基于DSP和FPGA的电视观瞄系统设计

电视观瞄系统以FPGA为处理核心，实现红外数字视频信号的实时图像处理，DSP实现了部分的图像处理算法和FPGA的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储

引言

许多光学观瞄系统都增加了电视、红外辅助(周视)观瞄系统，称之为光电观瞄系统。在该系统中，需要用电视或红外成像来精确瞄准目标，但光电系统所在的平台总是处于运动状态，成像器件产生的图像也就随之运动，通过CCD成像器件或红外成像器件得到的图像不能保证观瞄精度。因此，克服平台运动造成的成图像旋转是解决观瞄精度的关键技术之一。目前的常用方法是机械消像旋，很多要求较高的光学系统仍然采用该方案，随DSP及FPGA的广泛应用，电子消像旋也应用到了光学观瞄系统上。

这两种方案各有优缺点：机械消像旋可以保证视场不受影响，观瞄精度由成像器件和光学系统决定，缺点是需要一套精密的机械控制系统，对小型化的光学观瞄系统而言，有时很难满足该机械装置对空间的需求；电子消像旋克服了对精密机械装置的要求，可以把处理模块安装在系统的电子箱中，实时性好，无机械延迟，缺点是会损失边缘部分的视场、观瞄精度不仅受光学系统及成像器件的影响，而且与旋转算法、插值算法及插值精度有关。尽管如此，电子消像旋平台为使用图像处理技术和数字信号处理技术提供了充分的条件，随着微电子技术的迅猛发展，设计优秀的光电观瞄系统不仅能够满足系统对精度的要求，还能够利用图像处理技术大大改善观瞄的视觉效果，同时可以完成许多数字信号处理方面的工作，如：目标识别跟踪、远程通信、信息管理等重要的功能。

本文介绍的电子消像旋系统采用Altera公司的StratixII系列FPGA芯片和ADI公司的ADSP2183为核心，可以满足系统对功能、实时性及精度的要求。

系统原理与基本结构

电视观瞄系统组成框图如图1所示。系统由红外热像仪、主图像处理板、DC/DC与差分转换板、总线母板、控制接口板、显示屏等部分组成。

图1 电视观瞄系统组成框图

首先，红外热像仪生成观瞄场景的数字视频图像数据，以LVDS信号传送到系统总线。这里采用LVDS视频信号，主要是考虑本电视观瞄系统要求在非常苛刻的物理环境下工作，而LVDS方式具有良好的抗电磁干扰(EMI)能力，能够很好地保证视频信号在较长距离条件下的传输质量。该消旋处理模块共包含四个功能单元：(1)DC/DC转换、LVDS与LVTTL相互转换单元；(2)系统控制接口单元；(3)图像处理单元；(4)其他单元。功能单元(1)完成系统电源及LVDS数字差分视频到LVTTL数字视频的转换；系统控制单元(2)包含两路串行接口和数据交换邮箱，完成信息交换；功能单元(3)是系统的核心部分，它实现对图像的处理及保证精度的要求；单元(4)主要是系统电磁兼容性方面的设计及数据存储单元。

图像处理模块完成对数字视频信号的流水处理，全部工作流程在DSP的控制下用FPGA器件实现视场中心的校正、旋转、精度的计算、实时图像插值等，最后,经过消像旋处理的数字视频流，再由DC/DC与差分转换模块中的LVDS Driver部分传送给终端显示。其中，红外热像仪控制电路设置两路RS422串行通信口，通过串行口与热像仪和图像处理板交换数据信息。数据交换由热像仪控制电路发起，每100ms通过RS422串行通信口1向热像仪发送一次控制指令，直到收到热像仪的接收响应回码。红外热像仪控制电路板收到热像仪的接收回码后将该回码通过RS422串行通信口2转发给图像处理板。按照这些控制命令的内容，图像处理板便根据这些命令完成字符叠加，供观瞄显示屏上显示。

系统设计

在数字信号处理技术中，DSP＋FPGA是目前比较通用的方式。通用DSP对系统进行管理，并协同功能强大的FPGA完成图像算法，实现设计功能要求。

消像旋是一种常用的的数字图像处理技术，传统的消像旋都是在二维平面中进行的，由于旋转后图像像素点坐标不再是整数，故旋转后必须对像素点灰度进行二维插值运算，由于其运算过程复杂，运算量也大，尤其是当对旋转后的图像质量要求较高时，需要采用高阶数的插值运算，如3阶、4阶等，则运算量更大。因此单纯采用软件实现，其运算时间过长，实时性差，无法满足高速图像旋转的要求，更不用说在视频条件下使用。

● 观瞄显示界面设计

观瞄显示界面如图2所示。通过图文混合技术，可以在显示界面上很方便地产生电子分划，形式灵活可变且精度高，可以容易实现不改动光学系统而完成零位校准、对比度亮度调整、动态变形消隐等任务。观瞄区域是一个圆形，圆形以外至屏幕边缘则是固定灰度的背景，用于叠加图文信息。屏幕左上是命令菜单，显示当前执行的命令，右上是控制参数，具体显示控制字符。在屏幕左下，是系统的状态信息，右下则是调试命令，平时不显示，只在系统进入自身调试状态时才显示。

图2 观瞄显示界面

● FPGA设计

系统中，FPGA主要完成对视频图像的旋转算法实现、图文混合、逻辑控制和部分I/O操作等工作。正是基于这样的考虑，选用了Altera公司的StratixII系列中的EP2S30F484I4芯片。StratixII FPGA放弃了传统的查找表(LUT)结构，使用一种创新的自适应逻辑模块(ALM)作为FPGA的基本结构单元。与第一代Stratix相比，StratixII FPGA的逻辑密度是前者的2倍，速度也快了50%。EP2S30F484I4有13552个自适应逻辑模块(ALM)，33 880等效逻辑单元(LE)，片上RAM为1369728bit，还有12个锁相环(PLL)。

FPGA控制单元是在QuartusII 5.0环境下开发的，消像旋处理是软件设计的关键。数字视频由红外热像仪输出，格式为差分输出。包括如下信号：V_CLK(14.5MHz)，V_LE(行有效)、V_FE(场有效)、V_EOF(奇偶场标志)、V_SYN(复合同步)、V_D[7..0](8bit数据)。该数字视频经过消像旋处理后仍按原格式输出。图像分辨率为（768