基于TMS320DM642的电视测角仪检测研究

高伟伟，王竹林，张自宾，张晓龙

（军械工程学院四系，河北 石家庄 050003）

基于TMS320DM642的电视测角仪检测研究

高伟伟，王竹林，张自宾，张晓龙

（军械工程学院四系，河北 石家庄 050003）

通过分析电视测角仪的检测需求，结合数字图像处理技术，提出了以TMS320DM642为核心的视频检测系统框架，并对主要电路的设计进行了详细的介绍。根据CCD像元与数字图像中像素的对应关系，提出了在数字图像中计算弹标偏移量的处理方案，结合电视测角仪捕捉弹标信号的特点，通过追踪窗口的定位缩小了数据处理范围，提高了检测系统的实时性。整个系统以视频采集系统为基础，以数字图像处理为核心，为电视测角仪的检测研究提供了一种新的思路。

电视测角仪；参数检测；视频处理；TMS320DM642芯片；数字图像处理

1 引 言

电视测角仪是某型装备的地面制导设备，它集光、机、电于一体，属于技术密集的光电仪器。为了确保电视测角仪能够满足战术、技术指标要求，在生产、维修中都迫切要求有一种能够快速、准确地定量检测技术参数的设备，以便确定测角仪是否能够满足战术、技术指标要求，及时发现故障并确定故障原因[1]。随着数字图像处理技术的高速发展，数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）应用领域的不断扩张，以视频监控系统为代表的各种图像处理方案应运而生，如交通信息监测系统、自动报靶系统、网络摄像系统等。因此，电视测角仪通过图像处理技术，快速、高效实现各项参数的检测要求成为可能。

TMS320DM642是TI公司于2003年左右推出的一款32位定点DSP芯片，由于其接口方便、编程简单、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便等特点，成为各种视频解决方案的理想选择[2]。以TMS320DM642为核心，各种成熟系统的推广应用为电视测角仪检测方案的设计提供了重要的理论与实践依据。随着部队快速化保障需求的不断提高，现有检测设备已经很难适应现代战争的要求，以DSP为核心的视频解决方案可以弥补以往专用设备的不足，为电视测角仪的检测提供可靠、准确、高效的系统[3-4]。

2 电视测角仪检测系统设计

2.1 测试需求分析

电视测角仪的参数有测角精度、灵敏度、抗干扰能力、视场、零点、变焦时间、短焦到位等[5]。由于篇幅有限，主要介绍前3个参数的检测。

2.1.1 测角精度

测角精度是指瞄准镜瞄准目标时，导弹偏离瞄准线的偏差角。电视测角仪有两个精度指标：（1）攻击400m 处的目标时，精度应为 3.4′；（2）攻击 3 000m处的目标时，精度应为20.6″。导弹飞行至400m处相对于电视镜头的变焦时间为3.8 s，3000m处相对于电视镜头的变焦时间为28s。也就是说，可以根据测量变焦时间在3.8 s和28 s导弹偏离瞄准线的偏差角来检测测角精度。现有检测设备是在测量时用电视测角仪瞄准镜的十字线对准双夹十字丝，启动变焦系统，电子波们捕获中心孔（目标），参数检测仪把变焦过程中目标相对于瞄准线的角偏差记录下来，若变焦结束后的误差大于20.6″，需要重新标定电视测角仪的零点。

2.1.2 灵敏度

灵敏度是指电视测角仪提取弹标信号的能力。通常情况下，通过改变模拟光学环境下背景与弹标的对比度来检验电视测角仪的灵敏度。在背景电平为0.5V±0.05V，弹标的信号高出背景0.2～0.3V以上，电视测角仪应能稳定可靠地捕获目标。

2.1.3 抗干扰能力

在战场环境下，电视测角仪会受到各种干扰的影响，这就要求电视测角仪有一定的抗干扰能力。现有检测设备在模拟光学环境下，通过设置干扰光点看电视测角仪的捕获情况来判断抗干扰能力正常与否。电视测角仪关于抗干扰的战术技术指标要求是:当背景电平在0.5V±0.05V，干扰信号幅值为1.1V时，跟踪窗口不捕获。

2.2 总体方案设计

为高效、可靠、准确地检测电视测角仪各项指标，结合图像处理技术，采用以TMS320DM642为核心的视频检测系统，通过控制和设置模拟光学环境中各个信号，分析数字图像信息，采用滤波技术、图像分割技术等提取出弹标信号，排除干扰信号。电视测角仪检测系统总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

通过控制室内光学模拟系统的背景电压和弹标信号电压，为电视测角仪提供检测信号，图像采集模块将两路模拟全电视信号混叠处理后进行模数转换，以TMS320DM642为核心的最小系统通过预先植入的程序对数字图像进行处理，并将结果转送到视频输出模块显示，同时通过串口模块将处理结果输出。

2.2.1 硬件设计

（1）最小系统设计。结合电视测角仪检测系统的需求，首先设计了最小系统，如图2所示。其中，电源管理模块为DM642的内核和I/O分别提供1.4V和3.3V的电压，并为其他选用芯片提供所需电压。复位模块对I/O电压进行监测，必要时对系统进行复位操作。为提高系统稳定性，降低片外时钟频率，在时钟模块使用DSP片内锁相环（PLL），通过外部引入50MHz时钟源，将其经PLL进行12倍频得到CPU所需600MHz；由于系统中各个芯片需要不同的时钟源，采用可编程芯片CY22381，通过编程配置各参数，满足各芯片时钟输入需求[6]。JTAG是基于IEEE1149.1标准的一种边界扫描测试方式，结合配套的仿真调试软件，通过JTAG仿真模块，可以访问DSP的所有资源，包括片内寄存器以及所有的存储器。在通过视频信号对电视测角仪进行检测时，需要处理海量的数据，而DM642内部最多仅有256KB的RAM，由于同步动态存储器（SDRAM）读写速度快、存储空间大，能保证DSP的运行速度，所以采用HY57V283220T-H芯片完成图像数据的存储。不过，SDRAM不具备掉电保护功能，为了保存程序代码和一些掉电后仍需保存的数据，需要扩展Flash存储器，该设计采用了AMD公司生产的Am29LV033C芯片[7]。

图2 最小系统设计

（2）视频采集与视频输出。电视测角仪输出电视信号为模拟PAL信号，为对电视信号在DM642中进行数字处理，选用TI公司生产的TVP5150为视频解码芯片，该芯片具有低功耗、支持PAL制式视频信号等特点，工作电压与DM642相同，这样便于电源管理模块的设计，视频采集电路连接如图3所示。TVP5150与DM642实现了无缝连接，它将PAL信号转化为数字信号供DM642处理[8]。在检测电视测角仪各项参数指标时，需要实时观察信号的变化情况，这就需要将输出的数字图像转化为模拟信号供给显示器显示，设计中选用了Philips公司生产的专用视频编码芯片SAA7121，该芯片是一款数字PAL/NTSC编码器，可将YUV数字化视频数据同时编码为NTSC/PAL制式的CVBS或S-video信号，在显示器上进行显示；通过I2C的时钟线SCL和数据线SDA，DM642对SAA7121芯片进行控制与参数设置，实现检测过程的实时监控，视频输出电路连接如图4所示（“#”代表低电平有效）。

图3 视频采集电路连接

图4 视频输出电路连接

（3）串口模块设计。在测试过程中，需要不断将测试数据传送到PC机，以实现电视测角仪检测单元与整个自动测试系统的通信，这样在DM642与PC机之间设计了串行接口，如图5所示。在设计中，采用TI公司生产的TL16C752B芯片作为通用异步收发器（UART）。其中，TL16C752B与DM642之间通过8-bit总线传输数据，它的读/写控制信号来自于DM642，通过2组TX与RX引脚发送与接收串行数据，两组端口的使能信号通过CPLD产生。由于PC机的串口是RS232电平标准，因此在UART与PC机之间加2片MAX3232芯片，实现TTL-RS232电平转换。

图5 串行接口设计

2.2.2 软件设计

电视测角仪检测系统软件设计基于TMS320C6000集成开发环境CCS2.2，采用DSP/BIOS进行开发。通过DSP/BIOS来调度任务，可更加合理地利用资源并且在程序中减少动态对象的建立，使得开发者可以将更多的精力投入到特定算法的开发上。检测程序流程如图6所示，DM642上电或复位后，系统自动从Flash引导加载软件系统，在初始化DSP/BIOS操作系统之后，调度图像采集和图像处理程序模块。当电视测角仪变焦结束，系统检测到采集图像不再变化，此时通过串口模块输出检测结果，随后退出检测程序。

图6 检测程序流程图

3 参数检测算法实现

在光学模拟环境下通过控制背景光源和目标光源，为电视测角仪提供了模拟战场环境和弹标信号，通过检测图像变化、追踪窗口有无、弹标位置坐标可实现电视测角仪各项指标的检测[9]。电视测角仪捕获图像如图7所示，两条白色竖线代表追踪窗口，追踪窗口之间有一白色的圆点代表弹标信号，黑色线条代表最小视场宽度。

图7 电视测角仪捕获图像

图8 靶面弹标位置

在进行精度指标检测时，需要在变焦结束时测得弹标偏离瞄准线的偏差角[10]。在瞄准镜瞄准弹标时，弹标信号应该成像在CCD靶面坐标的中心，由于各种误差的出现，观测到的弹标总会偏离靶面中心，靶面弹标位置如图8所示。其中，灰色方块代表弹标位置，Δx与Δy为弹标偏离中心的坐标。设电视光学系统的焦距为f，电视测角仪精度为φ，则如式（1）所示：

电视信号中的靶面信息在数字图像中是由像素矩阵呈现的，不同位置像素灰度值的差异体现了靶面信息各部分的差异。由于CCD靶面像元位置与数字图像中像素位置是一一对应的，那么弹标偏离中心的坐标与数字图像中弹标区域的位置也是一一对应的，它们的计算完全可以在数字图像中完成。设CCD靶面相邻像元的中心距离为μ，在数字图像中以对应十字瞄准线中心为原点，十字线为坐标轴，X代表横轴像素位置，Y代表纵轴像素位置，那么电视测角仪的精度φ在数字图像中表示为：

也就是说，通过提取弹标信号在数字图像中的位置完全可以实现精度指标的检测。精度指标检测的关键是在瞄准目标时定位弹标信号偏离瞄准线的坐标，也就是如何确定弹标位置。通过观察发现电视测角仪检测到弹标信号时，追踪窗口将对弹标信号进行锁定，并随弹标信号的运动而运动。于是可先检测追踪窗口，然后在追踪窗口中检测弹标信号，这样可以排除追踪窗口之外的干扰，减少算法计算量。同样，灵敏度与抗干扰指标的检测可通过在追踪窗口中检测有无弹标信号来实现。

4 结束语

采用以TMS320DM642为核心的电视测角仪检测系统，弥补了以往电视测角仪检测仪处理数据能力的不足，提高了实时性。通过视频采集系统将模拟视频信号数字化，结合数字图像处理技术，将各项参数的检测转化为数字图像中各部分灰度值的检测，减小了硬件开销，提高了便携程度。

[1]王竹林，苏群星.某型反坦克导弹武器系统[M].北京：兵器工业出版社，1999.

[2]王跃宗，刘京会.TMS320DM642应用系统设计与开发[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3]郭慰萱，郭宝龙.基于DM642的视频处理系统设计与实现[J].电子设计工程，2009，17（1）：79-81.

[4]何莉莉.基于TMS320DM642的H.264视频编码器设计[J].西华大学学报：自然科学版，2005，24（5）：11-13，21.

[5]赵 建.一种双CCD测角仪的参数检测方法研究[D].北京：中国科学院，2003.

[6]冈萨雷斯.数字图像处理[M].北京：电子工业出版社，2007.

[7]毕文青.基于DM642的运动跟踪系统的设计与实现[D].济南：山东大学，2008.

[8]崔丽珍，张祥松.基于DM642的视频图像实时通信和传输[J].电子与封装，2009（11）：27-28.

[9]赵孔新，李金岳.基于CCD的新型电视测角仪设计[J].视频应用与工程，2008（1）：88-91.

[10]祖先峰，潘孟春.基于虚拟仪器的电视测角仪测试系统[J].仪器仪表学报，2006，27（10）：1248-1252.

Detection of TV goniometer based on TMS320DM 642

GAO Wei-wei，WANG Zhu-lin，ZHANG Zi-bin，ZHANG Xiao-long
（Department 4，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the testing requirements of TV Goniomete，a video test system with TMS320DM642 as the core framework was proposed by combining digital image processing technique，and the main circuit design was introduced in detail.According to the correlation of CCD pixels with the pixels in the digital images and the characteristics of television goniometer to capture the marked bullet，a treatment program was proposed to calculate the offset of marked bullet in the digital image.Using the proposed system，the range of data processing was reduced by locating the tracking window，and the real time quality of test system was improved.The entire system is designed based on video acquisition system with digital image processing as the core，which provides a new way for television goniometer test study.

TV goniometer；parameter detection；video processing；TMS320DM642；digital image processing

TJ765；TM930.12

A

1674-5124（2011）01-0056-04

2010-03-26；

2010-06-03

高伟伟（1986-），男，山西临汾市人，硕士研究生，专业方向为检测技术与自动化装置。