基于USB 2．0的便携式红外目标跟踪系统设计与实现

　　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］。。

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      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 机的实时处理能力。由于本文设计的便携式红外目标自动检测与跟踪系统实时信息处理机的体积和功耗受到严格限制，在对各方面因素进行综合考虑的基础上，结合处理算法的动态可变和可重构特点，根据目标信息处理的基本流程设计了基于单片DSP+FPGA的实时信息处理机硬件平台，发挥DSP和FPGA各自的优势，合理划分处理任务，使得效率和灵活性得到充分提高。其结构框图如图3所示：

　　其结构框图如图3所示：

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      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。