
視頻圖像輸出的主要作用是在調試過程中，把原始視頻圖像和處理后的圖像實時傳送給顯示裝置，供調試人員觀看。顯示裝置一般為工業顯示器，視頻圖像輸出的另外一個作用是傳送給遙測部件作為遙測數據供技術人員分析。視頻圖像輸出的特點是數據傳輸速度快，可重構性強。
1.6 時鐘管理及時序控制
不同的探測器需要不同的時鐘，探測器及讀出電路、前置放大器和信息處理平臺之間都需要同步時序控制。前置放大器內的背景抑制電路也需要信息處理平臺提供同步時序，這些都是時鐘管理及時序控制的主要功能，其特點是嚴格要求各部分時序同步、可重構性強。
2 通用信息處理平臺方案
根據對通用信息處理平臺的特征分析，提出一種通用信息處理平臺方案，其功能組成如圖2所示。
本方案采用FPGA+DSP的設計框架[5-7]，外圍增加調理電路、A/D裝換器、PROM、SBSRAM、DPRAM、FLASH、電源及電源濾波電路等。FPGA+DSP架構最大的特點是結構靈活、設計難度不大、有較強的通用性、適于模塊化設計，從而能有效地提高算法效率。其開發周期較短，系統易于維護和擴展，適合于實時信號處理。圖像預處理操作過程確定、邏輯處理明確、運算量大而算法相對簡單，具有確定的處理時間和穩定的數據通過量，因此采用FPGA實現。時鐘管理及時序控制和視頻圖像輸出可重構性強，因此也用FPGA實現。圖像處理涉及到大量復雜的計算過程，采用DSP十分有效。利用DSP外接DPRAM和串口實現與外部系統通信。
2.1 主要器件選型
為了減少傳輸干擾，從前置放大器出來的視頻信號一般采用差分信號傳給調理電路，因此調理電路中的運放也選用差分運放，型號為AD8138，具有寬帶寬、高壓擺率、低噪聲、低諧波失真、放大倍數可調的特點。成像導引頭為了提高探測靈敏度要求A/D轉換器至少10 bit，視頻帶寬一般為5 MHz，因此選用AD9240。它是單路14 bit、10 MS/s的高速AD轉換器，完全可以滿足需要。成像導引頭一般需要2個高速數據采集通道，因此把調理電路和A/D轉換器都設計為兩路。
DSP選用TI公司的TMS320C6414工業級芯片。它的主要特點[8，9]是：(1)最高時鐘頻率600 MHz，處理速度4 800 MIPS；(b)并行處理速度高，采用改進的VLIW（超長指令字）結構，CPU包含64個32位的通用寄存器和8個功能單元；(3)片內存儲器大，容量為1 056 KB，可構成兩級Cache結構（包括程序Cache和數據Cache）；(4)豐富的外部接口，包括2個外部存儲器接口，1個64 bit寬（EMIFA），1個16 bit寬（EMIFB）。支持與同步存儲器(SDRAM，SBSRAM，ZBTSRAM)和非同步存儲器(SRAM，EPROM，FLASH等)的無縫接口，3個多通道緩沖串行口（McBSP），32/16 bit主機接口（HPI）。因此可以很好地滿足圖像處理算法的復雜性、實時性和靈活性要求。DSP外圍連接了SBSRAM、FLASH、DPRAM。SBSRAM是為了擴充C64的存儲空間，可選用GS84032AT，存取速度最大為200 MHz；Flash用于固化C64的程序和引導啟動，選用SST39VF080；DPRAM用于和導彈其他部件通信，數據量小，速度要求不高，可選用IDT71V30，存儲容量是1k×8 bit。
FPGA選用Xilinx的Virtex-4系列中的XC4VLX60。它的主要特點[10]是：(1)時鐘頻率可高達500 MHz，內部資源豐富；(2)I/O接口能力強，支持多種單端和差分接口標準；(3)片內數字化阻抗匹配(DCI技術)和可編程的輸出電流(2 mA～24 mA)大大降低了信號完整性問題。FPGA外圍接一個標準PROM，用于固化FPGA程序，選用XCF32P。
電源及電源濾波部分主要是為信息處理平臺提供各種電壓的電源。對于數字部分，由于功率較大，可選用開關電源模塊；對于模擬部分，應盡可能用線性電源，并采用LC、磁珠等多種濾波方式濾波。
2.2 硬件接口連接
FPGA到DSP的圖像數據傳送采用DSP的HPI端口，傳送的時序和速度完全由FPGA控制，圖像可以采用每行中斷一次的方式，也可以通過每幀中斷一次的方式通知DSP數據傳送的進度，以便DSP啟動圖像處理的進程。采用HPI的好處是FPGA完全控制，避免了DSP的參與，減少了DSP的工作量，數據直接傳送到DSP的片內存儲器，既省略了片外雙端口存儲器，又省略了DSP將數據從片外讀入片內的過程，是圖像數據傳送的最佳選擇。
DSP對FPGA控制通過FPGA內的映射存儲器實現。在FPGA內部的邏輯設計中設計若干控制寄存器，這些寄存器通過DSP的數據總線和地址總線映射在DSP的地址空間，從而使DSP可以訪問這些寄存器。DSP對FPGA的控制主要包括：(1)FPGA的功能控制，例如圖像濾波功能和圖像匹配功能，這些模塊應該是可選的模塊，DSP可以根據算法的要求打開或關閉這些模塊。(2)參數的設置，DSP可以對非均勻性校正的系數、濾波的相關參數和圖像匹配的參數進行設置。(3)可以讀取前端系統的一些信息，例如探測器溫度傳感器的信息。
FPGA內部有一個DPRAM，它接在DSP的外部地址空間，用于非均勻校正系數的傳輸。上電后，DSP把非均勻校正系數從FLASH中取出，傳遞給FPGA內部的DPRAM。
DSP的一個McBSP端口通過接插件與導引頭伺服控制系統相連實現通信功能，向伺服控制系統發送圖像跟蹤的誤差信號和部分參數。
FPGA的視頻圖像輸出口可以采用多種接口標準傳輸，不需要增加接口芯片。為了實現高速高質量的視頻圖像傳輸，采用基于LVDS的電平接口協議，設計的傳輸速度為40 Mb/s，傳輸媒體為三對5類雙絞線，分別為時鐘信號、字同步信號和數據信號，全部由FPGA負責輸出。
通用信息處理平臺原理框圖如圖3所示。
2.3 上電工作過程
通用信息處理平臺的上電工作過程是：上電后DSP和FPGA單獨完成配置，FPGA配置速度較快，配置完畢后等待DSP；DSP完成啟動引導后從FLASH取出非均勻校正系數，傳遞給FPGA內部的DPRAM，傳輸完畢后給FPGA一個已完成信號；FPGA接到信號后立即開始控制視頻信號的采集、圖像預處理等工作，并把處理后的視頻數據通過HPI口直接寫入DSP的存儲區。DSP接收完1行或1幀數據后就開始圖像處理的進程，并在每幀結束前完成與導引頭伺服控制系統的通信以及與導彈其他部件(飛控、引信等)的通信。
本文設計的紅外成像導引頭通用信息處理平臺硬件結構采用FPGA+DSP架構，運行速度高，可重構性好，在樣機開發階段不必研制新硬件，只需修改FPGA程序就可以完成系統驗證和彈載軟件調試，加快了研制周期，對整個樣機研制有很好的促進作用。
參考文獻
[1] 鄭志偉，白曉東，胡功銜，等.空空導彈紅外導引系統設計[M].北京：國防工業出版社，2007.
[2] 郭棟，王志良，李正熙，等.基于DSP的實時圖像處理系統[J].微計算機信息，2005，(3).
[3] 伍乾永，陳彬.基于FPGA的實時圖像數據采集模塊設 計[J].微電子學，2008(3).
[4] 黃飛，于慧敏，楊少林.基于DM642的紅外圖像實時處理系統的設計[J].電路與系統學報，2008(3).
[5] 應家駒，何永強.基于DSP和FPGA的超大視場紅外目標檢測圖像處理系統設計[J].微計算機信息，2006(3).
[6] 潘小冬，陳澤祥，高升久，等.FPGA+DSP的紅外圖像數據采集與顯示[J].紅外與激光工程，2007(6).
[7] 邱祖全.基于DSP+FPGA的紅外視頻實時處理系統[J]. 激光與紅外，2007(5).
[8] 李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理與應用(第二版)[M].北京：電子工業出版社，2003.
[9] TMS320C6414，TMS320C6415，TMS320C6416 fixed-point digital signal processors[Z].TI Inc，2005.
[10] Virtex-4用戶指南[Z].XILINX，2007.