無人機光電載荷圖像處理器的設計

魯劍鋒

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

無人機作為一種特殊的戰場武器，其武器化趨勢及其未來作戰應用越來越引起世界各國的重視。特別是小型無人機，如美國陸軍的“烏鴉”無人機等，已以其隱蔽性強，操作簡單，成本低的特點，成為世界各國軍方關注的焦點。無人機載光電偵查載荷主要用于實現戰場環境的監測，戰場目標的識別和跟蹤。隨著無人機任務載荷的發展和進步，探測手段也從原始的膠片照相機，發展到現今的可見光CCD、紅外熱像儀傳感器以及激光指示器等。2002年，美國“捕食者”無人機安裝了雷神公司研制的AN/AAS-52多頻譜目標指示系統，該系統集成了紅外、彩色光電照相機和激光指示器［1］。未來的無人機上還將安裝多波段傳感器來滿足用戶對多頻譜和高頻譜數字光電設備的需求，而圖像處理器作為判斷、識別目標并引導光電任務載荷跟蹤目標的主要設備，在現今的無人機偵查設備中有著不可替代的作用。

本文對無人機載設備的技術特點和機載圖像處理器的構成進行了研究，利用數字信號處理(DSP)芯片作核心器件，結合現場可編程門陣列(FPGA)和微控制單元(MCU)設計并研制了適用于無人機光電載荷的圖像處理器，該處理器具有體積小、重量輕、功耗低等優點。

2 無人機載設備的技術特點

根據無人機自身的特點，無人機載設備有著與其他載體設備不同的要求:

(1)無人機載設備受到無人機體積的限制，其線路板的體積、形狀都受到約束;

(2)由于無人機，特別是小型無人機的載荷能力有限，要求機載的任務載荷重量輕，以便飛機能夠盡可能多地攜帶任務載荷。例如EADS公司研制的微型無人機重量約500 g，攜帶的傳感器重量僅為50 g。美國陸軍的“烏鴉”無人機和海軍陸戰隊的“龍眼”無人機上的紅外偵查設備是被稱為“歐米茄”的紅外照相機，重量不到200 g，功耗 ＜1 W［2］;

(3)無人機提供的電源功率有限，不能像地面設備一樣通過市電或者油機提供大功率電源，因此，要求機載的任務載荷功耗低。同時，無人機提供的電源范圍較寬，通常要求載荷在(24±10)V的范圍內都能夠正常工作［3］。

基于以上的特點，本文設計了基于 TI的TMS320C6416DSP的小型機載圖像處理器，系統呈圓形，直徑為 97 mm，重量為 35 g，電源為+12 V～+36 V，功耗＜5 W。

系統采用DSP+FPGA+MCU的構架，實現了從圖像數據的采集、處理到輸出的過程。

3 機載小型圖像處理器的硬件構成

針對機載圖像數據量大的特點，采用了美國TI公司的高速數字信號處理器—TMS320C6416為主處理器。同時，為了保證系統的實時性，以現場可編程門列陣器件FPGA作為系統的邏輯控制及時序處理器，使用MCU單片機C8051F023芯片作為外圍接口控制處理器，配合以高速的Camera-link視頻解碼、編碼器件等，構成了實時高速數字圖像處理系統，其原理框圖如圖1所示。

圖1 DSP圖像處理系統硬件原理框圖Fig.1 Schematic diagram of hardware for DSP image processing system

系統的工作原理為:Camera-link解碼芯片DS90CR286接收由CCD給出的視頻信號，經過解碼得到圖像信息、采樣時鐘以及行、幀同步信號，并將信號轉化為標準TTL電平信號，發送到FPGA芯片中。FPGA芯片作為整個系統的邏輯、時序控制芯片，不僅控制圖像數據的傳輸，同時，負責DSP與MCU的實時數據交換。系統時序以Camera-link解碼出來的視頻幀同步信號為整個系統的時統信號，這樣，DSP芯片在圖像的采集和處理過程中，不會被通訊等其它事件所打斷，計算出來的目標位置等信息能夠實時地通過FPGA傳輸給MCU芯片。MCU芯片同樣以幀同步信號為消息，從FPGA芯片中讀取DSP的信息，同時，將系統對外串口得到的消息通過FPGA芯片發送給DSP。MCU負責系統的對外通訊工作，通過RS422串口芯片實現與無人機系統的數據交換。MCU芯片對外通訊采用中斷方式，收到外部通訊請求，立即響應中斷，確保與系統數據交換的實時性;通過FPGA對內通訊，采取查詢方式，在沒有外部通訊中斷的情況下，實時查詢幀同步信號，查詢得到幀同步信號后，通過FPGA進行圖像處理器內部的數據交換工作［4］。

圖像數據的傳輸過程為:Camera-link解碼芯片將圖像數據按照幀同步及采樣時鐘信號發送到FPGA芯片中，FPGA芯片將數據分成兩路，一路提供給 DSP，用作圖像處理;另一路發送給Camera-link編碼芯片。提供給DSP的圖像數據，在FPGA芯片內部設置兩個雙端口RAM(DPRAM)［5］，將奇數行與偶數行的圖像數據分別交替寫入兩個DPRAM中。根據DSP芯片發出的指令，FPGA將相應區域圖像的第一行圖像數據寫入一個DPRAM中，然后通知DSP進行讀取圖像數據，在DSP讀取圖像數據時，FPGA將下一行的圖像數據寫入另一個DPRAM中，依次交替進行乒乓操作［6］。這樣，在可選擇的任意大小范圍內的圖像數據依次存入DSP的內存中。同時，FPGA將用于輸出的圖像數據發送到Camera-link編碼芯片DS90CR285中，對圖像進行Camera-link協議編碼，通過Camera-link接口輸出。

系統的主要特點是:

(1)DSP處理器在600 MHz時鐘工作時，處理能力可達4 800 MIPS;

(2)DSP外擴主頻為166 MHz的SDRAM，SDRAM容量為4 MByte;

(3)DSP 帶 8MBIT FLASH ROM［7］的程序存儲器;

(4)FPGA對圖像進行濾波、邊緣預處理等工作;

(5)MCU負責與外部進行串行數據通訊;

(6)具有 JTAG端口，支持實時的仿真調試［8］;

(7)低電平邏輯數字電路設計，降低功耗。

全面采用BGA封裝及小型表貼封裝器件，器件工作的IO電壓全部為3.3 V，減小了PCB尺寸，降低了功耗，增強了系統兼容性與可靠性。

3.1 TMS320C6416數字信號處理器

TMS320C6416是TI公司于2007年推出的TMS320C6000系列處理器中的一款主流圖像處理器，處理器片內總線采用的是修正的哈佛總線結構［7，8］。針對無人機載設備的環境適應性要求，系統選用了TMS320C6416GLZA6E3寬溫處理器，工作溫度為 －40～85℃，時鐘主頻為600 MHz;采用了C6000系列標準的甚長指令字(VILW)結構，每個時鐘周期可讀取指令總字長為256 bit。系統在設計時采用DSP片內的PLL電路對外部時鐘進行倍頻［8］，采用50 MHz的晶振作為提供給DSP芯片的工作晶振，用片內的PLL電路對50 MHz時鐘進行12倍頻，這樣，避免了高頻晶振及高頻線路引起的電磁兼容問題。TMS320C6416片內集成了1M-BYTE的DATA RAM 和 PROGREM RAM［7］。

DSP對片外存儲器的訪問是通過兩個外部存儲器接口(EMIFA＆EMIFB)［7］來實現的。

DSP的EMIF可以擴展的存儲器接口包括［5］:

(1)同步突發靜態RAM(SBRAM)存儲器;

(2)同步動態RAM(SDRAM)存儲器;

(3)異步存儲器，如 SRAM，FLASH，FIFO等［8］。

選用SDRAM(HY57V653220B)作為 DSP的緩存，進行圖像數據等的緩存。SDRAM的接口采用DSP芯片提供的無縫接口，接口速度為1/2 CPU CLOCK［9］，占用 DSP 接口的 CE2 空間［9］。

圖像數據從FPGA到DSP的傳輸，由EDMA控制寄存器把圖像數據以EDMA方式導入DSP中［7］。DSP使用異步存儲器接口與FPGA片內的DPRAM相連接，通過EDMA進行圖像的導入工作［10］，不占用DSP芯片的CPU資源，而是由EDMA控制器來完成圖像導入的工作，從而將DSP的CPU資源完全用來實現圖像處理算法［11］。

DSP程序存儲在外擴的一片Flash芯片中(ATMEL公司的AM29LV800芯片)，上電復位時將程序自舉［12］，導入DSP內。系統采用MAP1存儲器映射方式［13］，Flash閃存占用DSP的EMIFB的16 bit接口空間，SDRAM與雙口RAM占用DSP的 EMIFA 的32 bit接口空間［14］。

3.2 邏輯主控FPGA芯片

系統選用的主控邏輯芯片是Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C35F672I8，該芯片的核電壓為1.2 V，IO接口電壓為3.3 V，同時支持1.5、1.8和2.5 V LVTTL電平的 IO輸入和輸出［8］。低電平的IO電壓為高速信號傳輸提供了可能，確保了圖像數據存儲的實時性和完整性［2］。采用EPCS4串口ROM芯片作為FPGA的配置芯片，系統上電后，EPCS4芯片將程序自舉加載到FPGA中［9，12］。

3.3 對外通訊管理芯片MCU

無人機系統的實時通訊往往與圖像的幀信號不同步，而二者都要求實時性，因此，圖像處理器在設計上選用了Silicon Labs公司的C8051F023單片機芯片，作為對外通訊的管理芯片，配合FPGA芯片完成圖像處理器與無人機系統及圖像處理器內部的數據交換。這樣，既保證了圖像處理器與系統的數據交換的實時性，又保證了DSP在圖像處理過程中的連續性［4］。

C8051F023芯片采用高速的8051μC核，具有很好的兼容性。芯片使用3.3 V電源供電，比傳統5 V供電的單片機功耗更小。芯片提供內置的2～16 MHz可編程時鐘振蕩器［8］。圖像處理器采用芯片內部的16 MHz時鐘作為芯片的工作時鐘。芯片內部提供4 Kbit的數據存儲器以及64 Kbit的Flash程序存儲器。

3.4 上電程序加載與復位

圖像處理器采用TI公司的TPS3824復位芯片作為整板的上電復位芯片。DSP及其程序存儲芯片、MCU芯片和串口芯片等都使用TPS3824復位信號。而FPGA芯片因為不需要復位信號，所以使用 FPGA芯片提供的TPS3824看門狗信號［12］。

系統的DSP芯片、FPGA芯片以及MCU芯片都需要上電進行程序的加載工作。其中，DSP與FPGA芯片從片外的存儲器進行程序加載，MCU芯片從芯片內部的Flash存儲空間進行程序的加載。這樣，產生了程序加載的時序問題，即DSP與MCU加載沒有完成，FPGA已經加載完畢并發出了相應的初始化的指令;或者DSP加載完畢，而FPGA沒有完成程序的加載，造成DSP與MCU之間的初始化指令不通等故障。為了避免產生加載時序的問題，圖像處理器在設計上選擇了應答的模式。FPGA芯片不需要復位芯片提供的復位信號，同時，FPGA芯片提供給復位芯片看門狗信號，也就是說，FPGA不提供看門狗信號，復位芯片將會進行圖像處理器系統的復位［9］。因此，在DSP與 MCU程序設計時，設計了應答激活模式［13］。FPGA芯片加載完成后，將向DSP芯片與MCU芯片發出固定地址的高電平信號。DSP與MCU芯片在程序設計的初始化工作完成后，在循環中等待，讀取相應地址的信號。收到信號，則證明FPGA芯片已經完成初始化，立即向FPGA發出應答信號，同時，可以進行圖像處理或者系統通訊。若沒有收到信號，則表示FPGA芯片初始化沒有完成，DSP與MCU就在循環中不停地讀取相應地址信號，直至收到FPGA信號為止。FPGA芯片初始化完成后，發出相應的信號，然后等待DSP與MCU的應答信號，同時，發送固定電平信號給復位芯片的看門狗［15］。若1.6 s內仍未得到DSP與MCU的應答信號，則復位芯片進行系統復位，DSP與MCU重新進行復位，程序加載。

4 結論

本文采用DSP+FPGA+MCU的硬件結構，設計并研制了適用于無人機光電載荷的圖像處理器，與原有的其他機載圖像處理器系統相比，該處理器具有體積小、重量輕、功耗低等優點。同時，整板采用小型、貼片型器件，系統的可靠性高。該處理器已應用于無人機系統中，工作良好，性能可靠，能夠滿足無人機光電載荷的任務需要。

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