（电子科学与技术专业论文）基于dsp的空中风测量系统研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e a s u r eo ft h ew i n di sv e r yi m p o r t a n ti nm e t e o r o l o g ya n dm i l i t a r y c u r r e n t l y ， t h em a i nm e t h o dt om e a s u r et h ew i n di su s i n ga no p t i c a lt h e o d o l i t et ot r a c kaf l y i n g p i l o tb a l l o o n , w h o s e v e r t i c a ls p e e di sa s s u m e ds t e a d y ，a n dc a l c u l a t i n gt h es t a t u so ft h e w i n du s i n gt h et r a c k s t h i sm e t h o di sn o tp r e c i s en e i t h e ri np r i n c i p l en o ri no p e r a t i o n i n o r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o na n da u t o m a t i c i t y ，aw i n dm e a s u r e ds y s t e mb a s e do n d s pi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , i tu s e st w od s pi m a g em e a s u r es y s t e m s ，t r a c k st h ep i l o t b a l l o o na n dg e t st h et h r e e d i m e n s i o n a lp o s i t i o na u t o m a t i c a l l y t 1 l ew i i l dm e a s u r e ds y s t e mi sb a s e do nt it m s 3 2 0 c 6 4 2 ，i t sh a r d w a r ei sa n i m a g e - r e c o g n i t i o na n do b j e c t - t r a c ks y s t e m ，w h i c hh a st h ef u n c t i o no fv i d e oi n p u ta n d o u t p u t ,i m a g ep r o c e s s ，n e t w o r k , m o t o rc o n t r o l ， a n g l e ss e n s o r sa n dw i r e l e s sd a t a t r a n s p o r t 1 1 1 es o f t w a r eo ft h i ss y s t e mi sb a s e do nt h ed s p b i o sa n di o md r i v e r ，i t u s e sr f 5t oo r g a n i z et h et a s k s p a c k st h ei m a g ep r o c e s sa n dr e c o g n i t i o na l g o r i t h mw i t h x d a i ss t a n d a r d 1 1 1 er e c o g n i t i o na l g o r i t h md e s i g n e df o rt h i ss y s t e mt a k e st w os t e p s ，o nt h ef i r s t s t e p ，i ts e l e c t st h ef e a t u r e s 丽n 1t h eb r a n c ha n db o u n d ( b a b ) a l g o r i t h m ，a n dg e t st h e c r i t e r i o n 丽也t h ef i s h e ra l g o r i t h mo nt h ec o m p u t e r ；o nt h es e c o n ds t e p ，i tr e c o g n i z e s a n dc l a s s i f i e so nt h ed s p ，i tr e c o g n i z e st h ec e n t e rp a r to ft h eb a l l o o n 谢t 1 1t h ef i s h e r c r i t e r i o n ，f i l l si nt h ea r e a sb yt h ea r e a - g r o w i n ga l g o r i t h m ，g e t st h ef r e e m a nc h a i nc o d e s o ft h eb o r d e r ，m a k e ss u r et h ec h a i nc o d e sm e e tw i mt h et w op r o p e r t i e s ，t h a tt h en u m b e r o fo d dc o d e s ( o re v e nc o d e s ) i se q u a la n dt h er a d i u sc o m p u t e df r o mt w om e t h o d si s e q u a lt o o ，a n dr e c o g n i z e st h eb a l l o o na n di t sc e m e rb yt h et w op r o p e r t i e s t h er e s u l t so f t h et e s ts h o wt h i sa l g o r i t h mc a l lr e c o g n i z et h eb a l l o o nw e l la n dt r u l y i nt h i sp a p e r , i tc h o o s et h es q u a r eo ft h eg r a d s v e c t o rt om e a s u r et h ea u t o f o c u s e f f e c t ，a n du s e st h ep i ds o f t w a r es t r a t e g yt oc o n t r o lt h em o t o r i nt h ee n do ft h i sp a p e r , i td i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r eo ft h et m s 3 2 0 c 6 4 2a n dh o w t oo p t i m i z et h ed s pp r o g r a mi nt h e o r y ，a n ds h o w st h em e t h o d so fp a c k e dd a t a o p t i m i z a t i o n , b a l a n c i n gr e s o u r c e s 谢t l ld u a l d a t ap a t h , s o f t w a r ep i p e l i n i n g ，w r i t i n g l i n e a ra s s e m b l yi np r a c t i c e n l er e s u l to ft h et e s ts h o w st h a ti tc a nr e c o g n i z ea n dt r a c k t h eo b j e c ti nr e a lt i m e k e yw o r d s ：i m a g e ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n ，d s p ，w i n dm e a s u r e 。c h a i nc o d e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 主要性能参数。8 表3 1 纹理信息分析实例表2 6 表3 2 特征选择基本信息表31 表3 3 链码法测试数据表3 8 表5 1 优化前功能单元使用情况，带幸表示瓶颈5 7 表5 2 优化后功能单元使用情况，带幸表示瓶颈5 8 表5 3 软件流水前的模迭代间隔编排表5 9 表5 4 软件流水后的模迭代间隔编排表6 0 表5 5 优化方法性能比较表6 2 表5 6 聚焦算法优化效果比较表6 3 表5 7 主要算法优化效果比较表6 3 表6 1 主要算法所用时间统计表：6 6 表6 2 电机跟踪主要性能表6 6 表6 3 对比观测数据表6 7 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 单经纬仪测风原理图2 图1 2 双经纬仪测风原理图3 图1 3 数字测风经纬仪组成框刚3 1 3 图2 1 最大转速测试场景图7 图2 2 总体设计思想8 图2 3 硬件系统组成框图9 图2 4 硬件测试平台实物图9 图2 5t m s 3 2 0 c 6 4 2 组成框副6 1 10 图2 6 视频接口连接示意图1 l 图2 7 光栅盘测角原理示意图1 2 图2 8 光栅盘转动方向检测方位角示意图1 2 图2 9 光栅盘信号采集电路1 2 图2 10 网络接口连接示意图13 图2 1 1 无线同步模块连接示意图1 4 图2 1 2 应用程序结构中的设备驱动组件1 5 图2 1 3 软件系统任务流程简图1 6 图3 1 模式识别一般过程18 图3 2 本系统模式识别过程总框架1 9 图3 3 红色分量提取对比图2 2 图3 4 纹理分析步骤图2 5 图3 6 二维模式向一维空间投影示意图3 3 图3 7 待识别的原始图片3 5 图3 8 识别出了中心分块的图片3 6 图3 9 区域生长结果3 7 图3 1 0h o u g h 法和链码法圆形识别示意图3 7 图3 1 1 链码法测试圆形3 8 图3 1 2 区域外边界遍历效果图3 9 图4 1 聚焦算法边沿分析示意图4 2 图4 2 直流电机可逆h 桥控制器4 3 图4 4 硬关断方式斩波控制信号波形4 4 图4 5 直流电机四象限可逆调速系统4 6 图4 6 位置修正示意图4 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 7 双经纬仪测风三维定位示意图4 8 图5 1d s p 识别任务流程图4 9 图5 2t m s 3 2 0 c 6 4 2 的内核结构图。5 l 图5 3c 6 0 0 0 程序开发流程5 2 图5 4 纹理计算算法相关性图。5 9 图5 5 聚焦算法相关性图6 3 图6 1 任务和主要算法s t s 模块监测图6 5 图6 2d s p 中c p u 占用率6 6 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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 学位论文题目：基王堡翌煎空生拯趔量叠统珏究皇塞理 学位论文作者签名：盖蝉l 一 日期：1 年，嘲万日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王堕鳗空生凰型量丞统珏究盏塞理 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：沙哆年胗月确 嗍一p 胛 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早 三百y 匕 1 1 课题研究背景及意义 当前测量空中风向风速的方法一般是使用光学经纬仪来跟踪随风漂移的气 球，由此得到气球轨迹进而推算各空间层次空中风情况，这种设备叫做光学测风 经纬仪，现有的此类设备存在测量误差大和操作复杂等诸多缺陷，本课题研究的 基于d s p 的空中风测量系统采用图像工程、模式识别、数字信号处理和电机控制 等技术将测风经纬仪智能化，能大大减少误差，简化操作，具有重要的现实意义 和理论研究价值。 空中风测量的价值主要体现在两个方面：一是天气预报，掌握了大范围的空 中风的运动情况就可以得知大气的运动趋势，如气团锋面的位置和运动情况，从 而进行天气预报；二是为人类在空中的活动提供气象参数，如飞机飞行、导弹发 射和炮弹修偏等。 大气在垂直方向上有分层的特性，在1 0 k i n 以下为对流层，这一层大气活动异 常激烈，形成了多种多样复杂的天气变化，风、云、雨、雪、雾、露、雷、雹也 多发生在这个层次里； 1l k m 至5 5 k i n 之间为平流层，这里空气成分几乎不变，水 汽与尘埃几乎不存在，所以这里经常是晴空万里，能见度高。 根据这两种大气层的特点，可将空中风测量方式分为两种，一种是光学测风， 使用飞升气球作为随气流移动的质点，用地面光学设备跟踪气球的飞升轨迹，可 求出气球所经过高度上的平均风向风速，这种类型的测风成本小，可以进行频繁 的观测，如每次飞机飞行、导弹发射前进行观测，适合对流层观测距离短、变化 快、人类活动频繁的特点。 另一种是无线电测风，当高度达到平流层之后，大气稳定，对人类活动的影 响减少，这里风的情况主要用来做气象预报，没必要频繁观测，又因观测距离长 且有对流层云层隔离，对这里的观测无法通过光学测风实现，需要使用无线电测 风，主要原理是由气球悬挂测量模块、无线电通信模块和电池，由地面雷达跟踪 和通信，获取高空气象信息，这种方式每次需要耗费一个探空仪，气球因负重且 飞行时间长、飞行环境变化大，要求也较高，悬挂的探空仪对航线会有潜在的威 胁，雷达成本和维修费用也较高，每次测风的准备和实施时间都比较长，一般只 用来测量高空风。 以上两种是主流的测风类型，还有一种新型风廓线雷达，它目前的应用还较 少，原理是向大气发射电磁波，电磁波受到大气折射、散射和多普勒频移的影响， 通过分析反射到地面的回波就可以得知空中风的情况，这种方式能全天候观测， 第1 页 国防科学技术大学研究生院碗士学位论文 但技术复杂，成本高，所需场地较大，不能机动，且因为是发射源，有较大辐射， 对人体健康有影响，作为军事目标容易暴露，故只可能在部分地区安装。 以上三种期帆方式由于针对的目标特征不一样，暂时还不能相互取代，都有 各自的发展空间，本课韪研究的测风系统是一种光学低空测风设各，这里只介绍 现有此类设备的测风原理和发展情况。 当前低空测风的一般方法跟踪飞升气球的运动轨迹，采用这种形式测风时， 气球空间位置的确定有两种方法，一种是单经纬仪测风，另一种是双经纬仪测风， 目前基本上用的都是单经纬仪，它的原理如图11 所示，它体现了“一个面和一条 线确定一个点”的思想，这种方法假定气球起飞后，在垂直方向上很快达到了匀 速上升，上升速度由气球的净举力来确定，假设气球匀速( 如2 0 0 米i 分钟) 上升， 那么它的高度h 可阻根据升空后的时间来求得，这个高度就形成了一个“面”， 使用经纬仪实时跟踪气球，得到仰角a 和方位角b ，这就形成了条“线”，结舍 这一个“面”和条“线”可以得到某一时刻气球的位置，如此可以得到气球的 飞行轨迹，从而得到空中风的运动情况。 e 4 图i 】单经纬仪测风原理图 在单经纬仪测风中，是以气球匀速上升的假定为前提的，但由于大气湍流和 空气密度随高度的变化，以及气球变形和氢气泄漏等因素的影响气球升速实际 上是不均匀的，而且由于气球升速除了受净举力的影响外，还受当时大气状况， 如气压、温度等的影响，这就需要根据当时的气压和温度情况来查表得到所需的 气球净举力，根据这个净举力来给气球充氢气，期间测量、查表、调整净举力、 称重、充气等一系列的过程使得操作十分繁琐，操作员一般都简化了整个过程， 这也带来了较大的误差，所以这种澳4 量方式误差大，测风精度低，特别是测量距 离增大时，误差被放大。为了能够准确地测量，就需要准确地测出气球所在的高 度，再求得较为准确的高空风向风速，双经纬仪测风( 也称基线测风) 就可以实 现这样的目标，它是将两架经纬仪分别架设在已知距离的两个端点上，同时观溯 空中飘移的气球的运动，得出气球在空中的仰角和方位角，通过三角函数计算公 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 式确定气球的高度，以求得高空风向风速。其原理如图1 2 所示，它体现的是“两 条线确定一个点 的思想，两个经纬仪分别放在o 点和p 点，对准气球q 后形成 一个平面上的两条线，以此可以确定气球的位置，这种方法弥补了单经纬仪的高 度误差。当前使用这种方法测风都是采用两个单经纬仪，通过对讲机人为的来同 步【1 1 1 2 1 ，这样的方式操作繁琐，计算麻烦，需要一定的人力、物力和组织工作，不 适合经常性作业。 图1 2 双经纬仪测风原理图 1 2 国内外研究现状 国内现用的测风经纬仪都是单经纬仪模式，型号有多种，都是人工跟球，人 工或自动采集角度信息，下面介绍的数字单测风经纬仪 3 1 由中国科学院长春光学精 密机械与物理研究所开发，是此类设备的代表，它的组成如图1 3 所示，在测风时， 人工跟踪测风气球，系统自动采集测风数据、自动计算测风结果，系统的数据采 集和计算部分为分立单元：数字测风经纬仪、计算机计算平台和手持计算器，其 中左边方框内为数字经纬仪电路，另外手持计算机采用t m s 3 2 0 c 3 2 和f p g a 组成， 用来计算气球的轨迹和风的情况。该数字测风经纬仪实现了部分操作的自动化， 但还是需要人工的跟踪观测，且使用单经纬仪测量，不能避免假定固定升速给测 量带来的误差。 图1 3 数字测风经纬仪组成框图【3 1 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 当今时代，科技发展的重要趋势之一是智能化，图像工程、模式识别、d s p 、 电机控制理论等领域取得了长足的进展，出现了许多新理论、新方法、新算法和 新设备，这使得气球测风完全可以智能化，由d s p 系统采集图像，进行图像处理， 运用模式识别算法识别气球，控制机电系统跟踪气球，采用双目三维测量模型构 成双经纬仪测风系统，全自动采集、处理、识别、跟踪、同步和计算，简化操作， 节省人力，减少人为误差，实现测风的自动化、智能化。下面简单介绍一下本课 题涉及到这些理论知识的发展现状。 图像工程是- - f - j 系统的研究各种图像理论、技术和应用的新的交叉学科，它 是对各种图像技术进行综合集成研究和应用的一个整体框架，分为图像处理、图 像分析和图像理解三个层次 4 1 。图像处理强调图像之间进行的变换，主要目标是对 图像进行各种加工以改善图像的视觉效果并为其后的目标自动识别打基础，或对 图像进行压缩编码以减少图像存储所需的空间或传输所需时间，它是图像工程的 底层，本系统由于在室外使用，必须先要对图像进行去噪、白平衡、灰度调整等 一系列处理。图像分析是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的 客观信息从而建立对图像和目标的描述，是一个图像到数据的过程，如图像的颜 色信息、纹理信息等。图像理解在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标 的性质和它们之间的相互关系，并通过内容含义的理解得出对原来客观场景的解 释，从而指导和规划行动，在本课题的研究中主要是对颜色纹理等信息进行识别， 对识别区域进行链码描述等。 模式识别理论和技术已成功地应用于工业、军事、生物医学、气象等各个领 域，它的成功应用范例如生物特征识别( 指纹、虹膜、脸等识别) 、生物医学的 细胞和组织分析、视觉机器人、武器制导系统、文字语言识别等，并且正迅速的 扩展到许多其他领域，它是智能化的一个重要的技术支撑，随着智能化趋势的推 进，它的发展将越来越快，应用将越来越广【5 j 。 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 自2 0 世纪9 0 年代以来得到了突 飞猛进的发展，在处理能力、开发环境、软件系统等方面都有了较大的突破，其 应用扩展到了各个领域。 电机控制系统的发展从控制策略来看，从最初的低效有级控制，到低效无级 控制，再到高效无级控制，如直流电机斩波调压调速、交流电机变频调速、交流 电机矢量控制与直接转矩控制系统等，到现在已发展到了高性能智能型控制系统， 如自适应系统参数辨识与自校正控制、神经元或神经网络控制、模糊逻辑控制、 模糊神经网络控制等电机控制系统。随着电力电子技术、微电子技术和稀土永磁 材料的飞速发展，高性能电机控制系统技术正在不断更新，成本不断降低，新型 电机不断出现，高效智能的电机系统将得更大的发展空间。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 课题主要工作 本课题主要工作是研究基于d s p 的空中风测量系统的理论基础并实现整体样 机，现已完成了可行性分析、硬件设计、软件系统设计、算法研究和测试等诸多 工作，实验室测试结果达到预期要求，具体工作体现在以下几个方面： ( 1 ) 系统设计。本系统需要实时识别跟踪气球，需要很强的处理能力，通过分 析各处理器的处理能力与系统的计算需求，综合考虑各种因素，最后选用 t m s 3 2 0 c 6 4 2 作为处理器，主频7 2 0 m 时能达到5 7 6 0 m i p s ，并配备有丰富的外围 接口，硬件系统其他外围设备包括网络接口、模拟视频输出模块、电机驱动电路 和无线同步模块等。软件系统依托n 的d s p b i o s ，使用i 5 框架协调各任务间 的通信，对识别算法进行了采用t ix d a i s 标准封装。 ( 2 ) 识别算法研究。气球的模式识别是本系统的核心，识别结果的好坏直接关 系到系统的性能，模式识别的方法很多，但没有一种在任何场合下都合适的方法， 识别算法的选择必须根据实际情况，选取最适合的算法，模式特征的选择也需要 综合考虑处理器处理能力、实时性要求、准确性等诸多因素，本系统经过大量的 实验，尝试了多种模式特征和识别方法，最终形成了以颜色、纹理和形状为特征， 以f i s h e r 判别为依据的识别方法，实验结果达到了预期目的。 ( 3 ) 电机控制。电机控制发展到现在已经到了高性能智能型控制系统阶段，本 系统是一套机电一体化系统，除了掌握电机硬件控制原理外，其控制理论和控制 策略也是要研究的重点，本系统采用了p i d 电机控制方法，从软件控制算法上使 电机控制达到稳、准、快的要求。 ( 4 ) d s p 算法实现与优化。t m s 3 2 0 c 6 4 2 有8 个独立的功能单元，6 4 个3 2 位 字长的通用寄存器，但要发挥其处理潜能，必须熟练掌握其体系结构，研究算法 的并行性，充分发挥功能单元的利用率，本系统中主要在存储器带宽打包数据优 化、软件流水、功能单元并行和写线性汇编代码等方面对每个算法做了优化，优 化效果达到了系统要求。 1 4 章节安排 本论文共分六章： 第一章，绪论，介绍经纬仪测风原理和现状，分析当前测风方式的不足，提 出双目测风原理与方法，简介当前图像工程、模式识别、d s p 和电机控制的概况。 第二章，系统设计。介绍系统性能要求、系统设计思想，硬件平台设计和软 件系统设计。 第三章，识别算法研究与实现。先简介模式识别方法与过程，然后按照模式 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 识别的过程，从数据获取、特征提取、特征选择、训练和学习、识别这几个主要 步骤介绍本系统的识别算法。 第四章，自动聚焦与云台电机的d s p 控制。介绍了自动聚焦算法与改进，电 机控制硬件原理和策略，测量结果的修正，以及根据双目测量得到的方位角和仰 角重构气球的三维位置信息。 第五章，d s p 算法实现和优化。完成了识别算法在d s p 上的实现，介绍了 t m s 3 2 0 c 6 4 2 的体系结构，d s p 优化的过程，以及针对本系统的主要算法，在数 据打包、循环展开、软件流水、功能单元并行和线性汇编等方面的优化情况。 第六章，系统评估。通过实测和间接测试等方法对系统进行评估。 第七章，总结。总结了课题完成的主要工作，展望今后需要做的工作。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章系统设计 2 1 系统性能要求与设计思想 2 1 1 主要性能要求 由于需要实时跟踪气球，本系统对识别处理能力和电机跟踪速度提出了较高 要求，系统视频输入采用的是i t u6 5 6 标准，采集速率为3 0 帧秒，也就是说要在 1 3 0 秒的时间中完成一帧图像的识别和控制任务，并且要保证在一帧时间里电机 能使气球图像从图像的边缘移到中心，前者要求找到适合本系统的识别算法及做 好算法在d s p 上的优化，后者要求使用合适的电机和电机控制算法。 图2 1 最大转速测试场景图 电机的跟踪速度主要是要达到最大风速的要求，而且跟场地有关联，还需要 从实际应用中做进一步分析。图2 1 所示为水平方向测量场景的平面图，假定水平 方向测量风速为8 级，2 0 m s ，且风向为测量点到放球点连线的切线方向，这时需 要最大转速，若观测点到放球点的距离为1 0 m ，那么在气球运动1 0 m ( 0 5 秒) 过 程中，云台需要转动4 5 。，即云台的转速至少要为( 1 4 ) n 秒，即9 0 。s ，在连续 两帧间隔的1 3 0 秒的时间里需要转动3 。，当前主流直流电机能到达5 0 圈秒，所 以云台运动速度不存在问题。根据实验，摄像头连续采集1 8 张首尾相连的图片可 以形成完整环绕的一周，即每一张图片的水平视觉范围为方位角2 0 。( 3 6 0 。1 8 ) ， 这样可以计算出，若云台不动，气球以最快速度运行时，经过约7 帧( 2 0 。3 。1 图 像的时间气球会从图像的一个边缘运动到另一个边缘，这可以说明系统对电机的 反应速度有很大的适应范围。而且由于气球的运动是连贯的，不可能剧烈的改变 速度，所以对电机的启动时间要求也不高，主要是在以前运动速度的基础上做一 些调整。结合上述分析，总结系统的主要性能要求如下： 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表2 1 主要性能参数 最大测量风速2 0 米秒最大测量距离5 千米 图像采集速度3 0 帧秒处理每帧图像所需时间 4 圈秒启动时间 控 制 器 冀 吾 紊 储 器 汉 口 阿碉 l 二望堡| 1 2 c o g p i o l 6 d s p 内核 数据通道a数据通道b a 寄存器 l | a 寄存器 互 豇了1 可 直卤卤南矗匠卤卣 p l ll | 定时器0 1 t 定时器0 i i 定时器0 图2 5t m s 3 2 0 c 6 4 2 组成框图1 6 1 第1 0 页 嚣嚣 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 3 视频采集与输出模块 视频采集传感器有两种，种是c c d ( 电荷耦合器件) 图像传感器，另外一种 是c m o s 图像传感器，两种传感器的基本工作原理是相同的，都是用对光线敏感 的半导体材料来实现光电转换，只是感光半导体的材料不同。c m o s 图像传感器 可以直接输出或r g b 等数字视频数据，使用简单，功耗低；c c d 的优点是 图像噪声小，成像质量要比c m o s 图像传感器好，但输出的是模拟信号，需要数 模转换芯片将其转换成数字信号。由于本系统需要调整焦距来达到较远的可视距 离，需要自动聚焦来调整清晰度，故直接采用市面的主流可调焦监控摄像头，电 控2 2 0 倍变焦，采用c c d 传感器，输出模拟视频信号，需要进行模数转换。 s a a 7 11 3 为p h i l i p s 公司的专用视频输入芯片【7 】，能兼容多种视频输入格式， 标准的i t u 6 5 6 4 ：2 ：2 格式输出，通过1 2 c 总线对其做各种配置，它的使用非 常方便，a v 信号输入后，转换成数字信号输出给t m s 3 2 0 c 6 4 2 的v p o 视频接口 的数据通道，同时场同步，行同步和像素时钟通过r t s 0 、r t s l 和l l c 输出给 v p o 的时钟与控制引脚，连接如图2 6 所示。 与输入模数转换对应的是输出的数模转换电路，采用的p h i l i p s 公司的 s a a 7 1 2 1 ，属于上述s a a 7 11 3 的配套芯片，使用方法与其类似。 i p u t a 1 2 2 v p o 0 ：7 】 4 p o d 0 ：7 】 s c ls c l l l c v p o c l k 0 s d a s d ar t s 0 v p o c t l 0 r t s l v p o c t l l t a l x 1 - a l l s a a 7 1 1 3 d m 6 4 2v p 0 2 2 4 角度感应模块 图2 6 视频接口连接示意图 方位角和仰角的角度感应可以采用两种方式，一种是专门的角度传感芯片， 方位角传感器( 电子罗盘) 感应地球磁场来得出方位角，仰角传感器( 倾角仪) 根据不同仰角产生的不同重力来感应仰角，它们使用简单，但分辨率低，方位角 传感器容易受周围的磁场影响；另一种是光电旋转编码器，这种方式的工作原理 如图2 7 所示，光栅盘刻有光栅，当光栅盘转动时，光栅引起l e d 到光敏二极管 光线通道的明暗变化，由此可以检测光栅盘的转动，使用两路光路和固定光栅就 亘丛捡测整动友自：如图2 ：星匦丞：遮光扭盘上的扭缝间匾l l ：l 基q ：固定光扭 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 和光敏二极管的距离为l 2 ，其中l 2 = l 1 4 + n * l 1 ，这样，两个光敏二极管检测到的 光线强度信号就能产生1 4 个间距的相位差，从相位的超前或滞后1 4 个周期( 也 可认为是超前1 4 或3 4 周期) 就可以判断运动方向。由于检测到的是模拟信号， 还需要进行整形，变换成稳定的数字信号方便d s p 处理，如图2 9 所示，r 1 和r 2 分压提供参考电压，可调电阻p 5 调整波形，使参考电压位于检测到的电压的中间 位置，运放l m 2 9 0 3 比较输出，输出占空比为5 0 为脉冲波形。 0 1 0 2 2 2 5 网络模块 图2 7 光栅盘测角原理示意图 0 1 中2 管 顺时针逆时针 图2 8 光栅盘转动方向检测方位角示意图 v c c -=! 图2 9 光栅盘信号采集电路 t m s 3 2 0 c 6 4 2 的p c i 接口、h p i 接口、e m a c 接e l 是功能复用的，当p c i 的 功能被禁止时，e m a c 和1 6 位的h p i 可同时工作。本系统e m a c 和m d i o 接口 外接i n t e l 公司的以太网物理层收发器l x t 9 7 1 a l c ，两芯片通过m d i o 接口设置 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 通信参数，通过e m a c 传输数据，图2 1 0 为连接示意图，其中r x d v 为接收数 据有效信号，r x e r 为接收数据错误信号，c o l 和c r s 分别为冲突检测和载波检 测，t x c l k 和r x c l k 为同步时钟信号，d 和r x d 为数据线，t x e n 为发送 使能，r x d v 为接收数据有效信号，r x e r 为接收数据错误信号。l x t 9 7 1 a l c 再 通过隔离变压器和r j - 4 5 插座连接，构成网络通信模块。 u m d i o m d i o o m d c ik m d c _ 芒 一 m i x c l k t x c l k m t x d 0 ：3 】 t x d 0 ：3 】t p f i p i x e nm t x e n t p f i n蠼 o c r s o l t t p p f f o o n p m c o l 乏 m c r s 山 m r x c l kr c l k m r x d 0 ：3 】r x d 0 ：3 m r x d v r d v m r ) ( f r r x e r d m 6 4 2i _ x t 9 7 1 图2 1 0 网络接1 3 连接示意图 2 2 6 无线同步数传模块 本系统采用双目测量模式，需要同步信号同时采集两个经纬仪的方位角和仰 角信息，而且要把远端的经纬仪数据传回给主控端，故需要采用无线模块来同步 和采集数据。 无线同步数传模块采用n o r d i cv l i s 公司的l l i 心4 0 1 芯片，它是一种为4 3 3m h z i s m 频段设计的单片无线收发芯片，采用f s k 调制解调技术，最高工作频率2 0 k h z ，发射功率可以调整，最大发射电平是+ 1 0 d b m ，外围元件非常少，无须进行 初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，串行数据接口采用全透明方式 传输，这使得它的使用十分简单，用户无需了解其内部技术细节，只需连接到标 准串口设备上，以串口设备来进行操作即可。 t m s 3 2 0 c 6 4 2 中没有u a r t 接口，只有两个功能较强的多通道串口缓冲接口 m c b s p 0 和m c b s p l ，适用于各种同步串行通信方式，兼容多种传输接口或数据格 式，如l l s 、s p i 、t 1 | ，e 1 、a c 9 7 、i o m 。2 等，并与视频接口v p o 、v p l 和复用。n r f 4 0 1 使用的数据接口是u a r t ( 通用异步串口) ，再加上与p c 机的数据传输也需要 u a r t ，所以必须外加两个u a r t 。本系统使用t i 公司的串并转换芯片t l l 6 c 7 5 2 b 来扩展串口，它提供双通道u a r t ，内含6 4 字节f i f o ，图2 1 1 是串口通信示意 图，t l l6 c 7 5 2 b 并行数据口与t m s 3 2 0 c 6 4 2 并口相连，双方通过地址线和控制线 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 进行数据传输；t l l 6 c 7 5 2 b 的串口a 与r 时4 0 1 相连，跟远端经纬仪进行同步和 数据采集；考虑到经纬仪架设在室外，需要跟室内的p c 机通信进行长距离数据传 输，串口b 通过4 8 5 转换，将数据传至室内，再将其转化成2 3 2 传送给p c 机。 d 0 - d 7 a 0 - a 2 图2 11 无线同步模块连接示意图 2 2 7 云台电机控制模块 云台电机驱动模块将在第四章电机控制方法统一介绍，电源模块提供系统所 需的各种电源，存储模块为系统扩展了4 m * 3 2 b i t 的s d r a m 和2 m * 8 b i t 的f l a s h 。 2 3 1t id s p 软件系统 2 3d s p 软件系统设计 随着基于d s p 的实时多任务应用的日益普遍，传统的围绕顺序处理和循环来 构建d s p 应用软件的开发途径已经不能满足要求，软件的开发难度和代价越来越 大，为此，在1 9 9 9 年，t i 公司开发了一系列的软件系统来简化设计过程，这些关 键的软件包括：c o d ec o m p o s e rs t u d i ，d s p b i o s ，t m s 3 2 0d s p a l g o r i t h ms t a n d a r d ， an e t w o r ko f t h i r d p a r t ys u p p l i e r s 。 d s p b i o s 是t i 提供的一个尺寸可伸缩的实时内核，它是为那些需要实时线 程调度与同步、主机与目标d s p 间通信或实时监控的应用而设计的，它提供了抢 占式多线程、硬件抽象、实时分析和配置工具，它在设计上采用了一些技术来最 小化d s p 上的存储器需求和c p u 开销，为程序的开发提供了多种灵活的选择，标 准化了对t i 大部分d s p 器件的编程，并提供了强大而且易用的程序开发工具。 为了简化设备驱动的编写，d s p b i o s 将设备驱动从机能上分为硬件无关层和 硬件相关层，每层都使用各自通用的接口，使得相似设备驱动程序的主要部分可 以复用，这种分层结构称为“类微型驱动模型”，如图2 1 2 所示，其中类驱动( c l a s s 赫v e r ) 一般提供对多线程i o 请求的串行化和同步，另外还负责设备实例的管理， 微型驱动( m i n i d r i v e r ) 来对一个特定的设备进行操作。从应用程序看，每一种类驱 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 动向应用程序提供一个a p i 接口，并负责与i o m 微型驱动接口进行通信，类驱动 通过使用d s p b i o sa p i 来实现操作系统的服务，并调用标准的微型驱动接口来访 问外围硬件设备。d s p b i o s 目前定义了三种类型的类驱动，分别为p i p p i o 、 s i o d i o 和g i o ，对于p i p p i o 和s i o d i o 类驱动，应用程序调用的a p i 函数就 是d s p b i o s 中现有的p 口和s i o 函数，这些a p i 与相应的适配器( p i p 或d i o ) 进 行交互，而适配器则直接与微型驱动进行通信【8 j 。 2 3 2 软件系统整体框架设计 本系统的软件系统按r f 5 框架标准设计，驱动采用流数据和微型驱动结构( 即 s i o d i o 和i o m 结构) ，最上层有5 个任务，它们简单流程如图2 1 3 所示， t s k v i d e o l n p u t 用来采集视频数据；t s k v i d e o p r o c e s s 对视频帧进行图像处理和目标识 别：t s k v i d e o o u t 为视频输出，用来调试与检测，此处的视频由原采集视频和识别 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 结果标注组合而成；t s k v a r a d j u s t 为一个网络通信任务，它将一些需要调整的参数 由p c 机发给t s k v i d e o p r o c e s s ，并将某些计算结果反馈给p c 机；t s k m o t r o c o n t r o l 接收t s k v i d e o p r o c e s s 识别出的球心坐标，结合电机反馈的状态信息，控制电机跟 踪气球。 图2 1 3 软件系统任务流程简图 r f 5 框架有一套详细的算法组织、任务通信间通信等规范，图2 1 4 所示是本 系统的具体软件结构图。系统中硬件驱动中的数据传输采用流的方式，数据缓冲 区的输入或输出和处理是同时进行的，当应用程序处理当前帧缓冲数据的同时， 下一新的帧缓冲区会被填满，而先前的一个缓冲区会被输出。具体来说，硬件驱 动采集到新的一帧图像后，会通知采集任务t s k v i d e o l n p u t 将其提取，硬件驱动继 续使用下一缓冲