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2023年12月17日发(作者：submithandler form表单提交没起作用)
１００９－－０９４０（２０１２）－・０１・－０００９・－０３ 基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ 的弹上视频图像遥测系统设计 江民俊 王琪 南昌航空大学信息工程学院 南昌 ３３００６３ 摘要：针对导弹遥测参数多、数字视频图像数据量大和视频图像传输带宽有 限的现状，介绍了一种弹上视频图像遥测系统，其以ＡＲＭ为平台，采用视频编码 芯片ＳＡＡ７１ １３Ｈ￣Ｉ］ＦＰＧＡ实现弹上视频图像的采集与缓存，并基于小波压缩芯片 ＡＤＶ６１２完成视频图像压缩。该系统对视频图像具有比较大的压缩比，可解决导遥 弹测系统对视频图像进行遥测与传输的问题。 关键词：遥测视频图像压缩ＡＤＶ６１２ ０、引言 １、系统组成与工作原理 弹上视频图像遥测系统主要完成视频图像的采 随着图像制导和监视评估等导弹技术的发展，在 这些产品研制、试验和应用中对视频图像信号的传输 集、压缩与发送。其所需的功能模块主要有：视频图 与遥测越来越多［１—４］。视频图像信息不仅对分析图像 像采集与缓存模块、压缩处理模块、中央处理器和发 制导导弹在飞行过程中导引头出现的异常状态非常必 射模块。 要，而且对导弹的有些故障分析和定位比依靠现有的 遥测数据分析容易多，并且视频图像信息相对直观。 由于这些视频图像信号帧率高，遥测码速率很高， 在本系统中，采用了ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ方案，可充 分发挥了ＡＲＭ的控制优势和ＦＰＧＡＢ＇－ｊ序控制优势。 主控芯片选用Ｓａｍｓｕｎｇ电子公司的基于ＡＲＭ９２０Ｔ ＳＣ（ＲｅｄＵｃｅｄ Ｉｎｓｔ ｒｕｃｔｉＯｎ Ｓｅｔ 在目前分辨率不高的情况下，其码速率就高达十几 内核的３２位ＲｌＭｂｐｓ［１］［４—５］，而且在传输视频图像的同时，还需要 ＣＯｍＰＵｔｉｎｑ，精简指令集计算）嵌入式微处理器 遥测导弹其它参数。因此，以数字方式遥测视频图像 Ｓ３Ｃ２４４０Ａ。ＦＰＧＡ选用了ＡＩｔｅｒａ公司的低价格、低 时，采用视频图像压缩的方法来有效地减小遥测码速 功耗、片上资源丰富的可编程逻辑器件Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的 率，与常规遥测数据合并到遥测数据帧中进行传输。本 ＥＰ１ Ｃ６Ｑ２４０Ｃ６。视频图像压缩部分由专用Ｂｇｄ＼波压 文设计了一种基于ＦＰＧＡ＃Ｉ］ＡＲＭａ＇Ｊ，－￣＠－－上视频图像遥测 缩芯片ＡＤＶ６１２来完成。对于输入处理部分，本文采 系统，可以很好地解决实时遥测视频图像信息的采集 用了性价比较高ＢｇＰｈｉｌｉｐｓ公司芯片ＳＡＡ７ １ １ ３Ｈ。弹上 和压缩问题。 收稿日期：２０１２—０１－１７ 视频图像遥测系统组成框图如图１所示。 目
技术前沿０ 匝量 厂—］ ＣＶＢＳ ｛＃ｇ！ 堑 ．｛ｌｌ （￥３ＡＲＭ Ｃ２４￣４１）Ａ）ｌ刚 。 ｌ 一丽ｌ 图１系统组成框图 ＣＣＤ摄像头输出的模拟复合视频信号（ＣＶＢＳ）由 ＳＡＡ７ １ １ ３Ｈ解码后生成８ｂｉｔ／像素的标准ＩＴＵ６５６ ＹＵＶ ４：２：２格式的数字视频图像数据。数字视频图像经过 ＡＤＶ６１ ２压缩处理得到极低数据量的压缩数据流。在 ＡＲＭ的控制下，将压缩的数据流插入到遥测数据帧中 一圈 传送，即完成弹上视频图像信号的遥测任务。，］： ；一 ２、系统硬件设计 ２．１视频图像的采集与缓存 在弹上视频图像遥测系统中，由于实时传输的 需要，视频图像的获取必须采用面阵ＣＣＤ。ＣＣＤ摄 像头输出的信号为模拟混合视频信号（ＣＶＢＳ）。为 了能对视频图像进行压缩处理，必须先将模拟视频 信号数字化。本文使用增强型可编程视频信号输入 处理芯片ＳＡＡ７１ １ ３Ｈ将模拟视频信号转换成数字信 号。ＳＡＡ７１ １ ３Ｈ具有４路模拟视频输入、ｌ２Ｃ总线 接口、能自动检￣．Ｕ５ＯＨｚ或６ＯＨｚ的场频、在ＰＡＬ和 ＮＴＳＣ制式之间自动切换和多种数据格式输出模式 等特点。ＳＡＡ７ １ １ ３Ｈ通过ｌ２Ｃ总线编程可设定其工 作模式和读取状态。同步信号插入位置、亮度色度 及对比度设定、同步信号输出开关、视频采集量化 启停等控制都可相应内部寄存器进行配置。本系统 中选用通道ＡＩ １ １作为ＰＡＬＳＵ式ＣＶＢＳ视频输入，数 据输出采用８位格式输出。ＳＡＡ７１ １ ３Ｈ初始化及控 制都是由ＦＰＧＡ来完成的。ＳＡＡ７１ １３Ｈ与ＦＰＧＡ接 口电路示意图如图２所示。 系统上电后，当接收到ＦＰＧＡ发出的视频图像 采集命令时，视频采集模块开始工作。Ｆ ＰＧＡ依靠像 素时钟和行场同步信号，将采集到的灰度视频图像 采用乒乓操作的方式，暂存于两片ＳＲＡＭ中。在同 一时刻，一片可用于存储图像数据，另一片可用于 ＡＤＶ６ １ ２对视频图像数据的读取进行压缩。这样可 田 以实现视频图像的高速实时采集。整个缓存结构由切 换控制电路和两块５１ ２Ｋ ８高速ＳＲＡＭ ＩＳ６１ ＬＶ５１ ２８ 组成，切换控制电路由ＦＰＧＡ编程实现，ＳＲＡＭ与 ＦＰＧＡ接口示意图如图２所示。由于ＳＡＡ７１ １ ３Ｈ输出 Ｂ￣８ｂｉｔ灰度视频图像直接输出到外部ＳＲＡＭ中。 警 信号 Ａｌ２ ———— ｉ 毳 Ｉ／１／Ｏ Ｏ Ｄ— ／ＷＥ ＡＴ ’ 图２视频图像采集缓存与ＦＰＧＡ的接口示意图 ２．２视频图像压缩 由于数字视频图像数据量大，给存储和传输方面 带来了很大的困难，所以对视频图像进行压缩十分必 要［７］。导弹遥测视频传输带宽有限，在保留原视频 图像重要信息的前提下要对视频图像进行比较大的压 缩编码，这样才有可能实现比较实时和清晰地监控。 利用ＡＤＶ６ １ ２小波芯片能够实时地对视频图像进行压 缩，不仅能获得很高的视频图像质量和高达７５００： １的压缩比［７］，而且ＡＤ６１ ２Ｖ是基于帧内编码，具有 很好的抗噪性能。ＡＤＶ６１ ２支持的最大图像数据为 ７２０ ２８８ ５０场／秒（ＰＡＬ），所能达到最大码速率为 １ ３．５ＭＨｚ。在本文设计的系统中视频图像压缩部分 由专用小波压缩芯片ＡＤＶ６１ ２来完成。压缩算法由 ＡＤＶ６ １ ２完成，相关的控制由ＡＤＶ６ １ ２的寄存器参 数控制，寄存器中的参数由通过ＦＰＧＡ控制。图３为 ＡＤＶ６１ ２与ＦＰＧＡ的接口示意图。 图像压缩数据流 ＤＡＴＡｆ０：３１ ｌ１ ＡＤＲ［０：１ｌ＿ ｌ／ｏｆＯ：１Ｉ ／ＣＳ● ／ＲＩ）・● ／Ｖ￣Ｒ ／ＨＩＲｏ ／ＡＣＫ ＦｌＦＯ ＳＲｏ 譬 一：ＦＰＧＡ ＬＣＯＤＥ ＢＥ０一ＢＥ１ ＢＥ２一ＢＥ３ ＶＤ１０：７ｌ Ｉ／０ ＡＤＶ６１２ ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ６ 图３视频图像压缩接口示意图
３、系统软件设计 本系统中，ＦＰＧＡ编程是通过用ＶＨＤＬ语言来实 ５、结束语 本文采用专用的小波压缩芯片ＡＤＶ６１ ２，基于 ＦＰＧＡ￣Ｉ：ＩＡＲＭ平台设计了一种弹上视频图像遥测系统， 实现了弹上视频图像信息的采集与压缩。系统开发难度 现的，在Ｑｕａｒｔｕｓ Ｉ ｌ环境下进行编程和调试的。ＦＰＧＡ 实现三个功能： （１）视频图像信号采集和检测部分的 时序控制；（２）对ＳＡＡ７１ １３Ｈ进行控制、配置和初 始化；（３）视频图像信号压缩和缓存的控制。系统工 作流程如图４所示。主控中，ＯＡＲＭ嵌入式微处理器的 软件设计以实时嵌入式操作系统ｕ Ｃ／ＯＳ—ｌｌ为软件平 台，系统各功能采用Ｃ语言编程来实现。 图４系统工作流程图 ４、时序仿真 在Ｑｕａｒｔｕｓ ｌ Ｉ软件平台上进行编译、综合，通过 Ｊｔａｇ适配到Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＰＧＡ器件ＣｙｃＩｏｎｅ系列的 ＥＰ１ Ｃ６０２４ＯＣ６芯片中对视频图像采集缓存和配置 ＡＤＶ６１２１）９Ｂ＇－｝序仿真。图５和图６为仿真时序图。 图５ ＦＰＧＡ实现视频图像采集缓存仿真时序 图６ ＦＰＧＡ对ＡＤＶ６１ ２的配置仿真时序 低，周期短，对解决导弹遥测系统中高速率、低带宽的 导弹视频图像遥测与传输具有一定研究意义。 参考文献 ［１］宋鹏，张晓林．视频图像遥测系统初探［Ａ］：第十二 届全国遥测遥控技术年会论文集［Ｃ］．２００２． ［２］孙发鱼，于敏，郑海起．基于频分复用技术的视频 遥测［Ｊ］．探测与控制学报，２００８，３０（５）：２６－２９ ［３］于敏，孙发鱼．小波变换在视频遥测系统中的应 用研究［Ｊ］．探测与控制学报，２００４，２６（３）：１ ３－２４ 【４］于敏 发鱼．视频遥测系统中小波变换算法的 硬件实现［Ｊ］．无线电工程，２００５，３５（６）：６２－６４ ［５］赵爽，李树国，李进．图像遥测信道的设计与实现 ［Ｊ］＿遥测遥控，２００９，３０（１）：５１—５３ ［６］赵保军等．基于ＦＰＧＡ￣Ｉ］ＤＳＰ实现的实时图像 压缩［Ｊ］．电子学报，２００３，（９）：１ ３１ ７－１ ３１ ９ 【７］王光利，张重阳，毕笃彦，毛柏鑫．基于ＡＤＶ６１ ２ｄ＼ 波芯片的图像传输系统［Ｊ］．电视技术，２００１，（７）：９０－９１ ［８】初晓军，李淑华．基于小波压缩侑军压的机载雷达 图像传输研究［Ｊ］．现代雷达，２００２，（１）：３０—３２ ［９］赵国际，赵宗涛，李竹林．巡航导弹飞控数据 链图像压缩方案与算法设计［Ｊ］．微电子学与计算机， ２００７，（０３）：２５－２７ ［１ １］李武森，迟泽英，陈文建．一种新型视频图 像压缩存储系统［Ｊ］．南京理工大学学报（自然科学 版）２００７．３１（５）：６２８－６３１ ［１ ２］赵皆升，王琪．基于ＡＲＭ与ＦＰＧＡ图像采集存 储系统设计［Ｊ］．计算机与现代化，２００９Ｉ（１ １）：１４３－１４６ ［１ ３］Ｐｈ…ｐｓ．ＳＡＡ７１ １ ３ＤａｔａＳｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］． ［２０１ ０－０１—１ ０］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄａｔａｓｈｅｅｔｃａｔａＩｏｇ．ｃｏｍ／ ｄａｔａｓｈｅｅｔｓ ｐｄｆ／Ｓ／Ａ／Ａ／７／ＳＡＡ７１ １ ３．ｓｈｔｍ１． 田
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