基于USB 2．0的便携式红外目标跟踪系统设计与实现

来自热像仪的14位差分数字图像经过电平转化，通过FPGA进行自适应偏置校正和增益校正拉伸处理后，缓存入FIFO中。当FIFO存满一帧图像时中断DSP，DSP将图像数据读入内部RAM空间进行处理。处理完成后，DSP将处理结果以及图像数据通过USB总线传送至主控计算机分系统。同时，通过扩展串口与伺服控制分系统、扩展上报接口、激光测距机及惯导陀螺仪接口等外部接口通信。

　　根据信息处理数据量及处理速度的要求，分系统中的DSP采用TI公司的TMS320C6416T，他是专门针对图像处理的一款高速定点处理器，其内部有8个并行的处理单元，体系结构采用超长指令字结构(VL1w)，芯片的工作主频可以达到1 GHz，当片内8个单元同时运行时其最大处理能力可以达到8000 MIPS；FPGA采用Xilinx公司的Virtex一Ⅱ系列，是业界先进的适合数字信号处理应用的FPGA。其强大的可编程功能和内置硬件乘法器为完成一些较复杂的图像处理操作提供了强大的资源和结构支持，外部大量的I／O管脚使之能够提供多套数据和地址总线，利用该资源可以完成数据获取中边读边运算边存储的功能，从而大大节省数据访问的时问。

　　图4左侧为实时信息处理板实物照片，信息处理板尺寸仅为1lO mm×8l mm，内置于右侧热像仪机壳中。

　　在实时信息处理机中，DSP软件需要完成3项任务：从FIFO中导人图像数据、按照算法流程对图像进行处理、将处理结果通过L7SB微控制器传送给伺服控制及主控计算机如图5所示。此3项任务具有一定的独立性，需要妥善处理以下2个同步问题：

　　首先，来自热像仪的图像帧频为固定的50帧／s，即相邻两帧图像之间的时间间隔为20 ms。DSP对图像的处理时间因目标类型以及背景复杂度不同而略有变化。通常在背景非常复杂、虚警干扰过多的情况下，DSP处理一帧图像的时间会偶尔超过20 ms。这种情况出现的时候，系统的稳定性不应受到影响。

　　另外，此类问题还存在于DSP处理结果及目标图像与主控计算机的传输中，Windows操作系统的结构和工作方式决定了其实时性较差，在该系统中表现为，主控计算机端软件通过LISB总线从图像处理板读取一帧数据的时间无法确定。经测试，读取一帧数据的耗时最快可小于8 ms，最慢可大于200 ms。因此，在DSP软件中必须采取措施隔离图像处理进程与USB传输进程，使USB传输超时不会影响图像处理帧频。除了解决2个协同问题之外，还必须采取诸多优化手段保证DSP对图像的处理速度。只有经过良好优化的DSP代码才能有效利用DSP具有的各种资源，充分发挥DSP特有的优势，最大限度地满足系统实时性的要求。

4 测试结果

　　本文自研的便携式红外自动目标检测跟踪系统对部分空中目标进行了外场联调试验，试验结果表明，可以对320×256大小的图像实现50帧／s的实时检测，能够实现对低空目标的自动搜索、捕获与跟踪，探测到目标后能够稳定伺服闭环跟踪，短暂遮挡目标不丢失，丢失目标后能够有效地重新捕获，同时系统易于便携机动、功耗低，可以有效地应用到预警系统中。