基于TMS320DM642的電視測角儀檢測研究

高偉偉，王竹林，張自賓，張曉龍

（軍械工程學院四系，河北 石家莊 050003）

基于TMS320DM642的電視測角儀檢測研究

高偉偉，王竹林，張自賓，張曉龍

（軍械工程學院四系，河北 石家莊 050003）

通過分析電視測角儀的檢測需求，結合數字圖像處理技術，提出了以TMS320DM642為核心的視頻檢測系統框架，并對主要電路的設計進行了詳細的介紹。根據CCD像元與數字圖像中像素的對應關系，提出了在數字圖像中計算彈標偏移量的處理方案，結合電視測角儀捕捉彈標信號的特點，通過追蹤窗口的定位縮小了數據處理范圍，提高了檢測系統的實時性。整個系統以視頻采集系統為基礎，以數字圖像處理為核心，為電視測角儀的檢測研究提供了一種新的思路。

電視測角儀；參數檢測；視頻處理；TMS320DM642芯片；數字圖像處理

1 引 言

電視測角儀是某型裝備的地面制導設備，它集光、機、電于一體，屬于技術密集的光電儀器。為了確保電視測角儀能夠滿足戰術、技術指標要求，在生產、維修中都迫切要求有一種能夠快速、準確地定量檢測技術參數的設備，以便確定測角儀是否能夠滿足戰術、技術指標要求，及時發現故障并確定故障原因[1]。隨著數字圖像處理技術的高速發展，數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）應用領域的不斷擴張，以視頻監控系統為代表的各種圖像處理方案應運而生，如交通信息監測系統、自動報靶系統、網絡攝像系統等。因此，電視測角儀通過圖像處理技術，快速、高效實現各項參數的檢測要求成為可能。

TMS320DM642是TI公司于2003年左右推出的一款32位定點DSP芯片，由于其接口方便、編程簡單、穩定性好、精度高、可重復性好、集成方便等特點，成為各種視頻解決方案的理想選擇[2]。以TMS320DM642為核心，各種成熟系統的推廣應用為電視測角儀檢測方案的設計提供了重要的理論與實踐依據。隨著部隊快速化保障需求的不斷提高，現有檢測設備已經很難適應現代戰爭的要求，以DSP為核心的視頻解決方案可以彌補以往專用設備的不足，為電視測角儀的檢測提供可靠、準確、高效的系統[3-4]。

2 電視測角儀檢測系統設計

2.1 測試需求分析

電視測角儀的參數有測角精度、靈敏度、抗干擾能力、視場、零點、變焦時間、短焦到位等[5]。由于篇幅有限，主要介紹前3個參數的檢測。

2.1.1 測角精度

測角精度是指瞄準鏡瞄準目標時，導彈偏離瞄準線的偏差角。電視測角儀有兩個精度指標：（1）攻擊400m 處的目標時，精度應為 3.4′；（2）攻擊 3 000m處的目標時，精度應為20.6″。導彈飛行至400m處相對于電視鏡頭的變焦時間為3.8 s，3000m處相對于電視鏡頭的變焦時間為28s。也就是說，可以根據測量變焦時間在3.8 s和28 s導彈偏離瞄準線的偏差角來檢測測角精度?，F有檢測設備是在測量時用電視測角儀瞄準鏡的十字線對準雙夾十字絲，啟動變焦系統，電子波們捕獲中心孔（目標），參數檢測儀把變焦過程中目標相對于瞄準線的角偏差記錄下來，若變焦結束后的誤差大于20.6″，需要重新標定電視測角儀的零點。

2.1.2 靈敏度

靈敏度是指電視測角儀提取彈標信號的能力。通常情況下，通過改變模擬光學環境下背景與彈標的對比度來檢驗電視測角儀的靈敏度。在背景電平為0.5V±0.05V，彈標的信號高出背景0.2～0.3V以上，電視測角儀應能穩定可靠地捕獲目標。

2.1.3 抗干擾能力

在戰場環境下，電視測角儀會受到各種干擾的影響，這就要求電視測角儀有一定的抗干擾能力?，F有檢測設備在模擬光學環境下，通過設置干擾光點看電視測角儀的捕獲情況來判斷抗干擾能力正常與否。電視測角儀關于抗干擾的戰術技術指標要求是:當背景電平在0.5V±0.05V，干擾信號幅值為1.1V時，跟蹤窗口不捕獲。

2.2 總體方案設計

為高效、可靠、準確地檢測電視測角儀各項指標，結合圖像處理技術，采用以TMS320DM642為核心的視頻檢測系統，通過控制和設置模擬光學環境中各個信號，分析數字圖像信息，采用濾波技術、圖像分割技術等提取出彈標信號，排除干擾信號。電視測角儀檢測系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

通過控制室內光學模擬系統的背景電壓和彈標信號電壓，為電視測角儀提供檢測信號，圖像采集模塊將兩路模擬全電視信號混疊處理后進行模數轉換，以TMS320DM642為核心的最小系統通過預先植入的程序對數字圖像進行處理，并將結果轉送到視頻輸出模塊顯示，同時通過串口模塊將處理結果輸出。

2.2.1 硬件設計

（1）最小系統設計。結合電視測角儀檢測系統的需求，首先設計了最小系統，如圖2所示。其中，電源管理模塊為DM642的內核和I/O分別提供1.4V和3.3V的電壓，并為其他選用芯片提供所需電壓。復位模塊對I/O電壓進行監測，必要時對系統進行復位操作。為提高系統穩定性，降低片外時鐘頻率，在時鐘模塊使用DSP片內鎖相環（PLL），通過外部引入50MHz時鐘源，將其經PLL進行12倍頻得到CPU所需600MHz；由于系統中各個芯片需要不同的時鐘源，采用可編程芯片CY22381，通過編程配置各參數，滿足各芯片時鐘輸入需求[6]。JTAG是基于IEEE1149.1標準的一種邊界掃描測試方式，結合配套的仿真調試軟件，通過JTAG仿真模塊，可以訪問DSP的所有資源，包括片內寄存器以及所有的存儲器。在通過視頻信號對電視測角儀進行檢測時，需要處理海量的數據，而DM642內部最多僅有256KB的RAM，由于同步動態存儲器（SDRAM）讀寫速度快、存儲空間大，能保證DSP的運行速度，所以采用HY57V283220T-H芯片完成圖像數據的存儲。不過，SDRAM不具備掉電保護功能，為了保存程序代碼和一些掉電后仍需保存的數據，需要擴展Flash存儲器，該設計采用了AMD公司生產的Am29LV033C芯片[7]。

圖2 最小系統設計

（2）視頻采集與視頻輸出。電視測角儀輸出電視信號為模擬PAL信號，為對電視信號在DM642中進行數字處理，選用TI公司生產的TVP5150為視頻解碼芯片，該芯片具有低功耗、支持PAL制式視頻信號等特點，工作電壓與DM642相同，這樣便于電源管理模塊的設計，視頻采集電路連接如圖3所示。TVP5150與DM642實現了無縫連接，它將PAL信號轉化為數字信號供DM642處理[8]。在檢測電視測角儀各項參數指標時，需要實時觀察信號的變化情況，這就需要將輸出的數字圖像轉化為模擬信號供給顯示器顯示，設計中選用了Philips公司生產的專用視頻編碼芯片SAA7121，該芯片是一款數字PAL/NTSC編碼器，可將YUV數字化視頻數據同時編碼為NTSC/PAL制式的CVBS或S-video信號，在顯示器上進行顯示；通過I2C的時鐘線SCL和數據線SDA，DM642對SAA7121芯片進行控制與參數設置，實現檢測過程的實時監控，視頻輸出電路連接如圖4所示（“#”代表低電平有效）。

圖3 視頻采集電路連接

圖4 視頻輸出電路連接

（3）串口模塊設計。在測試過程中，需要不斷將測試數據傳送到PC機，以實現電視測角儀檢測單元與整個自動測試系統的通信，這樣在DM642與PC機之間設計了串行接口，如圖5所示。在設計中，采用TI公司生產的TL16C752B芯片作為通用異步收發器（UART）。其中，TL16C752B與DM642之間通過8-bit總線傳輸數據，它的讀/寫控制信號來自于DM642，通過2組TX與RX引腳發送與接收串行數據，兩組端口的使能信號通過CPLD產生。由于PC機的串口是RS232電平標準，因此在UART與PC機之間加2片MAX3232芯片，實現TTL-RS232電平轉換。

圖5 串行接口設計

2.2.2 軟件設計

電視測角儀檢測系統軟件設計基于TMS320C6000集成開發環境CCS2.2，采用DSP/BIOS進行開發。通過DSP/BIOS來調度任務，可更加合理地利用資源并且在程序中減少動態對象的建立，使得開發者可以將更多的精力投入到特定算法的開發上。檢測程序流程如圖6所示，DM642上電或復位后，系統自動從Flash引導加載軟件系統，在初始化DSP/BIOS操作系統之后，調度圖像采集和圖像處理程序模塊。當電視測角儀變焦結束，系統檢測到采集圖像不再變化，此時通過串口模塊輸出檢測結果，隨后退出檢測程序。

圖6 檢測程序流程圖

3 參數檢測算法實現

在光學模擬環境下通過控制背景光源和目標光源，為電視測角儀提供了模擬戰場環境和彈標信號，通過檢測圖像變化、追蹤窗口有無、彈標位置坐標可實現電視測角儀各項指標的檢測[9]。電視測角儀捕獲圖像如圖7所示，兩條白色豎線代表追蹤窗口，追蹤窗口之間有一白色的圓點代表彈標信號，黑色線條代表最小視場寬度。

圖7 電視測角儀捕獲圖像

圖8 靶面彈標位置

在進行精度指標檢測時，需要在變焦結束時測得彈標偏離瞄準線的偏差角[10]。在瞄準鏡瞄準彈標時，彈標信號應該成像在CCD靶面坐標的中心，由于各種誤差的出現，觀測到的彈標總會偏離靶面中心，靶面彈標位置如圖8所示。其中，灰色方塊代表彈標位置，Δx與Δy為彈標偏離中心的坐標。設電視光學系統的焦距為f，電視測角儀精度為φ，則如式（1）所示：

電視信號中的靶面信息在數字圖像中是由像素矩陣呈現的，不同位置像素灰度值的差異體現了靶面信息各部分的差異。由于CCD靶面像元位置與數字圖像中像素位置是一一對應的，那么彈標偏離中心的坐標與數字圖像中彈標區域的位置也是一一對應的，它們的計算完全可以在數字圖像中完成。設CCD靶面相鄰像元的中心距離為μ，在數字圖像中以對應十字瞄準線中心為原點，十字線為坐標軸，X代表橫軸像素位置，Y代表縱軸像素位置，那么電視測角儀的精度φ在數字圖像中表示為：

也就是說，通過提取彈標信號在數字圖像中的位置完全可以實現精度指標的檢測。精度指標檢測的關鍵是在瞄準目標時定位彈標信號偏離瞄準線的坐標，也就是如何確定彈標位置。通過觀察發現電視測角儀檢測到彈標信號時，追蹤窗口將對彈標信號進行鎖定，并隨彈標信號的運動而運動。于是可先檢測追蹤窗口，然后在追蹤窗口中檢測彈標信號，這樣可以排除追蹤窗口之外的干擾，減少算法計算量。同樣，靈敏度與抗干擾指標的檢測可通過在追蹤窗口中檢測有無彈標信號來實現。

4 結束語

采用以TMS320DM642為核心的電視測角儀檢測系統，彌補了以往電視測角儀檢測儀處理數據能力的不足，提高了實時性。通過視頻采集系統將模擬視頻信號數字化，結合數字圖像處理技術，將各項參數的檢測轉化為數字圖像中各部分灰度值的檢測，減小了硬件開銷，提高了便攜程度。

[1]王竹林，蘇群星.某型反坦克導彈武器系統[M].北京：兵器工業出版社，1999.

[2]王躍宗，劉京會.TMS320DM642應用系統設計與開發[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]郭慰萱，郭寶龍.基于DM642的視頻處理系統設計與實現[J].電子設計工程，2009，17（1）：79-81.

[4]何莉莉.基于TMS320DM642的H.264視頻編碼器設計[J].西華大學學報：自然科學版，2005，24（5）：11-13，21.

[5]趙 建.一種雙CCD測角儀的參數檢測方法研究[D].北京：中國科學院，2003.

[6]岡薩雷斯.數字圖像處理[M].北京：電子工業出版社，2007.

[7]畢文青.基于DM642的運動跟蹤系統的設計與實現[D].濟南：山東大學，2008.

[8]崔麗珍，張祥松.基于DM642的視頻圖像實時通信和傳輸[J].電子與封裝，2009（11）：27-28.

[9]趙孔新，李金岳.基于CCD的新型電視測角儀設計[J].視頻應用與工程，2008（1）：88-91.

[10]祖先峰，潘孟春.基于虛擬儀器的電視測角儀測試系統[J].儀器儀表學報，2006，27（10）：1248-1252.

Detection of TV goniometer based on TMS320DM 642

GAO Wei-wei，WANG Zhu-lin，ZHANG Zi-bin，ZHANG Xiao-long
（Department 4，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the testing requirements of TV Goniomete，a video test system with TMS320DM642 as the core framework was proposed by combining digital image processing technique，and the main circuit design was introduced in detail.According to the correlation of CCD pixels with the pixels in the digital images and the characteristics of television goniometer to capture the marked bullet，a treatment program was proposed to calculate the offset of marked bullet in the digital image.Using the proposed system，the range of data processing was reduced by locating the tracking window，and the real time quality of test system was improved.The entire system is designed based on video acquisition system with digital image processing as the core，which provides a new way for television goniometer test study.

TV goniometer；parameter detection；video processing；TMS320DM642；digital image processing

TJ765；TM930.12

A

1674-5124（2011）01-0056-04

2010-03-26；

2010-06-03

高偉偉（1986-），男，山西臨汾市人，碩士研究生，專業方向為檢測技術與自動化裝置。