采用雙DSP與CPLD技術(shù)構(gòu)建雷場偵察系統(tǒng)的高速處理體系

1 引言

以直升機(jī)（有人機(jī)或無人機(jī)）為平臺，利用可見光成像和紅外成像傳感器技術(shù)，可以晝夜進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大面積雷場偵察及其他障礙體系的偵察。當(dāng)機(jī)載雷場偵察系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時，系統(tǒng)對接收的雷場圖像進(jìn)行GPS標(biāo)定，同時將標(biāo)定的圖像實(shí)時壓縮、存儲和傳輸。該系統(tǒng)具有極高的實(shí)時性要求。因此，考慮在系統(tǒng)中采用雙DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）為核心來構(gòu)建高速處理體系。一方面，采用雙DSP體系結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)具備極高的運(yùn)算處理速度，滿足實(shí)時性要求，另一方面，CPLD的引入使系統(tǒng)的靈活性得到了很大的提高。將二者結(jié)合可使該系統(tǒng)充分體現(xiàn)新一代圖像壓縮系統(tǒng)更快速、更靈活的特點(diǎn)。

2 TMS320C62XX系列DSP的特點(diǎn)

根據(jù)圖像壓縮和存儲系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理能力為1600 MI/s”2400 MI/s。它的主要特點(diǎn)如下：

（1）DSP內(nèi)核采用超長指令字（VLIW）體系結(jié)構(gòu)，8個功能單元共用32個32 bit通用寄存器，最多可在一個周期內(nèi)同時執(zhí)行8條32位指令，

從而大大提高了程序的執(zhí)行速度；

（2）電路內(nèi)部集成了l Mbit～7 Mbit片內(nèi)SRAM，分為內(nèi)部程序/Cache存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)/Cache存儲器，不存在片內(nèi)存儲器與外部存儲器的總線競爭和訪問速度不匹配問題，因此訪問速度快，可以充分利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)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(dá)52 MByte?？膳cSDRAM和SBRAM實(shí)現(xiàn)無縫連接，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(shù)據(jù)存儲和程序存儲。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按功能劃分，圖像壓縮及存儲系統(tǒng)包括圖像采集模塊、GPS數(shù)據(jù)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)時存儲模塊和壓縮數(shù)據(jù)輸出模塊。

為滿足系統(tǒng)實(shí)時性要求，整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用3個DSP，其中1個用于壓縮數(shù)據(jù)的實(shí)時存儲，2個采用級聯(lián)方式工作的DSP用于雷場圖像的實(shí)時壓縮和傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

DSPl接收成像設(shè)備產(chǎn)生雷場圖像數(shù)據(jù)和GPS定位系統(tǒng)產(chǎn)生定位數(shù)據(jù)，并根據(jù)GPS定位數(shù)據(jù)標(biāo)定雷場圖像，然后對標(biāo)定后的圖像進(jìn)行實(shí)時壓縮。DSP2對壓縮后的雷場圖像依次進(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數(shù)傳機(jī)發(fā)送到地面。DSP3主要負(fù)責(zé)控制壓縮數(shù)據(jù)的實(shí)時存儲。

3.1 圖像采集模塊

本系統(tǒng)采用圖1所示的DSPl的EMIF來實(shí)現(xiàn)與可見光成像傳感器和紅外成像傳感器之間的通信，采集雷場的可見光圖像和紅外圖像信息。由于DSPl的EMIF接口是32位，而圖像數(shù)據(jù)的輸入字寬為8位，為了充分利用DSP的資源，使系統(tǒng)滿足快速傳輸處理的要求，設(shè)計(jì)時在傳感器和DSPl之間使用4個8位異步FIFO存儲器作為圖像數(shù)據(jù)的輸入緩沖。FIFO與EMIF之間的硬件接口如圖2所示。

圖2中的控制邏輯通過圖l的CPLDl來實(shí)現(xiàn)。CPLD1根據(jù)系統(tǒng)所需要的時序，控制產(chǎn)生EMIF的片選信號（CEn）、異步輸出允許信號（AOE）、異步寫允許信號（AWE）、異步讀允許信號（ARE），同時通過接收FIFO的空標(biāo)志（EF）、滿標(biāo)志（FF）及半滿標(biāo)志（HF）來產(chǎn)生DSP的中斷信號（INTx、INTy、INTz），從而實(shí)現(xiàn)4個異步FIFO的讀寫操作。

3.2 GPS數(shù)據(jù)采集模塊

通過各種光學(xué)設(shè)備拍攝到的雷場圖像必須標(biāo)定上相應(yīng)的地理坐標(biāo)信息才能使其具有實(shí)際意義。因此，系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)除了雷場圖像數(shù)據(jù)外還應(yīng)包含相應(yīng)的GPS定位數(shù)據(jù)。

由GPS定位系統(tǒng)根據(jù)偽距差分定位原理計(jì)算出的GPS定位數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)時在DSPI的McBSP接口上外接1個RS-232收發(fā)器，以便實(shí)現(xiàn)串口通訊，接收GPS定位數(shù)據(jù)。

3.3 CPLD邏輯控制模塊

為了協(xié)調(diào)系統(tǒng)中每個功能獨(dú)立的電路高效率工作，使用了2個復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）控制DSP內(nèi)部多段內(nèi)存空間的訪問，并管理DSP與雙口RAM和FIFO之間的訪問時序。

此外，由于光學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)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還必須通過控制相應(yīng)的接口電路來解決因光學(xué)設(shè)備與DSP之間的接口差異而產(chǎn)生的問題，從而保證整個系統(tǒng)有序、高效的運(yùn)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(tǒng)的核心，圖像處理模塊以雙DSP為運(yùn)算處理核心單元，并輔以雙口RAM實(shí)現(xiàn)2個DSP之間的高速通信。2個DSP的外部存儲器接口EMIF與雙口RAM之間的接口設(shè)計(jì)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DSP中，DSPl的功能如下：

接收雷場原始圖像數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)；

對雷場圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS標(biāo)定；

通過EXBUS將GPS標(biāo)定后的圖像存儲到硬盤上；

使用快速離散余弦變換（FDCT）對GPS標(biāo)定后的雷場圖像進(jìn)行實(shí)時壓縮；

將壓縮數(shù)據(jù)通過外部存儲器接口EMIF和雙口RAM傳送給DSP2。

DSP2的主要功能如下：

通過外部存儲器接口EMlF和雙口RAM接收來自DSPI的壓縮數(shù)據(jù)；

將壓縮數(shù)據(jù)量化重排；

對量化重排后的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行信源和信道編碼；

將編碼后的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳設(shè)備發(fā)送給接收站。

作為2個DSP之間高速通信橋梁的雙口RAM是一個共享式多端口存儲器，它配備2套獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，允許2個獨(dú)立的DSP同時異步地訪問存儲單元，從而實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的共享，大大提高了2個DSP之間的通信速

度。

雙口RAM內(nèi)部的訪問仲裁邏輯通過控制同一地址單元訪問的時序、合理分配存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限、有序調(diào)度信令交換邏輯（例如中斷信號）等手段來管理2個DSP對雙口RAM的讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)DSPI和DSP2對存儲器內(nèi)共享數(shù)據(jù)的有序訪問。

2個DSP雖然能通過雙口RAM進(jìn)行高速通信，但其控制功能不強(qiáng)，因此系統(tǒng)中需要采用如圖1所示的2個CPLD協(xié)調(diào)DSPl和DSP2對雙口RAM中共享數(shù)據(jù)的訪問，從而實(shí)時快速地實(shí)現(xiàn)雷場圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)定、壓縮、存儲和傳輸。

3.5 圖像存儲模塊

原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過GPS標(biāo)定后進(jìn)行存儲，作為地面接收的雷場圖像數(shù)據(jù)的備份。由于光學(xué)設(shè)備所拍攝的雷場數(shù)據(jù)具有低空、大速高比、高分辨率的特點(diǎn)，是海量數(shù)據(jù)，因此，必須使用硬盤進(jìn)行存儲。為了避免圖l所示的DSPI內(nèi)部硬件資源發(fā)生沖突，使用DSPI的EXBUS作為圖像存儲數(shù)據(jù)輸出的接口。

經(jīng)過GPS標(biāo)定的雷場圖像數(shù)據(jù)通過DSPl的EXBUS接口首先輸出到FIFO中緩沖，然后分別通過DMA控制器和接口控制器將壓縮數(shù)據(jù)存儲到硬盤上。對硬盤的控制采用DSP3和專用SCSl接口控制器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出模塊

經(jīng)GPS標(biāo)定的雷場圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)經(jīng)過DSP2編碼后，通過DSP2的EMIF傳送到FIFO中緩沖，然后通過總線驅(qū)動送到數(shù)傳設(shè)備，傳至地面接收站。FIFO存儲器采用IDT72V06型異步FIFO存儲器，總線驅(qū)動器采用SGS-THOMSON公司的HC245型總線驅(qū)動器。

4 圖像壓縮算法設(shè)計(jì)

圖像壓縮算法效率的高低直接影響整個系統(tǒng)的實(shí)時性，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(tǒng)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(jì)算量適中，能夠滿足圖像實(shí)時壓縮的要求，其軟件流程如圖5所示。圖5中上部虛框內(nèi)的算法由DSPl執(zhí)行，下部虛框中的算法由DSP2執(zhí)行，中間數(shù)據(jù)通過雙口RAM傳遞。

由于壓縮過的數(shù)據(jù)具有非常低的冗余度，因此在信源編碼時須適當(dāng)插入RoI（Restart of Interval）標(biāo)志，增強(qiáng)壓縮數(shù)據(jù)的抗誤碼能力，避免發(fā)生誤碼擴(kuò)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糾錯能力越好，但是約束度越長，譯碼時間也會相應(yīng)變長。因此，在設(shè)計(jì)時必須從實(shí)時性出發(fā)，選擇合適的卷積碼約束度，從而保證數(shù)傳設(shè)備的誤碼率糾錯能力能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性和抗干擾性要求。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用TMS320C62xx系列DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力和雙口RAM的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，對光學(xué)傳感器拍攝到的大面積雷場圖像進(jìn)行快速GPS標(biāo)定，并對標(biāo)定后的圖像進(jìn)行實(shí)時壓縮、存儲和傳輸，可滿足機(jī)載大面積雷場偵察系統(tǒng)的實(shí)時性要求。