（通信与信息系统专业论文）红外动目标识别跟踪系统dspfpga硬件设计与实现.pdf

uf 拙 学删! | j 位论义：摘韭 摘要 视频目标识别与跟踪技术是当今世界重要的研究课题，它涉及图像处理、 自动控制、计算机应用等学科，广泛应用于军民用领域的各个方面：预警、火 控、制导、基于内容分割与检索的图像压缩等。 本文主要论述该项目的具体实现及相关理论分析，重点在于该系统的硬件 模块实现及分析。该系统的硬件模块是典型的高速数字电路，这也是当今世界 电路设计的一大热点。同时，本系统的硬件模块不嗣于传统的模拟、数字电路。 严格的说它是基于可编程芯片的系统( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 。它与 传统电路的最大不同在于，硬件模块本身不具备任何功能，但该硬件模块可以 与相应的软件结合( 此处，我们将f p g a 中的可编程指令也广义的归八软件范 畴) ，实现相应的功能。换言之，该硬件模块通过换用其他软件，可以实现其他 功能。所以从这个意义上讲，我们也可以将其称为基于可编程芯片的通用平台 系统( g e n e r a ls y s t e m 。np r o g r a m m a b l ec h i p ) 。 此外，本文还对该系统进行了尝试性的层状结构描述，这种描述同样适用 于其它i t 目的或电子系统。本文的目的，是为了更好的分析、总结系统设计、 调试、支持及维护的经验教训。系统设计其实有共通的东西存在，但这种共通 性又常为其多样性、复杂性所掩盖，使设计者们容易进行就事论事的分析、总 结，也就是往往只针对某一个系统进行分析，甚至只对己设计系统所暴露的缺 陷做补救，而疏于分析系统的其它可能的方案及其优劣。有鉴于此，本文对此 进行了尝试，希望能起到抛砖引玉的作用。 关键字：识别与跟踪、硬件设计、硬件层状结构、电磁兼容、 可靠性、余度设计 拈i j 姐 【也于车= 披人学蟛! l ：学位恐史= 捅监 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo f v i d e ot a r g e td e t e c t i o na n dt r a c k i n gi sav e r yi m p o r t a n tf i e l di n m o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i ti n v o l v e si m a g ep r o c e s s i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o la n d c o m p u t e ra p p l i c a t i o n ，a n ds oo n i ti sw i d e l yu s e di nc i v i la n dm i l i t a r ya f f a i r s ，f o r e x a m p l e ，a d v a n c ew a r n i n g ，w e a p o n c o n t r o l ，v i d e o c o m p r e s s i o nb y c o n t e n t s s e g m e n t a t i o na n dc o n t e n t sr e t r i e v a l ，a n ds oo n t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sr e a l i z a t i o no ft h ep r o j e c ta n dr e l e v a n tt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h em a i nf o c u si so nt h eh a r d w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n t h eh a r d w a r e u n i ti s t y p i c a lh i g hs p e e dd i g i t a lc i r c u i t w h i c hi st h ec u r r e n th o tr e s e a r c hp o i n t h o w e v e r , t h eh a r d w a r eo f t h es y s t e mi sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a la n a l o go rd i g i t a l c i r c u i t i tc a l lb ed e f i n e ds o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) t h em a i n d i f f e r e n c ef r o mt r a d i t i o n a lc i r c u i ti st h a tt h eh a r d w a r eu n i ti t s e l fc a l l td oa n y t h i n g w i t h o u tt h er e l e v a n ts o f t w a r e b u tah a r d w a r ep l a t f o r mc a np l a yag r e a tv a r i e t yo f t h ef u n c t i o n sw i t hd i f f e r e n ts o f t w a r ed o w n l o a d e d f r o mt h i sm e a n i n g ，i t s o f g s o p c ( g e n e r a ls y s t e mo np m g r a m m a b l ec h i p ) m o r e o v e r , i nt h i sd i s s e r t a t i o n i s d e v e l o p e d t h e l a y e r s t r u c t u r eo fi t e l e c g o n i cs y s t e mw h i c hi ss u c c e s s f u li nt h es y s t e md e s i g n ，d e b u g g i n g ，s u p p o r t t i n g o rm a i n t a i n i n g i nf a c t ，s y s t e md e s i g nh a sc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c b u ti tw a so f t e n c o v e r e di nd i v e r s i t yo rc o m p l e x i t yo fs y s t e m ，s o ，s y s t e md e s i g n e ru s u a l l ya n a l y z e s t h es p e c i f i cs y s t e m ，a n dr e m e d yt h ef l a wo fd e s i g n e ds y s t e m u s i n gt h el a y e r s t r u c t u r et oa n a l y z e & s o l v et h ep r o b l e mo ft h eh a r d w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o ni s g o o de x a m p l e k e y w o r d s ：d e t e c t i o n a n dt r a c k i n g h a r d w a r ed e s i g n r e l i a b i l i t y h a r d w a r e l a y e rf r a m e w o r k e l e c l r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y s p a r ed e s i g n 第负 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：r 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名： 日期：彬年罗月l 怕 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：铷繇塑 日期：盆3 年多月f 咿曰 旃章j l ； 第一章引言 1 ，1 视频动目标识别与跟踪系统简介 视频目标识别与跟踪技术是当今世界重要的研究课题，它涉及图像处理、 自动控制、计算机应用等学科，广泛应用于军事领域的各个方面：预警、火控、 制导等；在民用领域的应用也随着该技术的日益成熟，以及成本的大幅度下降 而逐渐得到越来越广泛的推广。 所谓视频动目标识别与跟踪系统就是一个可以完成图像的采集和处理，从 而实现运动目标识别与跟踪的智能信号处理系统。信号处理的本质则是信息的 变换和提取，是将信息从各种噪声、干扰的环境中提取出来，并变换为一种便 于为人或机器所使用的形式。 1 2 课题的研究任务 红外动目标跟踪与识别系统的输入信号是红外摄像机提供的模拟或数字视 频信号。该系统通过基于t t , , i s 3 2 0 c 6 x 系列高速d s p 器件的数字视频处理卡，实 时的处理红外数字视频序列，完成对运动目标的搜索、捕获、跟踪、记忆。并 且在p c 机上实时显示红夕 视频图像，实时给出运动目标的空间坐标，产生运动 目标区域的特征数据，完成运动目标区域图像的实时存储或远程传输。 1 3 国内外研究动态 实时信号处理系统要求必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时 性；其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。实时信号处理算 法中经常用到对图象的求和、求差运算二维梯度运算，图象分割及区域特征 提取等不同层次、不同种类的处理。其中有的运算本身结构比较简单，但是数 据量大计算速度要求高；有些处理对速度并没有特殊的要求，但计算方式和 控制结构比较复杂。因此，实时信号处理系统是对运算速度要求高、运算种类 多的综合性信息处理系统。 早期的信号处理主要是采用模拟的处理方法包括运算放大电路、声表面 第1 负 赫一带j l 苫 波器件( s a w ) 以及电薪辎合器件( c c d ) 等等。例如运算放大电路通过不同的电f j 且 组配可以实现算术运算通过电阻、电容的组配可以实现滤波处理等等。模拟 处理最大的问题是不灵活、不稳定。其不灵活体现在参数修改困难需要采用 多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数。其不 稳定主要体现为对周围环境变化的敏感性，例如温度、电路噪声等都会造成处 理结果的改变。 解决以上问趣最好的方法就是采用数字信号处理技术。数字信号处理司以 通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。数字信号处理与模拟信号处 理相比主要有如下优点： ， i 、数字信号在处理过程中更加稳定 不象模拟信号参数那样容易受电阻、电容、运算放大器或是温度变化的影 响。一个数字系统也很少受器件使用时间的影响，所以数字系统要比模拟系统 稳定得多。这保证了应用系统的稳定和有很长的寿命。 i i 、数字信号处理系统的可预见性 当一个数字信号处理系统设计完成后，我们可以通过仿真或是其它手段直 接看到结果，而且这与最终应用中出现的情况是一样的：同时，所有复制而成 的数字信号处理系统问是没有性能差别的。 i i i 、特殊功能 数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到的功能，如线性相位响 应。还有一些模拟信号不能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。 i v 、适应性和可编程能力 d s p 具有极强的适应能力，可以在多种领域内应用。同时，数字信号处理的 设计也相对简单，并且可以根据不同的应用迅速对设计进行改进或重新设计。 v 、成本低廉 数字信号处理器多通过超大规模集成电路实现，相对使用大量的模拟器件完 成同一任务来讲，数字信号处理器的成本是很低的。 因此，数字信号处理已经成为信号处理技术的主流。 在专用d s p 芯片出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 柬完成。 但m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到7 0 年代有人才 提出了i ) s p 的理泛和算法些弛。莉1 0 的b s t ，j i 叉议停留在教科书上，刨使是谢哺q 出来的d s p 系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天 辩2 页 瓤一章r j i 击 部门。 随着大规模集成电路技术的发展1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。这 神d s p 器件采用微米工艺n m o s 技术制作，虽功耗和尺寸稍大。但运算速度却比 m p u 快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。d s p 芯片的 问世是个里程碑，它标志着d s p 应用系统出大型系统向小型化迈进了一大步。 至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为实时语音处理、 图像硬件处理技术的基础。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进 一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机等领域。9 0 年代d s p 发展最快， 相继出现了第四代和第五代d s p 器件。现在的d s p 属于第五代产品，它与第四 代相比，系统集成度更高，将d s p 芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这 种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到 人们日常消费领域。 数字信号处理的主要缺点是处理量随处理精度、信息量的增加而成倍增长， 解决这一问题的方法是研究高速运行的数字信号处理系统。高速实时数字信号 处理的特点酋先是商速度，其处理速度可以达到数千兆量级。其次是大电流， 高速信号处理芯片的电流经常在l a 以上。第三是低电压，这是为了在大电流下 减小系统功耗，系统的工作电压从标准的5 v 到3 3 v 、3 v 、2 5 v 、1 8 v 甚至0 9 v 。 第四是高度集成，芯片的集成度在数十到数百万门量级。第五就是为了提高运 行速度而采用了多种并行的体系结构。“8 随着大规模可编程器件的发展，采用dsp + a si c 结构的数字信号处 理系统显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，as1 c 芯片具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批 量应用时，可降低成本。现场可编程门阵列( fp g a ) 是在专用asic 的 基础上发展出来的它克服了专用asic 不够灵活的缺点。与其他中小规模 集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能 可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。dsp + f pga 结构最大 的特点是结构灵活有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效 率：同时其开发周期较短，系统易于维护移扩展，适合于实时数字信号处理。 h j 实时数字信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数弼量大对处 第3 机 托一章1 高 理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用fpga 进行硬供：实现， 这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层 算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机 制强大的dsp 芯片来实现。 1 4 主要研究工作 我们的主要研究工作都是围绕红外动目标识别与跟踪系统的进行的。该系 统通过基于c 6 x 系列高速d s p 的数字视频处理卡，实时的处理红外数字视频序 列，完成对运动目标的搜索、捕获、跟踪、记忆。并且在p c 机上实时显示视频 图像。本人i ：主要负责系统的硬件模块为系统功能的实现提供硬件支持，即 提供与系统功能相适应的底层物理支持，包括运算处理速度，存储容量等等。 主要工作如下： i 、参与硬件模块方案设计： ii 、负责硬件模块的具体研制及诵试； 1 。1 i 、参与全系统整机联调； i v 、负责采用余度技术改善硬件模块可靠性。 1 5 论文安排 第章：引言，主要介绍课题的研究任务及国内外研究动态等。 第二章：主要是红外动目标识别与跟踪系统设计要求及组成模块介绍，包括设 计要求、指标等。 第三章：主要是红外动目标识别与跟踪系统的层状结构模型描述、分析。 第四章：主要是红外动目标识别与跟踪系统硬件模块的设计、分析。 第五章：主要是红外动目标识别与跟踪系统的调试过程介绍及指标的测定。着 重硬件模块的调试兼顾整机联调。 第六章：主要是对一些硬件关键技术研究。包括两个大的部分：一是硬件模块 电磁兼容设计。由于本系统硬件模块属于高速数字电路所以电磁兼容设计对 本模块的性能指标有着直接和现实的意义及重要的作用：二是系统可靠性研究 及对策这一部分对本系统硬件模块的可靠性进行了研究和计算，得出了一些 & 避或l iu 0 町能乃案及其娥粜。 第4 负 第带红外计廿标球踩i 识射系统配计要求发射版摸城弁蝌 第二章红外动目标跟踪与识别系统设计要求及组成模块介绍 2 1 设计任务及要求 2 1 1 设计任务 红外动目标跟踪与识别系统的输入信号是红外摄像机提供的模拟或数字视 频信号。该系统通过基于x 系列高速i ) s p 的数字视频处理卡，实时的处理红 外数字视频序列完成对运动目标的搜索、捕获、跟踪、记忆。尊j ! 毫在p c ：机上 实时显示矗 程颊图像。实时绘出运j 包标的空俩唑标，产生：j ；t 目括区域的 特征数据，j 暑成运动目标区域图像豹实对存储或远程传输。硬鼻 搂块需要为系 统功能的实现提供硬件支持，即提供与系统功能相适应钓底层物理支持，包括 运算处理速度，存储容量等等。 2 1 ，2 设计要求 2 1 2 1 运动目标特性 目标：运动的飞机、导弹等飞行器目标，基本可视。 目标遮度：小于2 0 像素场。 目标火小：初始搜索状态为4 像素1 4 视场。 2 i 2 2 鹤景特性 背景：天空、地物等。 干扰目标：鸟、太阳、云层、地物等。 2 ，2 ，2 3 颊数据的特征 1 、模拟输入：c c l r 视频制式的黑白视频信号( 2 5 帧秒) 、像素精度8 b i t 2 、数字输入：采用r s 4 2 2 傣输协议，像素精度1 4 b i t 3 、每场视频图像的数据量：3 2 0 * 2 4 0 = 7 6 。8 0 0 ( 像素场) 视频数据的速率：7 6 8 0 0 2 5 = 1 ，9 2 0 ，0 0 0 ( 像素秒) 第5 畎 ；f j 一枣红外功h b t , 州踪，识别系统吐计要求及纽成模挑介鲥 2 2 设计指标 2 2 1 系统对视频数据输入方式的选择及处理精度要求 能够自动切换输入方式，就是说能按用户的需求选择视频信号的输入方式： 这就要求系统既能处理模拟通道的视频数据，又能处理数字通道的视频数据。 模拟视频数字化精度要求：a d 精度为8 b i t 数字视频通道的要求：按r s 4 2 2 传输协议接收数据，像素精度1 4 b i t 2 2 2 数字视频处理要求 i 、每场图像处理时间： 4 0 毫秒 i i 、搜索到捕获时间：0 2 一1 秒 i i i 、捕获到跟踪时间： 1 2 0 毫秒 i v 、2 5 帧秒实时识别、跟踪运动目标( 即当前场数据必须在下场数据到来 之前处理完毕，并由计算机输出处理结果，显示视频图像) ，并给出目标位置及 领域图像 v 、与计算机的接口为p c i 总线接口 2 - 2 3 硬件系统应具有定自检及自动复位功能 为提高本硬件系统的可靠性及可操作性，在分析了硬件模块的实际情况后， 我们决定为硬件模块加装具有一定自检及自动复位功能的在线检测及自动恢复 单元。其原理摇下，监控f p g a 的输出时钟。如f p g a 因某种原因( 多是电源干扰) 丽不能正常工作，则该单元对全系统进行复位。以防出现死机现象。 2 3 本系统各组成模块 本系统的模块构成见下图虚线框内，大致可分为四个模块： 第6 负 第一章l i ：外萌目标跟踪，i 异荆系统设计要求欲组成模块介绍 u n i t2球i t3 m h4 图2 一l 系统模块组成 2 3 1u n i t1 ( 硬件模块) 功能简介 该模块基于标准3 2 位+ 5 v 的p c i 总线，并配以超大规模可编程芯片( i ) s p 、 f p g a ) ，具有极强的运算、处理能力。对该模块的详细介绍见第四章。 2 3 2u n i t2 ( d s p 程序模块) 功能简介 其功能主要实现是运动背景下的动目标检测、跟踪。 考虑到系统的实时性要求，运动背景下的动目标检测采用基于摄像机运动 补偿的差分技术。首先对摄像机运动造成的全局运动进行补偿，对补偿后的序 列图像进行差分运算：然后在差分域擅索目标运动引趋的运动扰动区域；最后 在原视频图像上分割提取运动目标。同时，采用预测技术对目标的可能位置和 存在区域进行估计，以实现实时、准确跟踪( 或记忆) 目标。系统软件按照其 工作状态分为四个状态模块：搜索、捕获、跟踪、记忆跟踪。系统按照搜索、 捕获、跟踪、记忆跟踪四个状念及其转换运行以实现运动目标的实时检测与 跟踪。 2 3 3u n i t3 ( 驱动程序模块) 功能简介 其主要功能是实现硬件模块与上层应用程序进行数据通信与信息交互。系 第7 页 希一带红外计h 标掣踪，识州系统设计蜚求挺野f 成楼块介捕 统采用了p c 9 0 5 4t a r g e t 方式的单周期读写；在图像数掘传送的啁候为了满 足每秒2 5 帧图像的实时传送和处理灼要求，采鲰了p c 9 0 5 4 的s c a t t e r g a t h e r 洲 方式的数据传输。在整个系统的信息交互中。采用了次握手协议，也就 是请求一一应答协议。 2 3 4u n i t 4 ( 上层应用程序模块) 功能简介 美攥坟主要功能足内硬件摸块下载d s p 跟踪程序，启三j ，导止d s p ，支列显 示场景视频，对运动目标序列进行实时存储，对运动目标序歹1 j 的基本特性进行 实时分析和结果的显示。 在方案设计中，强调了主机控制程序的三个设计准则：界面的简洁性、运 行的稳定性和功能的可扩展性。主机控制程序采用了模块化设计，并参照了目 前软件设计的先进模型：c o m ( 组件对象模型) ，这既降低了主机控制程序设计 的复杂度。又有利于主机控制程序各模块的调试。 2 4 本系统硬件平台( 硬件模块) 主要优点 我们研制的红外动目标识别与跟踪系统是一套复杂的高度智能化系统，本 系统硬件平台具备以下主要优点： ( 1 ) 超高速的处理能力：t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 的峰值运算速度可达到2 0 0 0 m i p s ，片内 八个并行单元，超长指令字( v l i w ) 结构保证每个时钟躅期并行执行八条指 令。使得系统具有极高的处理能力。 【2 ) 强大的数据存储能力：由于使用了高速、大容量的扳上内存s r a m ，使系 统的数据存储能力很强，可实时的保存四帧图像数据，为处理算法的实现提供 较强的系统支持。 ( 3 ) 使系统具有较强适应能力：设计中控制模块采用了大规模f p g a 芯片。将 d s p 外围芯片的控制逻辑全部集成在了一片可编程芯片中并预留了一些备份 控制线，使得可以通过软件更改的方法( 指通过v h d l 语言重写f p c , a ) 更改系 统结构。 ( 4 ) 系统结构清晰简单：系统最大限度的减少了目标板的芯片数量，优化了系 统结构，这对于高频电路来说是至关重要，它保证了视频处理卡的可靠性“ 醑i 、l 磅秤辞平台话舔缔强的升缀畿_ _ b 黟一定镪零弼姚靠 辩譬如奇雨 可以继续研究更加高效、可靠的跟踪议别算法，由于系统的程序空问高达 第8 碰 第一章红外动l | 杯蹦嫁1 o 识别系统i 5 1 计要求驶红l 成模块介绍 2 5 6 k b y t e ，运算速度最高可达2 0 0 0 m i p s 所以在不对硬件作大的改动情况下， 即可进行大量的算法实验或升级：在通用性方面，采用不同的外设、选用不同 的程序完全可咀实现不同的功能诸如：红外或光电火控、头盔瞄准、场景 监控、图像的编解码等等。 第9 砸 蝌三章系统层扒结构模型 第三章系统层状结构模型 3 1 系统层状结构模型 冈为本系统是个功能转为强大结构较为剪杂的动态图像实时处理系绔。 为了系统分析、研究、讨论的方便，参照现今流行的系统层次结构表述方法， 特将本系统分为如下各层。 整机功能层 初始状态层 i控制层 协议层 模块层 电源层 图3 一l 系统层状结构模型 3 2 系统层状结构模型分析 3 2 1 电源层 电源单元是所商有源系统最基本的部分，它常常显得过于简单而被大部分 设计师、二l 程州 所忽略。这种轻视造成的问题刑系统加言划往往是致命的，全 少是难以解决的。首先，出于忽视了电源的热分析，致使电源单元温度过意恧 性能下降。在本系统中。我们遇到了这一目题，最直接的影响是输出电平降j 医 ( 大负荷时) 。现在的许多超大规模集成电路对电压的要求是苛刘的，容错仅为 士5 ，当所需电平仅为点几伏时( 如i 8 v ) ，其允许偏差不过士o o g v 。这样 就会造成严重的问题。其次，干扰问题。这是电源导致的问题中最常见，最难 以解决的问题。关于这一问题另有章节( 第六章) 详加分析、讨论此处不再赘 言。 在本系统中。硬件模块上电源使用及分布较为复杂m 计有：+ 1 8 v 、+ 3 3 v 、 + 5 v ，一1 2 v 。其中+ 1 8 v 为f p g a 、d s p 芯片的核心电压。+ 3 3 v 为f p g a 、o s p 芯 第1 0 页 抓= 章系统层状结构模型 片的i o 口电压及除视频单元阻外的其它单元芯片的供电电压。+ 5 v 为视频单 元的a d ( 模数转换) 、差分接收器等芯片的使用电压。一1 2 ￥提供给测试时才 用的o a ( 数模转换) 板使用一二在系统正常工作时并不使用。 根据p c 】的电源接口协议，基于p c i 的板卡有三种电源环境：5 v 板、3 ，3 v 板和通用板。它们之间具有不同的定位键位以防误操作。由于本系统的硬件模 块需要+ 5 v ，故不能采用3 3 v 板。而通用板的实际定义是，扩展板卡既可工作 于5 v 环境，又可工作于3 3 v 环境，扩展板卡可以检测出当前所处的信号环境 并自适应该环境。所以亦不可用。5 v 的板卡，最大可提供2 5 w 的功率( 短卡) ， 本系统满负荷功率大致为3 4 w ，完全满足要求。 由于系统硬件模块上的电源较多，为了布线的方便，我们采用了“分裂的 电源层”技术，将电源层分裂为+ l ，8 v 、+ 3 ，3 v 、+ 5 v 三个子电源层，但这样又 带来了新的问题。囡为硬件模块的信号线密布，且绝大部分都是高速信号线， 所班难以避免的会出现高速信号线跨越不同电源层的闯题，从而使得信号线交 流回路受阻，造成阻抗的不连续性。虽进行了补救，但仍使发生信号完整性问 题的可能太大增加。 3 2 f 2 模块层 本层是系统功能构成及实现的基础，从相对独立的功能上( 结构上未必独 立) ，我们可以把系统分为如下各个功能模块，如下图所示。 图3 2 模块层结构框图 考虑某一功能在整个系统的地位和系统工作时各模块相互关系以及接收外 第1 l 页 第三章系绕层状结枷按型 来干预情况，从这样的角度出发，模块层又可以分成四个子层。 i 、第一子层：系统监控( 在线检测及恢复) 。从功能上理解，显然它位于板卡 各模块的最顶层。因为它的操作，将导致系统的重新复位，硬件全部复位，d s p 软件则重新启动所有参数恢复为默认值。详细操作过程见4 1 2 6 。 i i 、第二子层：板卡级操作控制层。本层包括控制积程序参数下载。之昕以把 它们划分为同层是因为程序参数下载都是需要外界干预的；控制部分虽不需 妾外界千预，但它是参数下载的中继通道，而且，它控制着的实现板卡主要功 能的其它模块，故显然要比这些模块高一层。 i i i 、第三予层：实现预期功能的硬件平台层。本层的数据采集处理装配显 示可参考第四章的相关章节。其功能简而言之就是：采集，将图像信号经a d 变换或协议变换，转化为二维数据，存放于s r a m 等待处理；处理，即经过算法 变换，将原始二维数据转变为期望得到的数据：装配，则是按r g b 格式，将所 得数据变化为可由p c 显示的数据；显示，经由硬件通道，将数据最终变成p c 显示器上的图像。预处理，本系统当前条件下，主要指f p g a 对数据的第一次装 配( 详见4 1 2 3 ) 。如有需要，它可啦执行更多的内容，对数据进行预处理， 以减少d s p 工作负荷，如求数据灰度级直方强、数据均值等， i v 、第四子层：算法层。该层即是本系统特有功能实现的载体。该层共包括5 个阶段状态，搜索，即d s p 将亚采样后的两幅连续图像进行差分( k ，k + l 帧) ， 若无目标，则继续搜索。若找到目标，则转入捕获l ，即将后续的两幅亚采样 图像进行差分( k + 1 ，k + 2 帧) ，并将结果与搜索结果进行比较，相同则转入 捕获2 。再将后续的两幅亚采样图像进行差分( k + 2 ，k + 3 帧) ，并将结果与搜 索和捕获l 结果进行比较，相同则转入跟踪。在捕获l 、捕获2 的判断阶段若 发现比较的结果不同，则直接转到搜索阶段。进入跟踪状态后，因为已获得预 测区域，故只将( k + 3 ，k + 4 帧) 的预测区域内的图像数据进行差分。若连续 跟踪3 次( 3 次为d s p 程序默认值，也可在上层应用程序中人为设置次数再下 载到d s p 程序中) ，则转入记忆状态。此时，d s p 程序不再对图像数据进行差分， 而直接在预测区域内进行单帧分害q 。 从以上可以看出，第一、二两子层，都是可以人为直接干预的，即直接面 对操作者：第三、四两层对操作者而言是不可见韵不畿直接干预。 第1 2 页 箍兰章系统层状结构模型 3 2 3 协议层 该层的协议是指本系统内部的协议即上层应用软件模块、i ) s p 软件模块、 驱动程序模块和硬件模块为了协调工作，经协商并定义的特定控制指令、参数 或程序数据空间。协议层可分为两大部分：通信协议和硬件资源( 主要指供软 件使用的程序数据空间) ，如下图所示。之所以将硬件资源划入协议层，是因 为该资源是由硬件人员定义，并由硬件确定，一般不能随便更改，所以它是硬 件人员提供给软件人员的内部协议的一部分。 图3 3 协议层结构框图 3 2 3 1 通信协议 由于本系统由4 个模块组成为了使各模块的统一协调工作，故非常有必 要定出内部的模块通信协议。此处的通信是广义上的通信，包括各模块闻的数 据交换以及为实现这一交换，而必不可少的控制，包括中断、应答等信号。 3 2 3 1 1 硬件与d s p 程序 设置寄存器：其目的是使d s p 了解当前f i f o ，s r a m 所处的状态，并使f p g a 按 d s p 要求将每帧图像数据存放在s r a m 内指定位置，保留或删除个帧。需要设置 第1 3 负 搽_ 三章系统层状结构模型 的寄存器有： i 、命令寄存器s t a t e r e g i s t e r3 2 位：指明f i f o 的状态 3 12l0 s t a r t 位：“l l ”一复位f i f o ，“叭”启动，“0 0 ”一停止。 i i 、四个帧起始地址寄存器f r a m e r e g i s t e r3 2 位：存放四帧的起始地址。 3 10 i i i 、帧状态寄存器f r a m e r e g i s t e r3 2 位：设置有帧保护标志位，可用帧标志 位，当前帧标志位，使f p g a 能按要求保留或删除各帧并向d s p 提供相关信息。 3 l1 0987430 第o 3 位为可用帧标志位。“1 ”一该帧可用，“0 ”一该帧不可用。第4 位到第7 位为帧保护标志位。“1 ”一该帧不可覆盖，“0 ”一该帧可覆盖。第 8 位到第9 位为当前帧标志位，“0 0 ”表示正在写第一帧，“0 1 ”表示正在写第 二帧，依次类推。 3 2 3 1 2p c i 9 0 5 4 与d s p 之间的控制 p c i 9 0 5 4 的局部总线接口同d s p 的h p i 接口连在一起。f p g a 完成以下功能： 主机能通过f t - g a 复位d s p 、主机能通过f p g a 实时接受d s p 发出的中断请求、 控制h p i 口和p c i 9 0 5 4 的局部总线接口的读写以完成两者间正确的数据传输。 p c i 9 0 5 4 的l a d 5 ：2 四根地址线译码对应端口如下： 3 16543 210 i 、0 0 0 0 ：译码选中端口s c l k ，并通过p c i 9 0 5 4 的l a d ( 5 ) 传输数据到此端口。 i i 、0 0 0 1 ：译码选中端口s d a t ，若使读写能寄存器s d a t w r 为“l ”，表示写s d a t ， 则通过p c i 9 0 5 4 的l a d ( 5 ) 传输数据到此端口。若使读写能寄存器s d a t w r 为 “o ”，表示读s d a t ，则将s d a t 的数据传到l a d ( 5 ) 。 i i i 、0 0 1 0 ：译码选中端口a b e 并通过p c i 9 0 5 4 的l a d ( 5 ) 传输数据到此端口。 第1 4 页 第三章系统层状结掏模型 i v 、0 0 1 1 ：译码选中端口d b e ，并通过p c i 9 0 5 4 的l a d ( 5 ) 传输数据到此端口。 v 、0 1 0 0 ：译码选中端口a d r s t ，并通过p c i 9 0 5 4 的l a d ( 5 ) 传输数据到此端 口。 v i 、0 1 0 1 ：译码选中寄存器s d a t w r ，由l a d ( 5 ) 置“1 ”或清“0 ”。“1 ”表示 对s d a t 写操作“0 ”为读操作。 v i i 、1 0 0 0 ：译码为y o ：p c i 9 0 5 4 单周期t a r g e tr e a d w r i t e ，d s p 的x b i s a 。 v 1 。1 i 、1 0 0 1 ：译码为y l ：p c i 9 0 5 4 单周期t a r g e tr e a d w r i t e ，d s p 的x b d 。 i x 、1 0 1 0 ：译码为y 2 ：p c i 9 0 5 4d m ab u r s tr e a d w r it e 。 x 、i 0 1 1 ：译码为y 3 ：p c l 9 0 5 4 清d s p 中断( 写操作) 。 x i 、1 1 0 0 ：译码为y 4 ：p c i 9 0 5 4 复位d s p 一个端口( 低有效) 。 3 2 3 i 3d s p 程序与上层应用程序 3 2 3 1 3 1 上层应用程序到d s p 程序 j 。基本数据寄存器p c t o d s p a ( 地址：o x 0 2 0 f e 0 0 0 ) 通道输入选择：l b i t ( c h = o ：模拟通道；c h = 1 ：数字通道) 。 鼠标位置：指定目标坐标1 7 b i t ( 鼠标位置( 9 b i t ) ：x 坐标；鼠标位置( 8 b i t ) ： y 坐标) 。 加权参数：目标速度、亮度、面积、目标到视场中心距离1 2 b i t ( w r ：目标中 心距加权系数( 3 b i t ) ；w s ：目标面积加权系数( 3 b i t ) ；w h ：目标亮度加权系 数( 3 b i t ) ；w v ：目标速度加权系数( 3 b i t ) ) 。 i i 、命令寄存器p c t o d s p b ( 地址：o x 0 2 f e 0 0 4 ) 算法选择：数字通道移位b it 数3 b it ( s b if t r ) ； 去除孤立点2 b i t ( f i l l e tt h r e s h ：去除二值化图象孤立点门限) 。 记忆时间：0 5 0 场7 b i t ( m e m t i m e ) 。 搜索模式选择：i b it ( s e a r c hm o d = o ：自动搜索：s e a r c hm o d = l ：指定目 标搜索) 。 命令：2 b i t ( a c t = 0 0 ：初始状态；a c t = 0 1 ：开始搜索：a e t = l o ：停止搜索；a c t = l l ： 第1 5 页 置! 9 一： 一 一 删工。j， 苎。 ： 誊三苎 一 一 一 第二三章系统层状结构模型 系统复位) 。 3 2 3 1 3 2d s p 程序到上层应用程序 i 、d s p 到p c 数据寄存器d s p t o p c a ( 地址：o x 2 0 f f 0 0 0 ) 系统状态( 3 b i t ) s t a t e = 0 0 0 ：搜索状态；s t a t e = 0 0 1 ：捕获状态：s t a t e = 0 1 0 ：跟踪状态；s t a t e = o ll ：记忆状态；s t a t e = 1 0 0 ：其它状态 i i 、d s p 到p c 数据寄存器d s p t o p c b ( 地址：o x 2 0 f f 0 0 4 ) ( v x ，v y ) ：目标运动速度( 各8 b i t ) h ：目标亮度均值( 8 b i t ) b g _ m e a n ，背景灰度均值( 8 b i t ) i 。i i 、d s p 列- 。数据寄存器d 。pl o u c c ( 地址：o x 2 0 f f o o s ) ( x ，y ) 目标重心坐标( x ：8 b i t ；y ；9 b i t ) a r e a ：目标面积( 1 3 b i t ) 3 12 42 31 s1 42 10 i v 、d s p 到p c 数据寄存器d s p t o p c d ( 地址：o x 2 0 f f o o c o x 2 0 f f 8 0 c ) 目标小图( 上传至上层应用程序，供存储及回放之用) 。一1 。1 。+ 。1 1 。1 。一 l3 2 x 3 2 xl g h i ti 第= 章系统塔状结擒摸型 v 、帧寄存器：i ) s p 程序运行时需要列帧存进行控制。即控制那一帧可以被覆盖， 那一帧需要保留等。( 地址：0 x 0 3 0 0 0 0 5 4 ) 3】l2【18 7q30 i e diw r i l i n g _ f i e n a b l ef r “e ia v a i l i n g _ f j 、a v a i l i n g f r a m e 表示d s p 可用帧。出f p g a 来修改该标志区域，0 0 0 1 h 表示 第0 帧可用，o o l o b 表示第1 帧可用，0 1 0 0 表示第2 帧可用，1 0 0 0 表示第3 帧 可嗣、 ，e n a b l e f r a m e 表示f p g a 可以覆盖的帧，由d s p 程序来控制，4 个比特位 由高到低分别表示第3 、2 、1 、0 帧是否保护，置0 表示该帧可以覆盖，置1 表示该帧被保护。 w r it i n f f r a m e 表示f p g a 正在，号：冒像数据的帧，由f p g a 程序来控制4 个比 特位由南到眠分别轰示第3 、2 、h0 帧是否在被f p g a 写数据置0 表示谚帧 正在被保护，置l 表示该帧未保扩。 在实际的实现上，为了方便b s p 对帧存的控制和d s p 算法软件实现- 由d s p 来控制帧存，a v a i l i n g _ f r a m e 和w r i t i n g f r a m e 是全部置l ，主要用 e n b l e f r a m e 这个标志域来实现对f p g a 组装数据存放位置韵控魁。 v i 、d s p 到p c 机的硬件状态寄存器： 地址：0 x 0 2 0 f e 0 0 8 j 下土一一j 一一兰 r 一r 殳 ! r 髓e 删 ! f 【蛎j s r a m j 卟91f p g a ! a di 为了在线检测d s p 运行的硬件平z d 、“b y , 否正常工作，我们采用软件方法来简单评 估和测试硬件模块。我们对硬件模块上四个主要的芯片( a d 、f p g a 、d s p 、s r a m ) 进行必要的测试。 、对于a d 器件，主要通过f p g a 判断a d 的写时钟有无，来确定a d 是否正常 工作，如果不正常，f p g a 就通知d s p ，d s p 把a 0 标志盥置o ，歪烈置l 。 、对于f p g a ：f p g a 如果不能正常工作的话，整个硬件就无法工作d s p 也不 能证常工作，所以f p g 这个标志位，d s p 永远置l ， 、d s p 这个标志位也是永远置l ，女果不正常的话，这个标志位是不确定的， 就可以通过上层多次测试来确定问题是否出在d s p 。