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基于USB 2.0的便携式红外目标跟踪系统设计与实现 (1)

  董文娟,王宏义,程 萌,陈曾平

  (国防科技大学ATR重点实验室 湖南长沙 410073)

  现代化信息战争对复杂背景下的目标探测提出了很高的要求。相对于雷达、可见光等探测技术,红外成像探测隐蔽性好、抗电子干扰能力强、目标定位精度高,受到越来越多的重视。针对现代信息战争复杂背景的实际应用需求,紧密结合工程实际,本文介绍了一套自研的便携式红外自动目标检测跟踪系统。该系统结合当前最新的制冷凝视成像红外传感器技术、高速图像信息处理技术、精密伺服控制技术,采用模块化、小型化、可扩充性及低功耗设计,构建了一套由双视场中波制冷凝视成像红外传感器、高速信息处理系统及精密伺服控制转台组成的便携式红外自动目标检测跟踪系统,能够实现对复杂环境下目标的自动搜索、捕获、识别与伺服闭环跟踪,尤其针对复杂天地背景下远距离、低信噪比、低对比度弱小目标。系统可便携机动快速展开,通过预留对外扩展接口,可以方便地将目标信息实时上报决策中心或者直接与扩展系统连接,系统能够适应于各种载体平台。

  l 系统总体结构与功能

  系统由高灵敏度双视场中波制冷凝视红外焦平面阵列探测器、高速实时信息处理机、精密伺服控制系统与主控计算机组成,并预留激光测距机接口、惯导陀螺仪接口、GPS接口及对外扩展接口(见图1)。

  

  

  通过模块化、小型化、低功耗设计使得系统主体(精密伺服平台与红外热像仪)重量限制在20 kg以内,闭环跟踪时功耗小于125 w,待机功耗小于50 w。

  探测系统检测跟踪获取的目标坐标信息需驱动精密伺服平台持续指向跟踪目标,系统整个工作流程规划为

  4个阶段:

  (1)系统准备阶段:各个分系统加电,初始化,故障自检;

  (2)搜索检测阶段:系统可通过外部导引信息或直接在预定区域自动搜索检测目标,使目标进入光学传感器的视场并自动检测锁定目标;操作手可通过操控台控制伺服平台对目标可能出现的区域进行人工搜索,手动锁定目标;

  (3)跟踪、实时处理阶段:在系统捕获到目标后,自动跟踪系统开始工作,测量位置信号偏差,激光测距机对目标测距,得出位置误差信息并转换为控制信号,传递到伺服计算机。伺服计算机通过运动控制器和一定控制算法驱动伺服转台运动从而实现对目标的跟踪。整个过程是一个闭环负反馈控制过程。同时,将目标坐标信息实时上传至上级决策系统。另外,系统在跟踪阶段可对目标的中波红外辐射特性进行录取。

  (4)事后处理阶段:对检测跟踪过程录像进行编辑,快速形成结果上报,对于重要目标的红外辐射图像数据,事后处理包括目标的特征提取、目标识别等处理。 系统选用便携式计算机作为主机,目标的红外图像、高速实时信息处理机的实时检测结果、热像仪当前状态、伺服转台状态及当前指向、扩展接口设备信息必须实时可靠地上传给主机,同时r)SF'算法参数设置、实时处理状态控制、热像仪控制、伺服分系统控制、扩展接口控制也必须及时地传给高速实时信息处理机。通观目前的各种接口,兼顾热插拔、即插即用、速度、实时性、成本等特点,系统选用高速USB 2.O接口实现高速实时信息处理机与主控计算机通信。

  2 USB 2.0接口设计

  USB是一个快速、双向、同步、动态的串行连接接口,他具有热插拔、即插即用、数据传输可靠、扩展方便、低成本等优点,已成为当前计算机和各种处理机系统必备的接口之一。USB 2.O接口的理论传输速率高达480 Mb/s,实际应用中选用批量传输最大带宽可达53.248 MB/S[1]。本系统实时信息处理机与主控计算机之间最主要数据量为320×256×1 6×50一65 536 000,即为65.536 Mb/s,加上一些控制参数最大数据传输量不超过80 Mb/s,USB 2.O接口完全可以满足系统对传输速率要求。同时,采用USB 2.0接口设计使得系统的连接简单可靠,且USB支持热插拔,即插即用,系统的拆装极为灵活,是本系统接口的理想选择。

  在本系统中,USB 2.O接口是主控计算机与实时信息处理机惟一的通信接口,实时信息处理机通过USB 2.0接口传输给主控计算机的信息有:目标红外图像数据;目标检测结果;热像仪当前状态;伺服转台状态及当前指向;扩展接口设备信息。

  主控计算机给实时信息处理机的信息有:DSIP算法参数设置;实时处理状态控制;热像仪控制;伺服分系统控制;扩展接口控制。

  由于USB是主从式工作模式,整个USB系统中只允许有一个,而且必须要有一个USB主机控制整个系统的数据传输工作。所有的数据传输都是由USB主机端发起,USB主机根据各个设备的属性周期性地访问各个设备,USB设备则被动地响应USB主机的访问请求。在本系统中,USB主机是由便携式计算机内嵌的USB控制器担当,高速实时信息处理机则是USB设备。

  USB程序设计基本上包含LJSB主机端的设备驱动程序设计和USB设备本身的固件程序设计。

  2.1 USB固件程序设计

  固件程序是指运行在USB微控制器上的程序,本系统采用的USB微控制器为Cypress公司FX2LP系列中的CY7C68013A,他提供了对USB 2.0的完整解决方案。其内部集成了USB 2.O收发器、USB接口引擎、工作在48 MHz的增强型8051内核并带有2个通用异步收发器(uART)以及可编程接口控制逻辑。从端点F1FO可提供与众多通用接口如:ATA,UTOPIA,EPP,PCMCIA,DSP以及通用处理器的无缝连接[2]。。

  USB微控制器是实现USB通信的核心,同时也是系统的内部通信中心。USB微控制器不仅要负责实时信息处理机与主机USB通信,同时还要负责与伺服转台、热像仪、预留扩展接口等的通信。为了实现稳定闭环跟踪,实时信息处理机处理结果中包含的目标脱靶量必须以50 f/s的速率实时地传送给伺服转台,此传输不能受主控计算机与实时信息处理机USB通信的影响。由于windows操作系统本身多进程与USB传输的主从式工作原理,主控计算机之间的USB传输常被其他进程打断,导致USB传输速率下降,无法保证当前图像与目标信息以50 f/s的恒定速率实时传输给主控计算机显示。本系统中USB微控制器利用内部集成的强型805l内核通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部F1FO的有效运用,根据本系统各种数据传输对时间、速率和可靠性的不同要求灵活运用控制传输、中断传输和批量传输,保证上述各种通信过程互不影响,有效地保证伺服转台的闭环跟踪性能。其固件程序流程图如图2所示。

  

  

  2.2 USB驱动程序设计

  USB总线的驱动程序是运行在便携式计算机上并实现对其内嵌的LISB控制器进行控制,USB总线的驱动程序由USB主机控制器驱动,USB协议栈(包括总线管理、设备管理、多主机控制器管理等工作),USB设备驱动程序(实现对特定类设备的配置管理、数据传输管理)3部分组成。Microsoft提供的一组驱动程序占据了系统软件的底部。这些驱动程序包括主控制器驱动程序(OPENHCI.SYS或者UHCD.SYS)、HUB驱动程序(USBHUB.SYS)和一个类驱动程序(USBD.SYS),由控制器驱动程序使用。把USBD下面的所有驱动程序看成一个整体,本系统设计的设备驱动程序主要与这个整体进行交互,占据系统软件的顶部,管理着硬件连接和管道通信。设备驱动程序的工作就是把客户软件的请求翻译成USBD能执行的事务。

  本系统的驱动程序的功能就是在固件程序的配合下完成USB控制、数据传输、电源管理和固件加载。具体而言,设备功能驱动程序需要完成的工作分别为:初始化;创建和删除设备;处理win32打开和关闭文件句柄的请求;处理控制传输的请求;处理中断传输的请求;处理批量传输的请求;固件加载;处理一个可热插拔设备被添加或删除的情况;处理电源管理的请求。

  3 实时信息处理机硬件设计

  实时信息处理机是红外自动目标检测跟踪系统的关键部分,他实现对红外热像仪数据的获取,对图像中的目标进行实时检测,并将目标信息如脱靶量等传递给伺服控制系统及外部扩展接口。同时,该分系统还负责热像仪、伺服控制分系统、主控计算机及扩展接口之间的通信。 热像仪图像大小为320×256,帧频为50帧/s,通过对目标检测跟踪算法的分析可知:其数据量大且图像处理算法运算量大,而系统对实时性的要求高。以上这些特点对硬件平台的设计提出了很高的要求。国内一些同行在实时图像处理机的设计中采用了DSP阵列结构[3.4],用多块

  DSP协同工作来提高处理

[1] [2]
编辑:ssb
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sape/IA/200802/article_17795.html





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