專利名稱：一種低功耗紅外實時信號處理系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及數字信號處理技術，具體來說是一種低功耗紅外實時信號處理系統。 它主要用于紅外成像跟蹤系統中的紅外實時信號處理。
背景技術：
紅外成像跟蹤系統通過紅外探測器獲得目標的紅外圖像，然后對紅外圖像進行預處理和潛目標檢測，最后利用一定的算法對目標進行跟蹤。處理能力強、可靠性高的實時信號處理系統是紅外成像跟蹤系統的關鍵技術。以往的紅外實時信號處理系統典型的架構如下紅外探測器的輸出圖像到信號處理系統，進行圖像預處理(非均勻性校正、圖像增強)和潛目標檢測。由于以前的紅外實時信號處理系統大多是基于定點DSP，導致性能優異但計算復雜的跟蹤算法實現起來較為困難，所以潛目標和圖像數據需要再傳輸到PC平臺，由PC機完成目標軌跡的確認跟蹤。由此可見，傳統的實時信號處理系統造成紅外成像跟蹤系統結構復雜、體積龐大、功耗巨大、可靠性差、實時性不夠等缺點。因此設計一個體積小巧，低功耗、具有強大數據處理能力、可靠穩定的實時信號處理系統非常必要。采用低功耗高性能浮點信號處理系統的設計方案可以將圖像處理、目標檢測、多目標跟蹤等系統功能集成于一塊板卡之中，具有系統功耗低、實時性好、可維護性好、體積小、結構簡潔等優點。
發明內容
本發明的目的，在于提出一種低功耗紅外實時信號處理系統，實現紅外圖像的實時處理、潛目標提取、多目標跟蹤、存儲及顯示。為實現上述目的，本發明所采用的硬件裝置為一塊嵌入式信號處理板卡，其中包括一片低功耗DSP芯片，一片FPGA，一個光纖模塊，一個LCD模塊，外圍設備接口。各個硬件組成部分需要滿足所述的低功耗DSP芯片必須為低功耗浮點處理器， 并且支持SYS/B0IS實時操作系統內核。所述的FPGA需要足夠多的邏輯資源和內嵌存儲單元(Block Ram)，并支持嵌入式微處理器軟核(MicroBlaze)。所述的光纖模塊必須包含發送、接收端口，通信速率大于500Mb/s。所述的IXD模塊為TFT液晶模塊。所述的其他外圍設備接口包括用于實時存儲紅外圖像數據的SATA接口 ；用于和其他外部平臺通信的SPI、 USB2. 0、串口和以太網接口。各個硬件組成部分的連接關系為紅外探測器和FPGA之間通過光纖接口連接； DSP和FPGA之間的數據通信通過DSP的EMIFA接口實現；DSP通過內部集成的設備控制器實現對外部設備的控制。紅外實時信號處理系統實現紅外信號實時處理的流程如下(1)紅外探測器將采集到的紅外圖像通過光纖接口模塊發送到FPGA。(2)在FPGA內實現紅外圖像的解包、緩沖、非均勻性校正、圖像增強等預處理。
(3)DSP在基于SYS/B0IS操作系統的軟件環境中對FPGA預處理后的圖像做目標檢測提取出的潛目標數據，并進行多目標跟蹤。(4)將處理完成的紅外圖像結果用IXD模塊顯示，并照需求存儲及傳輸。本發明的顯著特點在于以下幾點(1)采用低功耗的設計方案。DSP采用了高性能低功耗浮點處理器，并帶有LCD 顯示模塊，這可以完成原有紅外成像跟蹤系統中PC平臺處理機的功能，所有信號處理功能和原有PC平臺的多目標跟蹤、顯示控制都在一塊處理器板卡上實現，從而大大降低系統功
^^ O(2)實時性好。基于本架構對紅外信號處理做適當的模塊和軟硬件劃分，充分利用 FPGA的時序控制、并行計算、高速傳輸特性，將對速度算法簡單的模塊由FPGA完成，將需要大量復雜浮點計算、分支管理算法的算法模塊由DSP完成。DSP軟件基于SYS/B0IS構建，具有性能優越的內核和高效的多任務管理與調度機制，系統的實時性能夠得以保證。(4)可維護性好。由于整個信號處理系統只有一塊板卡，所以在系統故障時可迅速定位，系統出現故障時減少了排錯時間，緊急維護時只需簡單更換整個板卡即可。(5)體積小、結構簡潔。由于整個信號處理系統的功能模塊都集中在一塊板卡上， 大大減少了系統的體積。同時系統的結構也變的更為簡潔。
圖1是低功耗紅外實時信號處理系統的系統框圖。圖2是紅外信號處理的流程圖。
具體實施例方式下面根據附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。圖1是低功耗紅外實時信號處理系統的系統框圖。本發明所采用的硬件裝置為一塊嵌入式信號處理板卡，其中包括一片低功耗 DSP芯片，一片FPGA，一個光纖模塊，一個LCD模塊，外圍設備接口。DSP和FPGA間通過DSP的EMIFA接口連接，24位地址總線、16位數據總線，將FPGA 作為DSP的一個外圍設備來訪問，同時為了系統擴展功能需要，FPGA和DSP間還保留了一個I2C接口以及16個GPIO接口。所述的DSP芯片是低功耗高性能浮點DSP，支持SYS/BI0S實時操作系統內核。本發明中的DSP選用了 TI公司的TMS320C6748，屬于TI的C6000系列高性能DSP，是業界功耗最低的浮點數字信號處理器，可滿足高能效、高連通性設計對高集成度外設、更低功耗的需求。TMS320C6748的主頻最高可達456M，擁有強大的浮點運算能力，峰值運算能力可達3648/2746MIPS/MFL0PS。擁有豐富的外設資源，包括3個串口、2個SPI,2個I2C、1個 USB2. 0、一個 USB1. 1、一個 100M 網口、一個 SATA、一個 LCD 接口。具有 2 個 EMIF 接口，除了常見的Nor Flash, Nand flash, SDRAM接口外，還提供了對DDR2的支持。擁有64個獨立 DMA通道，可完成片內存儲器、片外存儲器、存儲器映射外設、主處理器與外設的高速傳輸。 TMS320C6748支持TI最新的CCS4. 0開發環境和SYS/B0IS實時操作系統內核。所述的FPGA芯片選用了 Xilinx公司的Spartan6系列的XC6slxl6，這款FPGA的片內邏輯資源有2278個slices，最大用戶I/O 口有232個，576KbBlockRam，可以為系統設計提供足夠多的硬件資源。同時這款FPGA支持MicroBlaze軟核，為系統提供了簡單易用的軟件平臺。所述的光纖模塊包括一個光纖接頭HFBR-5208，一片串并轉換芯片MAX9218，一片并串轉換芯片MAX9217。光纖模塊的數據發送接收由FPGA控制，FPGA通過操作MAX9217、 MAX9218接收或發送光纖數據。光纖模塊在本系統中主要有兩個用途一是作為接收紅外探測器發來的數據；另一個是將目標跟蹤結果和系統處理后的圖像傳輸給別的設備。所述的IXD模塊包括一塊夏普TFT液晶屏。IXD模塊用來顯示系統的處理后圖像， 并將紅外目標跟蹤結果用波門標示出來。所述的外部設備包括以下用于實時存儲紅外圖像數據的SATA接口 ；用于和其他外部平臺通信的USB、SPI、串口和以太網接口。DSP通過內部集成的控制器實現對外部設備的控制。圖2是紅外信號處理的流程圖。FPGA主要包括2個功能模塊紅外圖像非均勻性校正、圖像預處理。從紅外探測器接收到的圖像首先進入非均勻性校正模塊，運用兩點校正算法，對得到的紅外圖像進行校正。校正后的紅外圖像進入圖像預處理模塊，采用圖像增強算法，提高圖像質量。FPGA模塊的軟件基于MicroBlaze構建，嵌入式M icroBlaze軟核接收外部命令， 控制校正系數的計算、更新等。首先由數據接收模塊接收由光纖得到的圖像數據，啟動非均勻性流水線處理，然后把數據寫入到SDRAM中去，然后數據輸出模塊將經過預處理的圖像數據以DMA方式送DSP做后續處理。DSP應用軟件系統基于TI的SYS/B0IS設計，開發環境為CCS (CodeComposer Studio) 4. O。軟件劃分為4個任務模塊圖像輸入模塊、目標檢測模塊、多目標跟蹤模塊、圖像以及跟蹤結果輸出模塊。利用SYS/B0IS的多任務調度特性，以任務進程的方式運行，任務進程間通過信號量和消息機制來同步、通信。其中的main進程只運行一次然后退出，對 EDMA、中斷、信號量等進行設置，啟動各任務進程。圖像輸入模塊采用雙緩存BufferA、BufferB,實現圖像輸入的乒乓操作。當目標檢測模塊處理其中的一個Buffer的圖像數據時，圖像輸入模塊獲得圖像數據存入另一 Buffer,下一次則相互交換。乒乓操作是通過EDMA提供的LINK功能來實現的，BufferA, BufferB各有自己的EDMA傳輸參數，將它們的參數RAM LINK互相指向對方，這就形成了一個循環傳輸鏈，一次傳輸結束后則自動裝載對方的傳輸參數，從而實現了無限循環自動乒乓圖像輸入。目標檢測模塊通過一個數據指針訪問存儲的緩沖圖像，每次EDMA完成后，圖像輸入模塊的中斷服務程序將訪問指針指向剛完成傳輸的緩存Buffer。目標檢測模塊每次開始運行前讀取并保存訪問指針，這樣就實現了乒乓緩存對目標檢測模塊的透明化。目標檢測模塊對得到的紅外圖像做閾值分割，目標檢測，提取出潛目標。目標跟蹤模塊收到目標檢測模塊的信號后，即讀取潛目標數據，啟動多目標跟蹤進程。多目標跟蹤算法采用SB/MHT算法。從圖中可以看出算法的處理流程SB/MHT算法主要包括門限關聯，卡爾曼濾波和軌跡評價3個部分。卡爾曼濾波給出軌跡的當前狀態估計和預測；然后用軌跡的預測位置、與潛目標做門限關聯；門限關聯后，記錄各條軌跡的狀態屬性，做出軌跡評價，最后根據置信度對軌跡做出確認和刪除操作。
目標跟蹤模塊輸出跟蹤結果后，跟蹤結果及圖像輸出模塊將跟蹤結果和FPGA處理后的紅外圖像結合起來，把跟蹤的結果用波門在紅外圖像上標注，然后將跟蹤結果和圖像送IXD模塊顯示。
權利要求
1. 一種低功耗紅外實時信號處理系統，其硬件裝置包括含有一片低功耗DSP芯片，一片FPGA，一個光纖模塊，一個LCD模塊及其他外圍設備接口的信號處理板卡，其特征在于 所述的低功耗DSP芯片為低功耗浮點處理器，并且支持SYS/B0IS實時操作系統內核； 所述的FPGA具有足夠多的邏輯資源和內嵌存儲單元，并支持嵌入式微處理器軟核； 所述的光纖模塊包含發送、接收端口，通信速率大于500Mb/s ； 所述的LCD模塊為TFT液晶模塊；所述的其他外圍設備接口包括用于實時存儲紅外圖像數據的SATA接口 ；用于和其他外部平臺通信的SPI、USB2.0、串口和以太網接口 ；紅外探測器與系統的FPGA之間通過光纖接口連接；DSP和FPGA之間的數據通信通過 DSP的EMIFA接口實現；DSP通過內部集成的設備控制器實現對外部設備的控制。
全文摘要
本發明公開了一種低功耗紅外實時信號處理系統，它主要用于紅外成像跟蹤系統。系統主要包括一塊信號處理板卡(其中以一片DSP作為核心處理機，一片FPGA做數據控制器，一個光纖數據收發模塊，一個LCD模塊，以及其他外圍設備)。在DSP上構建了基于SYS/BOIS實時操作系統內核的軟件平臺，在FPGA上構建了基于嵌入式微處理器軟核的紅外圖像處理平臺，系統數據輸入輸出通過光纖模塊實現，系統顯示通過LCD模塊實現，通過對紅外信號處理各功能模塊合理劃分并分別分配到DSP和FPGA上，可以實現紅外實時信號處理。本發明的主要優點在于采用了低功耗的設計方案，將整個紅外信號處理系統集成在一塊板卡上，整個系統外部接口豐富，架構簡潔，實時性好，功耗低。
文檔編號G06T7/00GK102521824SQ201110354589
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者劉士建, 劉鵬, 李爭, 李燕, 湯心溢, 盛春雨 申請人:中國科學院上海技術物理研究所