通過USB驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)計紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)

現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭對復雜背景下的目標探測提出了很高的要求。相對于雷達、可見光等探測技術(shù)，紅外成像探測隱蔽性好、抗電子干擾能力強、目標定位精度高，受到越來越多的重視。針對現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭復雜背景的實際應(yīng)用需求，緊密結(jié)合工程實際，本文介紹了一套自研的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合當前最新的制冷凝視成像紅外傳感器技術(shù)、高速圖像信息處理技術(shù)、精密伺服控制技術(shù)，采用模塊化、小型化、可擴充性及低功耗設(shè)計，構(gòu)建了一套由雙視場中波制冷凝視成像紅外傳感器、高速信息處理系統(tǒng)及精密伺服控制轉(zhuǎn)臺組成的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜環(huán)境下目標的自動搜索、捕獲、識別與伺服閉環(huán)跟蹤，尤其針對復雜天地背景下遠距離、低信噪比、低對比度弱小目標。系統(tǒng)可便攜機動快速展開，通過預留對外擴展接口，可以方便地將目標信息實時上報決策中心或者直接與擴展系統(tǒng)連接，系統(tǒng)能夠適應(yīng)于各種載體平臺。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)由高靈敏度雙視場中波制冷凝視紅外焦平面陣列探測器、高速實時信息處理機、精密伺服控制系統(tǒng)與主控計算機組成，并預留激光測距機接口、慣導陀螺儀接口、GPS接口及對外擴展接口（見圖1）。

通過模塊化、小型化、低功耗設(shè)計使得系統(tǒng)主體（精密伺服平臺與紅外熱像儀）重量限制在20 kg以內(nèi)，閉環(huán)跟蹤時功耗小于125 w，待機功耗小于50 w。

探測系統(tǒng)檢測跟蹤獲取的目標坐標信息需驅(qū)動精密伺服平臺持續(xù)指向跟蹤目標，系統(tǒng)整個工作流程規(guī)劃為

4個階段：

（1）系統(tǒng)準備階段：各個分系統(tǒng)加電，初始化，故障自檢；

（2）搜索檢測階段：系統(tǒng)可通過外部導引信息或直接在預定區(qū)域自動搜索檢測目標，使目標進入光學傳感器的視場并自動檢測鎖定目標；操作手可通過操控臺控制伺服平臺對目標可能出現(xiàn)的區(qū)域進行人工搜索，手動鎖定目標；

（3）跟蹤、實時處理階段：在系統(tǒng)捕獲到目標后，自動跟蹤系統(tǒng)開始工作，測量位置信號偏差，激光測距機對目標測距，得出位置誤差信息并轉(zhuǎn)換為控制信號，傳遞到伺服計算機。伺服計算機通過運動控制器和一定控制算法驅(qū)動伺服轉(zhuǎn)臺運動從而實現(xiàn)對目標的跟蹤。整個過程是一個閉環(huán)負反饋控制過程。同時，將目標坐標信息實時上傳至上級決策系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)在跟蹤階段可對目標的中波紅外輻射特性進行錄取。

（4）事后處理階段：對檢測跟蹤過程錄像進行編輯，快速形成結(jié)果上報，對于重要目標的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，事后處理包括目標的特征提取、目標識別等處理。 系統(tǒng)選用便攜式計算機作為主機，目標的紅外圖像、高速實時信息處理機的實時檢測結(jié)果、熱像儀當前狀態(tài)、伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)及當前指向、擴展接口設(shè)備信息必須實時可靠地上傳給主機，同時r）SF‘算法參數(shù)設(shè)置、實時處理狀態(tài)控制、熱像儀控制、伺服分系統(tǒng)控制、擴展接口控制也必須及時地傳給高速實時信息處理機。通觀目前的各種接口，兼顧熱插拔、即插即用、速度、實時性、成本等特點，系統(tǒng)選用高速USB 2．O接口實現(xiàn)高速實時信息處理機與主控計算機通信。

2 USB 2．0接口設(shè)計

USB是一個快速、雙向、同步、動態(tài)的串行連接接口，他具有熱插拔、即插即用、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴展方便、低成本等優(yōu)點，已成為當前計算機和各種處理機系統(tǒng)必備的接口之一。USB 2．O接口的理論傳輸速率高達480 Mb／s，實際應(yīng)用中選用批量傳輸最大帶寬可達53．248 MB／S［1］。本系統(tǒng)實時信息處理機與主控計算機之間最主要數(shù)據(jù)量為320×256×1 6×50一65 536 000，即為65．536 Mb/s，加上一些控制參數(shù)最大數(shù)據(jù)傳輸量不超過80 Mb/s，USB 2．O接口完全可以滿足系統(tǒng)對傳輸速率要求。同時，采用USB 2．0接口設(shè)計使得系統(tǒng)的連接簡單可靠，且USB支持熱插拔，即插即用，系統(tǒng)的拆裝極為靈活，是本系統(tǒng)接口的理想選擇。

在本系統(tǒng)中，USB 2．O接口是主控計算機與實時信息處理機惟一的通信接口，實時信息處理機通過USB 2．0接口傳輸給主控計算機的信息有：目標紅外圖像數(shù)據(jù)；目標檢測結(jié)果；熱像儀當前狀態(tài)；伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)及當前指向；擴展接口設(shè)備信息。

主控計算機給實時信息處理機的信息有：DSIP算法參數(shù)設(shè)置；實時處理狀態(tài)控制；熱像儀控制；伺服分系統(tǒng)控制；擴展接口控制。

由于USB是主從式工作模式，整個USB系統(tǒng)中只允許有一個，而且必須要有一個USB主機控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機端發(fā)起，USB主機根據(jù)各個設(shè)備的屬性周期性地訪問各個設(shè)備，USB設(shè)備則被動地響應(yīng)USB主機的訪問請求。在本系統(tǒng)中，USB主機是由便攜式計算機內(nèi)嵌的USB控制器擔當，高速實時信息處理機則是USB設(shè)備。

USB程序設(shè)計基本上包含LJSB主機端的設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計和USB設(shè)備本身的固件程序設(shè)計。

2．1 USB固件程序設(shè)計

固件程序是指運行在USB微控制器上的程序，本系統(tǒng)采用的USB微控制器為Cypress公司FX2LP系列中的CY7C68013A，他提供了對USB 2．0的完整解決方案。其內(nèi)部集成了USB 2．O收發(fā)器、USB接口引擎、工作在48 MHz的增強型8051內(nèi)核并帶有2個通用異步收發(fā)器（uART）以及可編程接口控制邏輯。從端點F1FO可提供與眾多通用接口如：ATA，UTOPIA，EPP，PCMCIA，DSP以及通用處理器的無縫連接。

USB微控制器是實現(xiàn)USB通信的核心，同時也是系統(tǒng)的內(nèi)部通信中心。USB微控制器不僅要負責實時信息處理機與主機USB通信，同時還要負責與伺服轉(zhuǎn)臺、熱像儀、預留擴展接口等的通信。為了實現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)跟蹤，實時信息處理機處理結(jié)果中包含的目標脫靶量必須以50 f/s的速率實時地傳送給伺服轉(zhuǎn)臺，此傳輸不能受主控計算機與實時信息處理機USB通信的影響。由于windows操作系統(tǒng)本身多進程與USB傳輸?shù)闹鲝氖?a target="_blank">工作原理，主控計算機之間的USB傳輸常被其他進程打斷，導致USB傳輸速率下降，無法保證當前圖像與目標信息以50 f／s的恒定速率實時傳輸給主控計算機顯示。本系統(tǒng)中USB微控制器利用內(nèi)部集成的強型805l內(nèi)核通過對其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計和芯片內(nèi)部F1FO的有效運用，根據(jù)本系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)傳輸對時間、速率和可靠性的不同要求靈活運用控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸，保證上述各種通信過程互不影響，有效地保證伺服轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)跟蹤性能。其固件程序流程圖如圖2所示。

2．2 USB驅(qū)動程序設(shè)計

USB總線的驅(qū)動程序是運行在便攜式計算機上并實現(xiàn)對其內(nèi)嵌的LISB控制器進行控制，USB總線的驅(qū)動程序由USB主機控制器驅(qū)動，USB協(xié)議棧（包括總線管理、設(shè)備管理、多主機控制器管理等工作），USB設(shè)備驅(qū)動程序（實現(xiàn)對特定類設(shè)備的配置管理、數(shù)據(jù)傳輸管理）3部分組成。Microsoft提供的一組驅(qū)動程序占據(jù)了系統(tǒng)軟件的底部。這些驅(qū)動程序包括主控制器驅(qū)動程序（OPENHCI．SYS或者UHCD．SYS）、HUB驅(qū)動程序（USBHUB．SYS）和一個類驅(qū)動程序（USBD．SYS），由控制器驅(qū)動程序使用。把USBD下面的所有驅(qū)動程序看成一個整體，本系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)備驅(qū)動程序主要與這個整體進行交互，占據(jù)系統(tǒng)軟件的頂部，管理著硬件連接和管道通信。設(shè)備驅(qū)動程序的工作就是把客戶軟件的請求翻譯成USBD能執(zhí)行的事務(wù)。

本系統(tǒng)的驅(qū)動程序的功能就是在固件程序的配合下完成USB控制、數(shù)據(jù)傳輸、電源管理和固件加載。具體而言，設(shè)備功能驅(qū)動程序需要完成的工作分別為：初始化；創(chuàng)建和刪除設(shè)備；處理win32打開和關(guān)閉文件句柄的請求；處理控制傳輸?shù)恼埱?；處理中斷傳輸?shù)恼埱?；處理批量傳輸?shù)恼埱螅还碳虞d；處理一個可熱插拔設(shè)備被添加或刪除的情況；處理電源管理的請求。

3 實時信息處理機硬件設(shè)計

實時信息處理機是紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，他實現(xiàn)對紅外熱像儀數(shù)據(jù)的獲取，對圖像中的目標進行實時檢測，并將目標信息如脫靶量等傳遞給伺服控制系統(tǒng)及外部擴展接口。同時，該分系統(tǒng)還負責熱像儀、伺服控制分系統(tǒng)、主控計算機及擴展接口之間的通信。 熱像儀圖像大小為320×256，幀頻為50幀／s，通過對目標檢測跟蹤算法的分析可知：其數(shù)據(jù)量大且圖像處理算法運算量大，而系統(tǒng)對實時性的要求高。以上這些特點對硬件平臺的設(shè)計提出了很高的要求。國內(nèi)一些同行在實時圖像處理機的設(shè)計中采用了DSP陣列結(jié)構(gòu)，用多塊

DSP協(xié)同工作來提高處理

機的實時處理能力。由于本文設(shè)計的便攜式紅外目標自動檢測與跟蹤系統(tǒng)實時信息處理機的體積和功耗受到嚴格限制，在對各方面因素進行綜合考慮的基礎(chǔ)上，結(jié)合處理算法的動態(tài)可變和可重構(gòu)特點，根據(jù)目標信息處理的基本流程設(shè)計了基于單片DSP+FPGA的實時信息處理機硬件平臺，發(fā)揮DSP和FPGA各自的優(yōu)勢，合理劃分處理任務(wù)，使得效率和靈活性得到充分提高。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

來自熱像儀的14位差分數(shù)字圖像經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化，通過FPGA進行自適應(yīng)偏置校正和增益校正拉伸處理后，緩存入FIFO中。當FIFO存滿一幀圖像時中斷DSP，DSP將圖像數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM空間進行處理。處理完成后，DSP將處理結(jié)果以及圖像數(shù)據(jù)通過USB總線傳送至主控計算機分系統(tǒng)。同時，通過擴展串口與伺服控制分系統(tǒng)、擴展上報接口、激光測距機及慣導陀螺儀接口等外部接口通信。

根據(jù)信息處理數(shù)據(jù)量及處理速度的要求，分系統(tǒng)中的DSP采用TI公司的TMS320C6416T，他是專門針對圖像處理的一款高速定點處理器，其內(nèi)部有8個并行的處理單元，體系結(jié)構(gòu)采用超長指令字結(jié)構(gòu)（VL1w），芯片的工作主頻可以達到1 GHz，當片內(nèi)8個單元同時運行時其最大處理能力可以達到8000 MIPS；FPGA采用Xilinx公司的Virtex一Ⅱ系列，是業(yè)界先進的適合數(shù)字信號處理應(yīng)用的FPGA。其強大的可編程功能和內(nèi)置硬件乘法器為完成一些較復雜的圖像處理操作提供了強大的資源和結(jié)構(gòu)支持，外部大量的I／O管腳使之能夠提供多套數(shù)據(jù)和地址總線，利用該資源可以完成數(shù)據(jù)獲取中邊讀邊運算邊存儲的功能，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)訪問的時問。

圖4左側(cè)為實時信息處理板實物照片，信息處理板尺寸僅為1lO mm×8l mm，內(nèi)置于右側(cè)熱像儀機殼中。

在實時信息處理機中，DSP軟件需要完成3項任務(wù)：從FIFO中導人圖像數(shù)據(jù)、按照算法流程對圖像進行處理、將處理結(jié)果通過L7SB微控制器傳送給伺服控制及主控計算機如圖5所示。此3項任務(wù)具有一定的獨立性，需要妥善處理以下2個同步問題：

首先，來自熱像儀的圖像幀頻為固定的50幀／s，即相鄰兩幀圖像之間的時間間隔為20 ms。DSP對圖像的處理時間因目標類型以及背景復雜度不同而略有變化。通常在背景非常復雜、虛警干擾過多的情況下，DSP處理一幀圖像的時間會偶爾超過20 ms。這種情況出現(xiàn)的時候，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不應(yīng)受到影響。

另外，此類問題還存在于DSP處理結(jié)果及目標圖像與主控計算機的傳輸中，Windows操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定了其實時性較差，在該系統(tǒng)中表現(xiàn)為，主控計算機端軟件通過LISB總線從圖像處理板讀取一幀數(shù)據(jù)的時間無法確定。經(jīng)測試，讀取一幀數(shù)據(jù)的耗時最快可小于8 ms，最慢可大于200 ms。因此，在DSP軟件中必須采取措施隔離圖像處理進程與USB傳輸進程，使USB傳輸超時不會影響圖像處理幀頻。除了解決2個協(xié)同問題之外，還必須采取諸多優(yōu)化手段保證DSP對圖像的處理速度。只有經(jīng)過良好優(yōu)化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源，充分發(fā)揮DSP特有的優(yōu)勢，最大限度地滿足系統(tǒng)實時性的要求。

4 測試結(jié)果

本文自研的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)對部分空中目標進行了外場聯(lián)調(diào)試驗，試驗結(jié)果表明，可以對320×256大小的圖像實現(xiàn)50幀／s的實時檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對低空目標的自動搜索、捕獲與跟蹤，探測到目標后能夠穩(wěn)定伺服閉環(huán)跟蹤，短暫遮擋目標不丟失，丟失目標后能夠有效地重新捕獲，同時系統(tǒng)易于便攜機動、功耗低，可以有效地應(yīng)用到預警系統(tǒng)中。