[硕士论文精品]基于图像数据链的目标被动测距技术研究

I摘要在现代军事作战中，目标的精确定位和跟踪对于快速有效地实现对目标的攻击起着至关重要的作用。这其中对于目标距离的实时精确测量是一个重要环节。距离的测量分为主动测距和被动测距。传统的主动测距一般是运用激光测距，虽然其具有实时性好，精度高等优点，但由于要主动发射大功率激光脉冲，在军事运用中容易暴露自身目标成为其致命缺陷，并且测量设备较复杂，不利于武器便携式轻型化的趋势。因而采用被动测距成为现代战争中目标距离测量的主要方式。本课题是为实现地面机载目标跟踪探测系统对空中飞行目标的距离的实时精确测量，以达到为攻击武器提供准确有效参数的目的。被动测距具有实时性好，测量精确等特点，同时在军事应用上它隐蔽性好的优势突出。被动测距又分为单站被动测距和多站被动测距。单站被动测距是一个平台对目标进行跟踪定位，多站被动测距是几个平台同时对目标进行几何定位。本文在简要分析国内外各种被动测距技术的基础上，提出了一种基于图像处理的目标被动测距技术。该方法属于多站被动测距，是双目立体视觉和运动立体视觉测距相结合的一般情况，在实现双目测距的基础上形成图像数据链对目标进行动态地跟踪定位。设计了双DSPFPGA的硬件系统，完成了原理图的绘制和PCB制版，设计了部分FPGA程序，对相关跟踪算法进行了改进，采用图像相关配准的方法找到配准点实现目标的被动测距。全文共分为五章，第一章为绪论，介绍了课题来源和背景以及国内外被动测距技术的发展和趋势；第二章叙述了基于双目立体和运动立体视觉相结合的任意位置多站目标被动测距技术的原理和算法；第三章详述了系统硬件构架和平台搭建以及系统信号处理过程；第四章设计了系统FPGA软件程序，实现图象的传输、存储、变换和显示；第五章在改进图像跟踪算法的基础上，提出了基于相关法的图像配准算法；第六章是结论部分，对全文进行总结和展望。关键词被动测距双DSPFPGA系统图像配准IIABSTRACTINMODERNMILITARYCAMPAIGN,ITPLAYSAGREATROLEFORPRECISIONPOSITIONINGANDTRACKINGOFOBJECTTOATTACKTHETARGETEFFICIENTLYINASHORTTIME,ANDTHERANGINGOFOBJECTESPECIALLYTHEREALTIMEANDPRECISIONMEASUREMENTOFTHEDISTANCETOTHETARGETISTHEMOSTIMPORTANTSTEPTHEREARETWOWAYSFORDISTANCERANGINGACTIVERANGINGANDPASSIVERANGINGTRADITIONALACTIVERANGINGUSESLASERASATOOLINDESPITEOFITSREALTIMEANDHIGHPRECISION,ITHASTOEMITHIGHPOWERLASERPULSEWHICHISPRONETOBEEXPOSEDTOENEMIES,THATISAFATALDISADVANTAGE,ALSOITNEEDSCOMPLEXEQUIPMENTSOTHISMETHODGOESAGAINSTTHETRENDOFLIGHTNESSANDCONVENIENCEOFWEAPONSASARESULT,PASSIVERANGINGBECOMESTHEMAINWAYTOMEASURETHEDISTANCETOTARGETINMODERNWARSTHISPAPERISBROUGHTFORWARDTOREALIZETHEREALTIMEANDPRECISIONPASSIVERANGINGOFFLYINGOBJECTINAIRONTARGETTRACKINGANDDETECTINGSYSTEMONGROUNDTHENSUPPLYPARAMETERSFORATTACKINGWEAPONSPASSIVERANGINGHASCHARACTERISTICSOFHIGHPRECISIONANDREALTIME,ESPECIALLYFORITSGOODCONCEALMENTITISAPPLIESWIDELYINMILITARYTHEREARESINGLESTATIONPASSIVERANGINGANDMULTISTATIONPASSIVERANGINGSORTEDBYTHENUMBERSOFSTATIONSBASEDONTHEANALYSISOFKINDSOFMETHODSOFPASSIVERANGING,ANEWMETHODCOMBININGBINOCULARANDMOTIONWASADVANCEDTHEDISTANCEISCOMPUTEDBYTHEDISPARITYWHICHISGOTBYIMAGEMATCHINGINDIFFERENTPICTURESATFIRSTBINOCULARPASSIVERANGINGISTESTED,ANDTHENMULTICAMERASAREUSEDTOFORMIMAGEDATACHAINTOREDUCEERRORDUALDSPPLUSFPGAHARDWARESYSTEMWASDESIGNEDCONTAININGSCHEMATICCIRCUITANDPCBALSOPARTOFFPGAPROGRAMWASDESIGNEDCORRELATIONTRACKINGALGORITHMWASIMPROVEDUSINGIMAGEMATCHINGTHEREAREFIVEPARTSINTHEPAPER,THEFIRSTCHAPTERISEXORDIUM,ANDTHISCHAPTERINTRODUCESTHEPROBLEMBACKGROUNDANDSOURCE,THEDEVELOPMENTLEVELOFPASSIVERANGINGTHESECONDCHAPTERDEPICTSTHEPRINCIPLEANDALGORITHMOFRANDOMPOSITIONMULTISTATIONPASSIVERANGINGCOMBININGBINOCULARANDMOTIONTHETHIRDCHAPTERINTRODUCESTHESTRUCTUREIIIOFSYSTEMHARDWAREANDTHEWORKINGPROCESSINGTHEFOURTHCHAPTERCONTAINSFPGAPROGRAMSOFIMAGETRANSMISSION,TRANSFORMATIONANDDISPLAYTHEFIFTHCHAPTERONBASISOFIMPROVEMENTOFIMAGETRACKINGALGORITHM,AMETHODFORCORRELATIONIMAGEMATCHINGWASPUTFORWARDANDTHELASTPARTISCONCLUSIONPORTIONSUMMARIZINGANDPROSPECTINGFORTHEWHOLEPAPERKEYWORDSPASSIVERANGINGDUALDSPPLUSFPGASYSTEMIMAGEMATCHING独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名指导教师签名日期年月日日期年月日本论文属于11绪论11课题来源和背景本课题是兵器工业第209研究所和炮研所合作的项目轮25宽带数像传输装置的子项目，该项目主要用于实现地面坦克车辆之间的联合通讯（主要是图象通讯）以达到对空中飞行目标的探测1、跟踪、定位、测距等功能，通过多台地面移动机载系统对目标进行红外成像23，经过无线收发装置进行图像数据通信，再经由图像处理系统对多幅图像进行图像数据融合4，以达到上述目的。从而为机载攻击武器5提供目标准确参数实现精确制导6的目的。基于图像数据链的目标被动测距7技术是该项目的一个子项目，旨在通过图像处理的方法来实现对目标距离的精确测量。在军事上，对目标距离的测量，应用比较成熟的是激光测距机，它通过机载的激光设备发射激光，接收目标反射回来的激光信号来实现对目标距离的测量。它具有实时性好，精度高等优点，但随着战争对武器智能化轻型化要求的进一步提升，它的弊端也就逐渐显现。尤其是高精度制导武器对目标的精确跟踪提出了更高的要求，激光测距机由于设备复杂体积大重量大严重限制了机载武器便携式轻型化的趋势，并且激光测距机需要自己发射高功率激光脉冲因而极易暴露自身目标，在现代战争讲求反应快速隐蔽作战的环境下这也成为致命缺陷。被动测距技术的研究也就成为热点，其有以下几个突出的优势1体积小，成本低，不管是单站还是多站8被动测距都是用电子设备探测目标的参数信息，仅仅需要几块电路板对信号进行处理910，相比激光测距机而言优势明显。2隐蔽性好，抗干扰能力强，由于不主动发射信号，因此不易被敌方侦察，同时对方的干扰设备也无从下手，在现代战争中这种特点显得尤其突出。3适应能力强，灵敏度高，被动测距的探测多采用红外探测的方式因此不受环境影响在白天黑夜均能够正常工作，同时拥有较高的分辨率。4智能化程度高，容易和其他设备配合使用，被动测距一般通过电子系统对信号进行处理，可以很好地实现智能化和实时性，能够通过与其他电子设备的交互实现更高的精度。2综上所述，被动测距拥有主动测距无法比拟的优势，已经在军事上被广泛重视，成为国内外竞相研究的热点。12国内外被动测距技术介绍及其发展趋势被动测距由于其优势明显，受到广泛的研究，有一些技术已经应用到实战中，展现出其强大的性能。被动测距技术的方法及算法归纳起来有十几种，有少数已经转化成技术设备得到应用，但大部分仍然处于研究阶段，技术仍不成熟，以下总结了几种常用的国内外被动测距技术11及其发展概况，旨在此基础上提出课题的基本方案和实现形式。1角度交汇法（即三角法），将在下一章中介绍。2离焦高频振动法如下图所示，它的基本思想是探测器离焦振动，用高频振动信号驱动探测器，使其光敏面和像面之间的距离作高频振动变化，此时探测器输出的基频和倍频信号幅度之比与探测器到实际像面的距离成线性关系，由锁相放大器得到探测器输出的基频和倍频信号幅度之比后即可得到像距值，再由透镜成像方程可以得出物距探测器像平面透镜物平面点光源Z0FFRZ1RZ0图11离焦高频振动法0/4/4IIZFZAQFZZFZAQF11其中，透镜的半径为R，物距和像距分别为Z0,ZI，探测器半径为R，它到成像透镜的初始距离为Z，到像平而的初始距离为0，并且以振幅A、频率W作高频振动。3基于目标辐射强度法3这种方法假设目标是一个具有恒定辐射强度的点源，并在测量过程中目标做匀速直线运动，目标坐标如图所示红外探测器探测到的辐射照度E与目标距离R的关系为2RJER12式中，J为目标的辐射强度，为单位长度上大气透过率。测量前标定红外探测器。连续测量三组目标角度和辐射照度E，目标距离R由下式给出YXZ目标R图12目标辐射强度法2222212212LNSINCOSLNSINCOS1COSSINSECCSCLNIIIIIIEER13其中12112112224SIN1ARCTAN22SINSINTAN1411II15221II164记时法BACLFWO12MM图13记时法4两个探测器视线交于一点B,形成三角形ABC,O为转轴。ABC绕转轴以恒定角速度旋转。若有目标扫过ABC，交于L和F点，则角W，为目标扫过L和F两点的时间差。根据几何关系，可推得目标距离ROLOF为221212SINSIN2SINSINCOSSINMR175光流法1213光流是空间运动物体在观测成像面上的像素运动的瞬时速度。对一组连续的二维图像序列中的某个某个目标的运动而言，沿该运动轨迹曲线的各帧相应像素点具有相同的灰度值图14光流法,IXYTIXYYYTT18再通过CORIOLIS方程和透视投影坐标可以解算出距离XXXXYYZYXYTIVVIVVZAIBII19式中VX，VY，VZ为摄像机相对于世界坐标系的速度，IX，IY，IZ为BRRON算子，X，Y为像素在成像面上的张角。6图像序列法14IIIIHRKHXKFXKFRK110其中，IHK为目标的高度，F为焦距，IRK为目标在成像面上的高度，XK即为要测5量的目标的距离。图15图像序列法7KALMAN滤波法77图16光流法在图所示的坐标中,描述目标三维运动状态的矢量表示如下1,TRXRR111在目标匀速运动的情况下,这些状态参量满足以下方程组DDT11222TANMZADRDTRR113COSDDT1142TANMZADRDTRR11511DRDTRRR116222MZADRRDTRRR117方程组中的、是目标角坐标；DDT是角坐标的时间导数；R和R是距离的时间导数；平台本身的加速度MA可作为己知量处理。若平台加速度为零，1/R在方程中不出现，则无法确定目标的距离，因此要求平台加速度不能为零。68双目立体视觉法1518其中，Q为目标，R为要测量的距离，B为两成像系统的光轴间的距离，FRFO1O2PX2BX1Q1Q2Q图17双目立体视觉法为光学系统的焦距，Q1和Q2为目标Q在两探测器成像面上的像点，X1和X2为Q1、Q2距各自成像面中心的距离,X1X2即为视差。测距公式为12BFRXX1189运动立体视觉法18112MBUZUU119其中，,PXY为目标，Z为待测距离，MB为探测器沿光轴方向运动的距离，U1和U2分别为探测器移动前后目标像点到成像面中心的距离。7PX,ZU2U1FBMXZ图18运动立体视觉法13本文的主要工作本课题经历了查阅资料、提出初步方案、建立数学模型、硬件搭建、算法改进等几个步骤，其中涉及到理论推导、硬件软件设计和调试验证等。具体来说，有以下几个方面1广泛查阅资料，理解被动测距的基本理论，收集现有的各种被动测距算法，通过比较优劣势再结合本课题的实际需要，从数学上推导出基于图像数据链的多站任意坐标被动测距的表达式并对误差进行分析。2在原图像跟踪19处理板的基础上，对硬件进行重新改进设计，采用双DSP的结构提高系统运算能力以适应多站通讯数据大实时性要求高等特点，增加外挂SRAM通过乒乓存储的方式提高图象处理能力，在这部分完成了电路板的原理图和PCB的绘制、DSP和FPGA2022在硬件上的调试以及对图像传输、存储、显示的FPGA程序。3在相关跟踪算法的基础上进行改进，提出了基于相关法的多幅图像配准的算法14本文的内容编排本文在第二章着重推导了应用于本课题的被动测距方法，从分析比较各种国内外现有的被动测距方法的基础上进行总结再结合课题的实际应用需求，提出了通过地面多台任意坐标机载图像处理机的图像通讯形成图像数据链的通讯网络，再由图像配准算法求出两两设备上的图像视差，最后结合双目立体视觉和运动立体视觉的原理推导出了一般情况下的三角法被动测距的公式，多台设备的综合运算以达到减小误差的目的。8第三章详细介绍了系统硬件的设计，其中包括双DSPFPGA的结构，双DSP的硬件设计和注意事项，系统原理图绘制和PCB制板第四章涉及图像传输、存储、变换、显示的FPGA实现。第五章主要是算法实现部分，提出了在对目标进行相关跟踪的基础上去实现对目标距离的测量，采用的即是相关法图像匹配实现两幅图像和多幅图像的配准再通过平均法减小误差。第六章是对全文的总结，概述了所做的一些工作和结果，以及对未来工作的展望和改进。在每章节中都有一节专门对本章进行了总结。92任意坐标多站被动测距原理和算法21基于三角法的被动测距理论基础从前面介绍的各种被动测距方法并结合本项目的情况，拟采用基于三角法的被动测距法。在此基础上，将双目立体视觉和运动立体视觉相结合，推导出任意坐标多站被动测距的公式。首先介绍双站且基线水平、光轴交汇点即为目标的三角法被动测距特殊情况的原理如下图所示，两基点O1，O2同位于X轴上，基线距离为L，目标为M，其在水平面的投影为M，在O1点测得目标的方位角为A1，俯仰角为E1，在O2点测得目标的方位角为A2，俯仰角为E2。运用正弦定理可得O1，O2到目标M的距离R1，R2分别为YXZO1O2MMA1A2E1E2图21三角法被动测距模型SIN21COS1SIN21LAREAA21SIN12COS2SIN21LAREAA22利用误差公式222222222121RSSSSRRLLLAAE23其中，S为坐标测量的标准差，设个参数标准差相同。10由此可得222221SIN2SIN1SIN1COS1SIN2121SIN21RLAAAATGEEAATGAAAA24由此式分析可知测量误差和基线距离成反比，因此我们考虑增加基线距离；误差与被测目标距离成正比，因此距离越远误差越大，这是我们需要考虑的限制因素，如何在提高测量距离的情况下保证测量精度；误差与方位角、俯仰角成反比，这就要求我们在满足测量条件的情况下尽量使测量设备（摄像头）对目标的角度大，以减小测量误差。鉴于以上的分析，这种简单的三角法被动测距在实际运用中几乎是不可能的，因为它要求两测量点在同一水平面上，而且基线距离很短，这在实际设计中是不可能达到的，即使按这种方法进行测量，误差是不能接受的，从而引出了下面提到的任意坐标测量点的多站被动测距，它既解决了对测量设备位置的苛刻限制，同时又能增加基线的距离进一步保证测量精度。22模型分析及理论推导本节从双站的模型出发进行推导引出多站的模型。推导中包含两种情况，一种是只知道两基点坐标而基线距离未知，另一种是基线距离已知而坐标未知分别讨论。O1X1,Y1,Z1O2X2,Y2,Z2M1M2O1X1,Y1O2X2,Y2SX,Y,ZSX,YM1M211221122H1H2M2“M1“图22双站任意坐标被动测距模型（坐标）11如上图所示O1、O2为测量中心点，其坐标分别为1,1,1XYZ、2,2,2XYZ，1O、2O为其在水平面上的投影，11OM、22OM为图像传感器光轴方向，待测目标点S，其投影为S,1、2为两传感器光轴的方位角，1、2为俯仰角，1、2为由图像处理得到的目标相对于光轴方向的方位角偏差，1、2为俯仰角偏差，由此可以得到目标相对于两测量点的方位角和俯仰角分别为11、22、11、22。在投影水平面上，在11SOH中，1111YYTGXX25在22SOH中，2211YYTGXX26由此可以解算出S的X、Y坐标为1122221111221122221122211221,TGXTGXYYYTGYTGXXTGTGTGTGTGTG27在11SOH中11111111COSCOSOHXXOS28待测目标距离111111111COSCOSCOSOSXXLOS29将X坐标代入，即得距离22112211111221COSCOSTGXXYYLTGTG210两测量点坐标未知，两点距离即基线距离已知为B，待测距离求解如下如图，12OO为基线距离已知为B，设待测目标距离1OS为L，则111COSOSL211设,SXY坐标为,XY，由方位角11，在11OSH中，可以求出1O点坐标为1O1211111111COSCOS,COSSINXLYO1X1,Y1,Z1O2X2,Y2,Z2M1M2O1X1,Y1O2X2,Y2SX,Y,ZSX,YM1M211221122H1H2M2“M1“B图23双站任意坐标被动测距模型（基线）由方位角22，在22OSH，可以求出2O点坐标为2O22222222COSCOS,COSSINXLYL由1O、2O坐标可以求出如图2222111122221111COSSINCOSSINCOSCOSCOSCOSARCTG2121112SOO2132221SOO214在12SOO中，由正弦定理221112SINSINOSOS215将111COSOSL带入，得11111122221SINCOSSIN2SINSINOSLOS216由俯仰角22可得到1111222222COSSIN2COSSINCOSLOSOSL21713下面在12OOS中来讨论以O2为坐标原点建立坐标系，将O1S在O1SO2平面内平移到O1与O2重合，如上图中，可求出O1点坐标1111111111COSCOS,COSSIN,SINLLLS点坐标2222222222COSCOS,COSSIN,SIN由此可得222221SOBABC218其中11112222COSCOSCOSCOSALL219O1X1,Y1,Z1O20,0,0SX,Y,ZBL11112222BL1111O1X1,Y1,Z1图24双站任意坐标被动测距模型（基线）（辅助）11112222COSSINCOSSINBLL2201122SINSINCLL221由上式化解得到2221221122COSCOSCOSSINSINBLLL222将11112222COSSINSINCOSLL带入得到1422222211111111122112222222222222COSSINCOSSIN12COSCOSCOSSINSINSINCOSSINCOSBL223所以最后可以求得目标距离12222211111111122112222222222222COSSINCOSSIN/12COSCOSCOSSINSINSINCOSSINCOSLB224其中2222111122221111COSSINCOSSINCOSCOSCOSCOSARCTG225以上推导都是应用于本项目的实际方法，上面只是双站的情况，在多站联合通讯应用的情况下，采用双目立体视觉和运动立体视觉互补结合的方式，双目立体视觉在摄像机视场边缘误差最大，而此时运动立体视觉误差最小；反过来，在焦点附近，双目立体视觉精度最高，而运动立体视觉精度最低。因此，将两者结合起来可以在整个视场范围内使误差较小达到一种平均效应。多站即是采用将双目测距将其中一站固定，另一站移动变换基线距离和方向而形成的。这样的结合和改进可以进一步在实践中灵活变化，通过以上几个措施在实际中能够充分满足高精度测量的要求。23误差分析从特殊情况下三角法被动测距的误差分析23中可以看出，参数对测量精度的影响是比较大的，因此对误差的分析对于在课题中的应用是有指导意义的，以下就对任意坐标双站被动测距的误差进行分析1坐标已知，基线距离未知的情况由测量误差公式222222222222222222211121LSSSSLLLLLLLLLXXYY226其中，S为坐标测量的标准差，为角度测量的标准差，由L的表达式可求出1LX、2LX、1LY、2LY、1L、1L、2L、2L、L代入上式得到测量标准差的表达式为1522222222SEC1221LATGXXYY22742221221LBTGXXYY22821211111122112COSCOSSINCTGTG22922421111221111222COSCOSSECCOSSINDT230222LSABCD231由上分析可以得到，测量误差与测量距离L成正比，与两测量点的距离成反比，与方位角、俯仰角成反比，与方位角俯仰角的偏差成反比。2坐标未知，基线距离已知误差分析同上，222222222222211LSLLLLLLB232对L表达式各项求偏导带入上式，最后可以求得误差表达式有误差表达式分析同样可以得到，测量距离L的误差与基线长度成正比，与各方位角和水平角及其图象偏差角成反比。由以上分析可知，此推导的结果与三角法误差分析的结论一致，因此在测量当中我们应该尽量增加基线距离，使摄像机对目标的角度尽量大，目标的实际距离合适。24小结本章主要从理论上推导了任意坐标多站被动测距的公式，建立了数学模型并进行了分析。首先从基本理论入手，采用单一的三角法在实际运用中实现起来困难，在本课题中，机载的设备不可能严格和水平面平行，同时又在行进运动状态下很难保证对双目立体视觉条件的符合，因此我们提出采用任意坐标下的两站的探测设备对目标的成像进行进一步推导。再则，三角法双站的两光轴的连线交点与目标重合，但实际中这也很难做到，因16此我们采用了光轴有一定偏差即上节中提到的1、2、1、2，这几个参数可以通过图像处理的方法从图像中计算得到，这样可以很好的解决上述问题。另外，为了进一步提高精度，增加系统的可靠性，我们通过效仿双目和运动立体运动视觉的方法，将两者有机结合起来，形成数据链，达到了预期效果。173系统硬件设计31系统硬件逻辑结构DSP1L2L3FLAGL0L1DSPJTAGDSP1L1L0FLAGL3L2DSPJTAG2828CLOCKEP2S60F102028ISOFLASH1MBFPGAJTAG大容量FLASHIS61LV10248IS61LV10248IS61LV10248IS61LV10248IS61LV10248IS61LV10248测试检测点配置芯片配置JTAGFLASH1MBISOHC244UARTADV7179输入输出接口（6032M078MF1C1）ADA4430在板监视电源变换模块3路数字视频信号输入图31系统硬件逻辑框图如上图所示，即为整个系统硬件构架的逻辑框图，其核心为双DSPFPGA的结构，DSP采用ADI公司的ADSPTS20124型DSP，FPGA采用ALTERA公司的STRATIX25EP2S60F1020型FPGA。另外还包括6片ISSI公司的SRAMIS61LV10248，每片容量为8M，其有20位的地址线，8位数据线和3位控制信号；ANALOGDEVICES公司10位的AD转换芯片ADV7179，用于图像显示；串口芯片TLC16C550，通过RS232接18口与外部通讯；DSP和FPGA本身的配置芯片、FLASH、电源模块芯片和电平转换芯片；总线接口采用782针插头，两端为视频输出头。32系统硬件设计321双DSPFPGA设计本系统由于要完成目标跟踪26和测距的算法，运算量大，同时对实时性要求高，固采用双DSP以提高运算速度，FPGA完成对图像解析、传输、显示以及一些接口控制时序等工作。双DSP的互连有三种主要方式，包括总线互连，LINK口互连以及总线和LINK口混合连接三种模式。1以高速外部总线耦合方式组成多DSP系统，可实现在多DSP系统内的资源共享，系统的各处理器可共享RAM、SDRAM和主机等资源，还可以共享其他处理器内核资源。总线式的长处就体现在资源共享上，它建立的是一点到多点的连接方式，因此可以在多处理器系统内部的各个处理器之间、主机与多处理器之间、各个处理器与外部存储器之间实现资源共享。这种方式具有连接简单的特点，但是高速外部总线口需要100多条线，PCB设计困难，层数较多，硬件上设计复杂，同时数据传输速率较低。2高速LINK口耦合方式组成多DSP系统，结构简单，有很高的数据传输速率。ADSPTS201S的一个高速LINK口单向通信包含4位数据，时钟与握手信号一共12条引线，双向通信要24条引线。在时钟内核为500MHZ时，双向数据传输速率可达1GB/S。FPGADSP1DSP2L0L1L3L2FLAG0IRQ0FLAG0IRQ0L2L3IRQ1IRQ1L0L1FLAG1FLAG1图32双DSP阵列结构19本设计采用了LINK口互连的方式，双DSP阵列硬件框图如上图所示，这种方式通信是点对点的，虽然有局限，但传输速率高能满足高实时性的要求，在硬件设计上也可以简化很多，也很适用于本课题先对目标跟踪再对其距离进行测量的流水线型的算法要求，因此采用了双DSP链路口连接的方式。1中断IRQDSP1的LINK口0、1的IRQ分别与DSP2的LINK口2、3的FLAG相连，DSP1的LINK口2、3和DSPLINK口0、1的IRQ与FPGA相连2FLAG标志对应IRQ的连接方法3时钟引脚CLKIN/CLKODSP1的LINK口0、1的时钟输入输出分别与DSP2的LINK口2、3的时钟输出输入对应，DSP1的LINK口2、3和DSPLINK口0、1的时钟输入由FPGA产生提供4BCMPI/BCMPO和ACKI/ACKODSP1的LINK口0、1与DSP2的LINK口2、3的BCMPI和BCMPO互连，其余口连接FPGA做传输数据完成标志，ACK连接同理，用做应答信号5LINK口由于图像数据是8BIT的，DSP之间以及DSP和FPGA之间均有两个LINK口连接，每个LINK口是4BIT的双向口，用于DSP之间以及DSP和FPGA之间的数据通讯DSP1、DSP2分别完成对两幅图像的跟踪，再通过LINK通讯在其中一DSP中完成对两幅图像的配准实现被动测距的算法。DSP1的LINK口0、1分别和DSP2的LINK口2、3互连。6ID03由于采取的LINK互连的方式，属于单处理器系统，两个DSP的ID03均接地拉低7BMS由于采用了分别加载程序的方式，因此两个DSP的BMS均接相应FLASH的片选信号20322外挂大容量SRAM的乒乓存储设计系统中需要进行处理的图像为7205768BIT，并且需要同时对至少两幅图像进行运算，对实时性要求高，因此201内部的RAM是远远不够存储要求的，为了进行高速数据处理和处理结果的传输，提高系统的工作效率，我们采用了容量为8M的SRAM来对图像进行存储，并且采用了乒乓存储的方式实现对图像对的轮次处理，将数据处理和数据传输同时进行，满足了图像数据流的连续处理和传输。本系统的硬件是为三路图像输入通道设计的，这里仅针对两路图像进行说明。FPGASRAM1SRAM2SRAM3SRAM4820CEOEWE820CEOEWE820CEOEWE820CEOEWEAB图33大容量SRAM乒乓存储结构每个SRAM有8位数据线，用于图像传输；20位地址线，用于FPGA存储、读取图像的地址；3位控制线，用于片选、读写使能。其中图像分奇、偶场存储，第一场的两幅图像分别存到A组SRAM1、SRAM2中，待第二场图像送入B组SRAM3、SRAM4时，DSP读取A组SRAM中的图像数据，以此类推，每次输入图像数据到一组SRAM作为读取，另一组SRAM送数据到DSP进行处理，实现了图像读取和处理的同步进行即乒乓存储的方式，其中读写的时序由FPGA通过SRAM的CE、OE、WE的控制来实现。由于DSP在每个时刻只能访问一组SRAM，通过设置FLAG信号来判断应该读取哪一组SRAM中的数据，两组SRAM与FPGA相连的FLAG信号设置为相反即可保证每个时刻只对其中一组SRAM进行操作，而另一组作为图像数据的缓冲。从而实现了图像的实时处理，提高了效率，也避免了由于同时获取运算数据或则存放数据和数据通信之间的冲突。21323图像显示ADV7179与FPGA、DSP的硬件设计P7P0PIXELDATAFPGAADV7179HREFHSYNCFIELD/VSYNCVREFBLANK1RESETGLOBLERESETCLOCKPIXELCLOCKDACAMONITOR图34图像DA转换显示一路图像要送到监视器供观看跟踪测距的效果，采用了ANALOGDEVICE公司的数模转换芯片ADV7179。接口包括8位数字图像数据，行同步、场同步、消隐、复位和时钟信号。图像数据在27M时钟的配合下输入ADV7179，同时在行同步和场同步配合下显示。ADV7179有主动和被动两种工作模式，在采用被动模式下，行场同步均作为输入信号，消隐信号始终置1；主动模式用于测试ADV7179工作是否正常，用显示的彩条信号来判断。ADV7179的2IC总线接口SCLOCK、SDATA用于对其进行初始化，该部分工作过程将在下一章FPGA软件部分进行详细叙述。324多DSP系统引导程序的硬件设计引导程序和引导方式是多DSP系统的重要组成部分，加载内核通过ADI公司的DSP开发软件VISUALDSP的ELFLOADEREXE程序生成，并附加到用户代码中，在启动过程中由处理器执行程序加载的过程。内核加载程序是一个可以进行修改的程序，即处理器进行启动时，首先将内核加载程序调入内部存储器，然后执行内核加载程序，把用户的程序调入处理器内部存储器，在用户程序调入完毕后，内核加载程序自动将用户程序替换内核加载程序，然后对处理器进行复位，以便执行用户程序。1多DSP内核引导程序的加载方式有以下几种，所对应的硬件设计上也不相同2EPROM（FLASH）引导方式通过处理器外部总线进行程序引导和加载3主机引导方式通过主机或者将其他处理器作为主机，实现引导和加载LINK口引导方式通过处理器的链路口实现程序加载在设计多DSP的引导程序时，需要用户编写相应的处理器引导程序，在这里我们采用了分别为每个DSP配置一个FLASH的方式，虽然增加了系统硬件的复杂度，但22是省去了内核加载程序的编写，VISUALDSP将自动添加内核加载程序代码生成相应的LDR加载文件，只需要将其烧写到相应的FLASH中，按照单DSP的调试方式分别对两个DSP进行调试，再通过LINK口对两个DSP进行联合调试。FLASHFLASHTS2011TS2012链路口链路口图35双DSP链路口引导加载方式325硬件功耗、结构、抗干扰、布局布线设计1功耗设计在保证实现功能的前提下，尽量选用低功耗的器件，对于一颗DSP来说，VCORE电压越高，时钟频率越快则功率消耗越大，因此在满足系统指标要求的情况下尽量选用低电压工作的器件；空闲时减少对外围器件的使用是降低功耗、减小体积的积极办法，所以选择带片选功能的器件是降低功耗的有效途径；此外，CMOS器件的悬空脚也应该引起我们的重视。因为CMOS悬空的输入端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致输入端信号电平随机变化，所以正确的方法是将未使用到的输入端接到VCC或地；在能够正常驱动后级的情况下,尽可能选取更大阻值的上拉下拉电阻以节省功率。2结构设计尽量选用体积小，重量轻的表贴式封装，外围电路简单的器件，电容电阻绝大部分选用了0603的封装，在高频性能要求较高的时钟电路和电源滤波电路部分仍采用了0805和1206封装；在电源芯片的选用上，对于线性稳压来说，其特点时电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很大，但其致命弱点就是效率低，功耗高；开关稳压电源电路的特点是效率高，升降压灵活，但缺点是电路相对复杂，干扰较大。单路电压输出的特点是输出电压的精度高，但需要多块单输出模块来实现，体积大；多路电压输出的特点体积和重量较小，但输出电压的精度比较低。对于小型化的设计来说，当然希望在功耗以及体积重量上能够越小越好，但是往往二者又是矛盾的，因此需要在功耗和体积重量上进行折中考虑，选用了TI公司专为DSP、FPGA等超大规模23集成电路提供完整的供电解决方案的电源转换芯片TPS70345和TPS70348，二者均为5V输入双电压输出，输出I/O口电压和核电压分别对应为33V/12V和33V/15V，其上电次序可以选择，可分为核电压先上电和I/O口电压先上电两种，可分别提供为1A和2A的I/O口电压和核电压的供电电流，非常低的静止电流190A，等待状态时输入电流1A，供电电压变化精确度2，输出电压转换精度在85以上。外围电路器件也较少，并且它们外型尺寸大小仅为779MM660MM。电路板尺寸大小为125MM112MM，12层布线敷铜，板厚3MM,主要器件DSP和FPGA位置居电路板中间位置，加散热板，主要器件大部分位于顶层，各种外围接口尽量靠近板边缘。3抗干扰设计1电源线设计，根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力地线设计，数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地铜箔。接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。在布线工作的最后，用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满。2去耦电容配置，PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的去藕电容，去藕电容的一般配置原则是印刷电路板的电源输入端跨接一个10100UF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100UF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。原则上每个集成电路芯片都应布置一个001UF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个1PF10PF的钽电容。对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去藕电容。电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。4布局设计24由于电路板PCB尺寸较小，散热性不好，且邻近线条易受干扰。首先要确定特殊元件的位置，其次要精心做好板层的定义在复杂高速的电路系统中，单独的电源、地层是必须的。可以起到阻抗控制、降低电磁干扰、滤除高频噪音等重要作用。高速情况下可以加入多余的地层来隔离信号层，但需要注意多加电源线，则可能引入噪声干扰。板层定义好后，最后根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局，遵守原则如下尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。1某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。2应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。3按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。4以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。5在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观而且装焊容易，易于批量生产。6位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2MM。7电路中相互关联器件尽量靠近，以缩短器件间连接导线的距离；工作频率接近或工作电平相差大的器件应相距远些，以免相互干扰。8考虑电路板的安装方式，最好将R0M、RAM、功率输出器件及电源等易发热器件布置在板的边缘或偏上方部位，利于散热。5布线设计1尽量减少印制导线的不连续性，导线宽度不要突变，对信号特别是高频信号导线拐角，应设计成135度走向，或成圆形、圆弧形，切忌成90度，或更小角度形状，禁止环状走线等。2尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象25必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。3时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，驱动器应紧挨着连接器。4数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线，最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。5电路中主要信号线最好汇集于板中央，且力求靠近地线，或用地线将其包围，信号线、信号回路线所形成的环路面积要最小，尽量避免长距离平行布线，电路中电气互连点间布线力求最短。6相邻布线面导线采取相互垂直、斜交或弯曲走线，以减小寄生耦合，对高频信号导线切忌相互平行，以免发生信号反馈或串扰，或在2条平行线间增设1条地线。7妥善布设与外相连的信号线，尽量缩短输入引线，提高输入端阻抗。对模拟信号输入线最好加以屏蔽。在信号布局布线中，尤其以DSP链路口的差分数据线的布置最为讲究，它直接影响到送给DSP的数据做图像处理算法的精度，DSPLINK口LVDS信号PCB有以下几点需要注意的1如果可能的话，应把LVDS差分信号放于PCB的底层或顶层。电源层或地层位于LVDS的下方，这叫“微波传输带”。如果不可能，就把LVDS信号放在电源层和/或地层的的夹层中，称为“微波带状线”。2使PCB上的过孔数目尽量减少。过孔会恶化信号的完整性，过长的线会引起意想不到的结果。3在LVDS对之间不应有信号或过孔，且相邻的LVDS对之间不应该放置紧密的信号线或过孔。4对LVDS的布线不应有90度角，应使用45度角并保持所有LVDS对之间的宽度和空间为常数。5对高速4BIT操作，链路口时钟信号应放在四组LVDS数据信号之间。布线示意如下26DATA0PDATA0NDATA1PDATA1NCLKPCLKNDATA2PDATA2NVDDORVSSPLANEDATA3PDATA3N交流地层图364BITLVDS时钟布线LVDS对的上方或下方不应有任何信号。链路口与链路口之间的连接应该是点对点的。所有的线长应是/250MIL,这样可以使延迟限制到/50PS内。33系统工作原理、过程及主要技术指标本平台是基于自定义总线的高速图像处理平台，主要由双TS201DSP和1个高性能的FPGA、大容量图像缓存、数字图像输入通道、模拟图像输出通道、通讯接口等部分组成。处理平台各部分组成及其基本功能简述如下1数字图像输入根据系统总体的设计要求，3路数字图像信号从总线插头输入，经245隔离驱动处理后送入FPGA。接口信号兼容5V/33V。2DSP/FPGA并行