基于无人机载荷的超小型图像处理器的设计(共5页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于无人机光电载荷的图像处理器的设计鲁剑锋（长春光学精密机械与物理研究所 长春 ）摘要：无人机光电载荷是实现无人机侦查任务的重要设备。图像处理器能够准确的识别、跟踪目标，从而引导光电载荷以及无人机捕捉、定位目标，实现精确打击。系统采用TI公司的数字信号处理器芯片为核心处理器，配合可编程逻辑器件FPGA与外部管理MCU，来实现目标数据的采集与处理。针对机载设备的特点，设计充分考虑了体积、重量、功耗等要求，设计了小型图像处理器，应用于多台套机载光电载荷中，工作稳定可靠。关键词：无人机 光电载荷 数字信号处理器 图像处理器Design of image System bas

2、e on UAV electro-optical payloadsLu JianFeng ( Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics , Chang Chun, )Abstract: The UAV electro-optical payloads are excellent means for reconnaissance. The image system is able to track target so that it can channel off the UAV electro-optical paylo

3、ad. The system used height-performance DSP (TMS320C6416) to realize the real-time digital image processing algorithm，it also used MCU to control the UART and field programmable gate array FPGA to control logic and preprocess the image. In order to fitting the demands of the UAV ,the tiny image syste

4、m is designed . The image system has been solved the reliability and adaptability problem of in current UAV systems.Key word: UAV, electro-optical payload, DSP, image processing1、 引言 随着美国在巴基斯坦对本.拉丹采取的行动，无人机作为一种特殊的战场武器，越来越引起各国的重视。特别是小型无人机，如美国陆军的“乌鸦”无人机等，以其隐蔽性强，操作简单，成本低的特点，成为各国军方关注的焦点。无人机载的光电侦查载荷，用来实现

5、战场环境的监测，战场目标的识别、跟踪，作为最早装备的无人机任务载荷，探测手段也从原始的胶片照相机，发展到现今的可见光CCD、红外热像仪传感器以及激光指示器等多探测方式。2002年，“捕食者”安装了雷神公司研制的AN/AAS-52多频谱目标指示系统，该系统集成了红外、彩色光电照相机和激光指示器1。无人机上将继续安装多波段传感器，用户需要多频谱和高频谱数字光电设备，数据输出更适合于自动目标识别设备，能够定位易逝和伪装目标。图像处理器，作为判断、识别目标并引导光电任务载荷跟踪目标的主要设备，在现今的无人机侦查设备中，有着不可替代的作用。2、 无人机载设备的技术特点无人机载设备根据无人机自身的特点，有

6、着与其他载体设备不同的要求。第一，无人机载设备受到无人机体积的限制，线路板的体积、形状都受到限制。第二，由于无人机，特别是小型无人机的载荷能力有限，要求机载的任务载荷重量轻，以便飞机能够尽可能多样的携带任务载荷。例如EADS公司研制的微型无人机重量约500克，携带的传感器为重量仅为50克的照相机。美陆军“乌鸦”无人机和海军陆战队“龙眼”无人机上的红外侦查设备是被称为“欧米茄”的红外照相机，重量不到200克，功耗小于1瓦2。第三，无人机提供的电源功率有限，不能像地面设备一样，通过市电或者油机提供大功率电源，因此，要求机载的任务载荷低功耗。同时，无人机提供的电源范围较宽，通常要求载荷的适应性在24

7、V10V的范围内都能够正常工作3。基于以上的特点，设计了基于TI的TMS320C6416DSP的小型机载图像处理器，系统尺寸为直径97mm的圆形，重量35克，电源范围为+12V到+36V之间，功耗小于5瓦。系统采用DSP+FPGA+MCU的构架，实现了从图像数据的采集、处理到输出的过程。3、 机载小型图像处理器的硬件构成 采用了美国TI公司的高速数字信号处理器，以TMS320C6416为核心，辅助现场可编程门列阵FPGA、使用MCU单片机C8051F023芯片以及高速的camera-link视频解码、编码器件等构成了实时的高速数字图像处理系统。系统的具体原理框图如下图1：Camera-link

8、 inDigital image store Dual port RAM DSPFPGA Camera-link outUARTMCU图1 DSP图像处理系统硬件原理框图系统的工作原理为：Camera-link解码芯片DS90CR286接收由CCD给出的视频信号，经过解码得到图像信息、采样时钟以及行、帧同步信号，并将信号转化为标准TTL电平信号，发送给FPGA芯片中。FPGA芯片作为整个系统的逻辑、时序控制芯片，不仅控制图像数据的传输，同时，负责DSP与MCU的实时数据交换。系统时序以Camera-link解码出来的视频帧同步信号为整个系统的时统信号，这样，DSP芯片在图像的采集、图像数据的处

9、理过程中，不会被通讯等其它事件所打断，而算出来的目标位置等信息能够实时的通过FPGA传输给MCU芯片，MCU芯片同样按照帧同步信号为消息，从FPGA芯片中读取DSP的信息，同时，将系统对外串口得到的消息通过FPGA芯片发送给DSP。MCU负责系统的对外通讯工作，通过RS422串口芯片，实现与无人机系统的数据交换。MCU芯片对外通讯采用中断方式，收到外部通讯请求，立即响应中断，确保与系统的数据交换的实时性；通过FPGA对内的通讯，采取查询方式，在没有外部通讯中断的情况下，实时的查询帧同步信号，查询得到帧同步信号，则通过FPGA进行图像处理器内部的数据交换工作4。图像数据的传输：Camera-li

10、nk解码芯片将图像数据按照帧同步及采样时钟信号发送到FPGA芯片中，FPGA芯片将数据分成两路，一路提供给DSP，用作图像处理，另一路发送给Camera-link编码芯片。提供给DSP的图像数据，在FPGA芯片内部设置两个双端口RAM（DPRAM）5，将奇数行与偶数行的图像数据分别交替写入两个DPRAM中。根据DSP芯片发出的指令，FPGA将相应区域的图像的第一行图像数据写入一个DPRAM中后，则通知DSP进行读取图像数据，在DSP读取图像数据的时候，FPGA将下一行的图像数据写入另一个DPRAM中，依次交替进行乒乓操作6。这样，在可选择的任意大小的范围内的图像数据依次存入DSP的内存中。同时

11、，FPGA将用于输出的图像数据发送个Camera-link编码芯片DS90CR285，对图像进行Camera-link协议的编码，通过Camera-link接口输出。系统的主要特点是：l TMS320C6416 DSP处理器，处理能力可达4800MIPS；l TMS320C6416 DSP带4Banks512K32Bit的SDRAM，时钟主频166MHz；l TMS320C6416 DSP带8MBIT FLASH ROM7；l FPGA对图像进行滤波、边缘等预处理工作；l MCU负责与外部进行串行数据通讯；l 具有JTAG端口，支持多处理器仿真器调试8；l 低电平逻辑数字电路设计，降低功耗；l

12、 全面采用小型表贴封装器件，减小PCB尺寸，增强系统可靠性；3.1 TMS320C6416数字信号处理器TMS320C6416是美国TI公司出品的TMS320C6000系列处理器中的一款,片内总线采用的是修正的哈佛总线结构7 8。这里所选用的TMS320C6416GLZA6E3，DSP的时钟主频为600MHz，即指令周期速度达到了4800MIPS（兆条指令/S），采用了C6000系列通用的甚长指令字（VILW）结构，每个时钟周期读取指令总字长为256位。TMS320C6416采用片内的PLL电路对外部时钟进行倍频8，在系统设计时采用50MHz的晶振，用片内的PLL电路12倍频，这样，避免了高频

13、晶振及高频线路引起的电磁兼容问题。TMS320C6416片内集成了1M-BYTE的DATA RAM和PROGREM RAM7 。TMS320C6416通过两个外部存储器接口(EMIFA&EMIFB) 7来进行片外存储器的访问。EMIF可以扩展的存储器包括5：l Pipeline结构的同步突发静态RAM(SBRAM)l 同步动态RAM（SDRAM）l 异步器件，包括SRRAM，FLASH，FIFO等8TMS320C6416芯片的EMIF接口，系统选用SDRAM（HY57VB），用作DSP的缓存，接口采用DSP芯片提供的无缝接口，接口速度为1/2CPU CLOCK。9 系统DSP扩一片SDRAM，

14、为4Banks51232bit，占用CE2空间9。图像数据从FPGA到DSP的传输，由EDMA控制寄存器把图像数据以EDMA方式导入DSP中7。DSP使用异步存储器接口与FPGA片内的DPRAM相连接，通过EDMA进行图像的导入工作10，不占用DSP芯片的CPU资源，而是由EDMA控制器来完成图像导入的工作，从而将DSP的CPU资源完全提供用来实现图像处理算法11。图像处理器采用1片FLASH（AM29LV800）作为程序存储器，存储DSP的程序，上电复位时将程序自举12，导入DSP内。本系统采用MAP1存储器映射方式13，FLASH闪存占用DSP的EMIFB16位接口空间，SDRAM与双口R

15、AM占用DSP的EMIFA32位接口空间14。3.2 逻辑主控FPGA芯片系统选用的主控逻辑芯片是Altera公司的Cyclone 系列的EP2C35F672I8，芯片的核电压为1.2V，IO接口电压为3.3V，同时支持1.5V、1.8V和2.5V LVTTL电平的IO输入和输出8。低电平的IO电压，为高速信号传输提供了可能，确保图像数据存储的实时性和完整性2。FPGA的配置芯片采用EPCS4串口ROM芯片，系统上电，EPCS4芯片将程序自举加载到FPGA中9 12。3.3 对外通讯管理芯片MCU 无人机系统的实时通讯往往与图像的帧信号不是同步的，而这二者又都是要求实时性，因此，图像处理器在设

16、计上选用了Silicon Labs公司的C8051F023单片机芯片，用作对外通讯的管理芯片，配合FPGA芯片，完成图像处理器与无人机系统及图像处理器内部的数据交换工作。这样，既保证了图像处理器与系统的数据交换的实时性，又保证了DSP在图像处理过程中的连续性4。C8051F023芯片采用高速的8051C的核，具有很好的兼容性。芯片使用3.3V电源供电，较比传统5V供电的单片机的功耗更小。C8051F023芯片提供内置的2M-16MHz的可编程的时钟振荡器8。图像处理器采用芯片内部的16MHz的时钟，作为芯片的工作时钟。芯片内部提供4K字节的数据存储器以及64K字节的Flash程序存储器。3.4

17、 上电程序加载与复位 图像处理器采用TI公司的TPS3824复位芯片作为整板的上电复位芯片。DSP以及DSP的程序存储芯片、MCU芯片和串口芯片等都使用TPS3824的复位信号。而FPGA芯片因为不需要复位信号，所用，由FPGA芯片提供TPS3824的看门狗信号12。 系统的DSP芯片，FPGA芯片以及MCU芯片都需要上电进行程序的加载工作。其中，DSP与FPGA芯片从片外的存储器进行程序加载，MCU芯片从芯片内部的Flash存储空间进行程序的加载。这样，产生了程序加载的时序问题，即DSP与MCU加载没有完成，FPGA已经加载完毕并发出了相应的初始化的指令；或者DSP加载完毕，而FPGA没有完

18、成程序的加载，造成DSP与MCU之间的初始化指令不通等故障。为了避免产生加载时序的问题，图像处理器在设计上选择了应答的模式。FPGA芯片不需要复位芯片提供的复位信号，同时，FPGA芯片提供给复位芯片看门狗信号，也就是说，FPGA不提供看门狗信号了，复位芯片将会进行图像处理器系统的复位9。因此，在DSP与MCU程序设计时，设计应答激活模式13。FPGA芯片加载完成后，将向DSP芯片与MCU芯片发出固定地址的高电平信号。DSP与MCU芯片在程序设计中，在初始化工作完成后，即在循环中等待，读取相应地址的信号。收到信号，则证明FPGA芯片已经初始化完成，立即向FPGA发出应答信号，同时，可以进行图像处

19、理或者系统通讯的工作。若没有收到信号，则表示FPGA芯片初始化没有完成，DSP与MCU就在循环中不停的读取相应地址信号，直至收到FPGA的信号为止。FPGA芯片初始化完成后，发出相应的信号，然后等待DSP与MCU的应答信号，同时，发送固定电平信号给复位芯片的看门狗15。若1.6秒钟内仍未得到DSP与MCU的应答信号，则复位芯片进行系统的复位，DSP与MCU重新进行复位，程序加载。4、 结论与展望基于无人机光电载荷的图像处理器，采用DSP+FPGA+MCU的硬件结构，体积小：只有一块直径为97mm的圆形线路板；重量轻：图像处理器重量为35g；功耗低：整板功率小于5W。同时，整板采用小型、贴片型器

20、件，系统的可靠性高。完全能够满足无人机光电载荷的任务需要，在已装备的无人机飞行试验中，性能可靠，表现良好。参考文献1 石岚等外军无人机光电侦查监视载荷研究J红外与激光工程，2007 Val.36 No.9,103-106.2 秦明,朱会,李国强. 军用无人机的的发展趋势 J . 飞航导弹, 2007Val.6 36-383 韩冰.战术无人机的任务载荷与发展分析 J .舰船电子工程, 2007Val.27No.3,31-354 代少升，张新立. 利用单片可编程系统对红外焦平面阵列进行实时非均匀性校正J.光学精密工程2009 Val.17 No.4,854-8585 刘彬，房建成，刘刚. 基于TM

21、S320C6713B+FPGA数字控制器实现磁悬浮飞轮主动振动控制J.光学精密工程2009 Val.17 No.1,151-157.6 陈升来，黄廉卿，郭静寰. 基于整型提升小波变换的图像处理及 DSP 实现J.光学精密工程2006 Val.14 No.3,498-502.7 TMS320C64xx Peripherals Reference Guide. Texas Instruments Incorporated,1999.8 TMS320C64xx CPU and Instruction Set Reference Guide. Texas 9 TMS320C6x Optimizing

22、C Compiler User Guide. Texas Instruments Incorporated,1999.9 姜培培，裘燕青，傅志辉，杨丁中，沈永行. 基于DSP 和FPGA的多路型光纤光谱仪系统J.光学精密工程2006 Val.14 No.6,944-948.10 王晓东，刘文耀，金月寒，郑伟. 基于DSP 和CPLD 的激光雷达图像采集和显示集成系统J.光学精密工程2004 Val.12 No.2,190-194.11 许廷发，赵思宏，周生兵，倪国强. DSP并行系统的并行粒子群优化目标跟踪J.光学精密工程2009 Val.17 No.9,236-240.12 代少升，袁祥辉. 提高DSP图像处理系统实时性的一种有效方法J.光学精密工程2003 Val.11 No.6,617-620.13 张思芳，李正明. 一种实时成像跟踪系统的研究J.光学精密工程2002 Val.10 No.6,573-577.14 TMS320C62xx Peripherals Reference Guide. Texas Instruments Incorporated,1999.15 朱 明，鲁剑锋，赵 建，秦于华.基于TMS320C6202 DSP的实时数字图像处理系统的设计J.光学精密工程2003 Val.11 No.5,497-501.专心-专注-专业