基于Wishbone-PCI核的红外探测器注入式仿真系统

杨 龙，李范鸣，张 涌



基于Wishbone-PCI核的红外探测器注入式仿真系统

杨 龙，李范鸣，张 涌

（中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083）

介绍了一种基于Wishbone-PCI桥核和Spartan6系列FPGA的红外探测器注入式仿真系统。重点讨论了基于PCI总线的红外图像注入接口卡的设计与实现以及Wishbone-PCI桥核技术。该系统可以代替红外侦察告警设备的头部探测器将红外仿真图像数据注入到红外告警、红外搜索跟踪等设备的实时信息处理箱，用来实现对红外侦察告警设备目标探测与目标跟踪功能的验证与仿真。该注入式仿真系统通过将前期红外侦察告警设备采集的红外图像数据与自定义的目标图像相叠加，注入到实时信息处理箱，因此该注入式仿真系统具有图像数据真实连续的特点，能更加真实地模拟现实的场景，为实时信号处理箱提供真实可靠的数据来源，有利于加快红外侦察告警设备的研发进程，缩短系统开发周期。

Wishbone；PCI；FPGA；注入式仿真系统；红外探测器

0 引言

红外告警设备和红外搜索跟踪设备通常是由红外告警头和红外实时信号处理平台两部分构成。红外告警头主要由红外探测器、图像读出电路、制冷机以及光学镜头等组成，主要功能包括完成探测器的成像功能以及图像输出功能。红外实时信号处理平台主要的任务是对探测器发送过来的图像信号进行处理，运用各种图像处理算法，根据需求对图像进行处理，完成红外目标的检测与提取，同时对潜在的目标给出实时告警状态信息或实现对目标的跟踪功能。

在设计和研制红外侦察告警设备之前，首先都会提出设计方案，然后采用各种仿真途径验证设计方案[1]。采用各种仿真途径即有利于前期对系统的设计方案进行验证、优化，有利于提前发现设计方案中的错误或不足，进一步改进和优化方案；另一方面由于红外告警设备和红外搜索跟踪设备中所使用的探测器价格比较昂贵、使用寿命有限，采用仿真手段可以避免使用真实探测器所面临的高额开支以及缩短探测器使用寿命以及使用的过程中导致探测器的损坏等问题[2]。因此红外仿真实验是红外侦察告警设备前期研制过程中一个不可或缺的环节。常用于红外侦察告警设备的仿真实验主要有两种类型：半实物仿真也称半物理仿真和数字图像注入式仿真[3]。而对于红外侦察告警设备的半物理仿真实验随着实物部件的增多，虽然仿真的逼真度有所提高，但会大大降低系统的灵活性，其花费开销也会越来越大。本文介绍了一种采用数字图像注入式仿真方式，基于Wishbone-PCI桥核和Spartan6系列FPGA的开发的红外探测器注入式仿真系统。其中仿真数据源为红外告警头预先采集的真实外场数据，经仿真应用程序叠加目标信息后，实时注入红外实时信号处理平台处理，真实高效地仿真了实际的红外探测器系统。

1 仿真系统

1.1 Wishbone-PCI桥核

为实现图像的注入，首先要从仿真计算机中获取仿真数据源，本系统中注入接口卡通过PCI总线协议从仿真计算机中获取目标叠加后的仿真数据。为实现PCI总线协议，本系统通过在FPGA内例化Opencores开放IP Core组织提供的Wishbone-PCI桥核来实现了Wishbone片上系统总线与PCI逻辑总线接口的互联[1]。图1给出了Wishbone-PCI桥核的内部结构，从图1中可以看出Wishbone-PCI桥核由Wishbone从单元和PCI目标单元两个独立的单元组成，Wishbone从单元处理Wishbone总线侧的数据流，PCI目标单元处理PCI总线侧的数据流。通过对该桥核内部的参数头文件的配置，可以使其工作在主桥或从桥的模式下，两种模式的区别在于对Wishbone-PCI桥核的配置空间的初始化方式不同。在本系统中工作在从桥的模式下，即通过系统配置软件初始化桥核的配置空间。在FPGA内部实现了一个Wishbone从接口，通过Wishbone从接口操作时序完成对数据的读写操作，再由Wishbone-PCI桥核完成Wishbone总线接口后PCI总接口的双向转换，进而实现Wishbone总线和PCI总接的双向数据通讯。

1.2 系统描述

该系统能够根据预先生成的红外图像素材数据和预先设定的战情类型，实时采集红外侦察告警设备（含匀扫、摆扫两种型号）的光轴指向数据，生成包含目标红外仿真图像，并实时注入到信息处理机中进行处理，实现红外侦察告警设备的注入式闭环仿真。

该仿真系统主要功能是基于目前现有的两种侦察告警设备，完成红外侦察告警设备匀扫型系统的红外头部仿真；完成红外侦察告警设备摆扫型系统的红外头部仿真；在向红外实时信号处理平台注入仿真数据过程中完成红外背景图像和目标信息的实时叠加，用于验证红外侦查告警设备的功能，包括图像的采集与显示以及目标告警与目标跟踪的功能。

红外探测器注入式仿真系统的整体设计方案如图2所示。虚线内为该仿真系统的构成，由仿真计算机和图像注入接口卡组成，其中图像注入接口卡主要包括主控FPGA，缓存用的DDR3，接收数据用的PCI接口以及光纤模块发送红外图像数据，通过PCI总线连接在仿真计算机上。从图2中可以看到整个仿真系统的实现过程：图像仿真计算机将通过应用程序从外场试验获取的红外图像数据生产红外仿真图像数据，仿真计算机应用程序将红外仿真图像数据写入仿真计算机内存，然后通知FPGA将仿真计算机内存中的红外仿真图像数据通过PCI总线读出，并且乒乓操作分别写入缓存DDR3Ⅰ和DDR3Ⅱ中，最后再由FPGA从DDR3中读出红外仿真图像数据并且按照红外告警设备和红外搜索跟踪设备规定的协议向后级红外实时信号处理平台注入仿真数据。

图1 Wishbone-PCI桥核内部结构

图2 红外探测器注入式仿真系统框图

PCI总线是一条共享总线，在一条PCI总线上可以挂接多个PCI设备[4]。实际上，由于主机的仲裁机制是不会让同一个设备长时间占用PCI总线资源，所以，即便工作在突发读写的模式下，PCI总线上传输数据也会出现间断的情况。特别是在相邻两次突发读写之间，会有不固定的时间间隔的空闲。然而，想要模拟红外设备的头部探测器工作情况，必须保证输出给后级红外实时信号处理平台的仿真数据中一帧图像内没有不连续情况发生。因此，不能直接将从PCI总线上获取的主机内存中的红外仿真图像数据输出给后级红外实时信号处理平台。必须有一个足够大的缓存来暂时保存PCI总线上获取的红外仿真图像数据[5]，然后再连续地发送给后级红外实时信号处理平台。

1.3 系统工作模式

该系统能工作在两种不同的工作模式，根据图像注入接口卡得到的注入控制指令产生的方式不同，红外侦察告警注入式仿真试验原理验证系统应能工作在以下两种模式下：

1）内触发工作模式

在内触发模式下，图像仿真与图像注入的同步信号由图像注入接口卡产生，但产生的第一个同步信号受外触发信号控制，即该注入式仿真系统接收到仿真开始指令后，图像注入接口卡接收到第一个外触发信号时，产生第一个同步信号，且板卡的内部计数器开始工作，间隔1时间后（1为红外侦察告警设备的帧周期，对于匀扫型，该时间为0.95s；对于摆扫型，该时间为0.3s），板卡产生下一个同步信号。

图像仿真软件接收到注入接口卡产生的同步信号后，实时获取红外侦察告警设备的码盘数据，并实时合成红外图像，写入到注入接口卡的缓存；图像注入接口卡产生同步信号后，延时固定时间（该时间需要保证图像合成和写缓存完成），将当前缓存中的图像数据注入到信息处理机中。内触发工作模式如图3所示。

图3 内触发工作模式示意图

2）软触发工作模式

在软触发模式下，图像仿真与图像注入的同步信号由仿真应用程序计时产生，但产生的第一个同步信号受外触发信号控制，即该注入式仿真系统接收到仿真开始指令后，仿真应用程序接收到第一个外触发信号时，产生第一个同步信号，并开启计时功能，间隔1时间后（1为红外侦察告警设备的帧周期，对于匀扫型，该时间为0.95s；对于摆扫型，该时间为0.3s），产生下一个同步信号。

图像仿真软件产生同步信号的同时，获取红外侦察告警设备的码盘数据，并实时合成红外图像，写入到注入接口卡的缓存，写入完成后向图像注入接口卡发送开始注入指令，将当前缓存中的图像数据注入到信息处理机中。在图像注入的同时，图像仿真软件等待下一个同步信号的产生。软触发工作模式如图4所示。

1.4 系统初始化流程

为实现图像注入接口卡对多种型号红外侦察告警设备的注入式仿真，在启动仿真应用程序后，首先需对PCI板卡进行配置以及参数设定，使得注入接口卡工作的所需的模式下，以及使得板卡输出对用红外实时信号处理箱能识别的数据格式。图像注入接口卡初始化配置流程图如图5所示，对于匀扫型和摆扫型设备，需配置不同的寄存器，用于定义注入接口卡的数据输出格式和图像规模的设定。中断使能的目的为了实现注入接口卡和仿真应用程序的同步，同步信号通过注入接口卡中断信号来产生。

1.5 FPGA内部系统流程

FPGA内部逻辑实现框图如图6所示。FPGA和PCI总线的接口采用了开放IP组织Opencores提供的Wishbone-PCI[6]桥核。该核完成了Wishbone片上系统总线和PCI逻辑总线接口的实现。在FPGA内部实现了相关功能的寄存器，主机上的应用程序通过PCI总线对FPGA内部的寄存器进行初始化。而当应用程序完成对FPGA工作模式配置后，由FPGA通过PCI总线从主机内存获得红外仿真图像数据。在使用Wishbone-PCI[6]桥核获取红外仿真数据之前，要配置相应的寄存器，如设置能使中断位开启中断功能，产生同步信号，配置数据输出格式寄存器，输出多种红外仿真数据格式，以适应不同型号信息处理箱，配置数据传输模式为突发传输模式，提高传输效率。

图4 软触发工作模式示意图

图5 系统初始化配置流程

图6 FPGA内部系统工作流程

系统中DDR3的读写是通过Xilinx公司提供的MCB硬核来实现的[7]，Xilinx公司在最新的Spartan6中集成了MCB硬核，目前它可以支持到DDR3-800，且对于大多数厂家的储存芯片都支持（Micron、Elpida、Hynix等）。MCB硬核有着优秀的误码校验和偏移时钟校验，以及高精度高稳定性的PLL_ADV。而对于用户控制接口是通过读写FIFO的方式，代替复杂的DDR3读写逻辑，以SRAM的地址映射方式代替复杂的行列地址选择。在该系统中MCB主要用来完成DDR3的初始化，根据控制状态机的控制信号实现对两片DDR3的乒乓操作。在本设计中，为了提高数据的存储速度，并没有选用操作简单的SRAM，而是选用了操作更为复杂速度更快的DDR3作为缓存。

时序控制器的主要功能是根据时序配置寄存器输出对应的红外仿真数据格式。该仿真系统可以根据时序配置寄存器初始化过程中所配置的参数输出不同格式时序信号，参数配置多样化，以使得该系统可以使用与不同型号的红外实时信号处理平台，也可以兼容前一代的红外实时信号处理平台，大大增强了该红外仿真系统的通用性。

系统中的中控核心控制状态机的主要功能和任务包括：

1）乒乓操作控制仿真数据流的流向[8]。当应用程序准备好一帧数据的时候，控制状态机判断当前帧数是奇数帧还是偶数帧并发出读取命令，若为奇数帧则数据进入FIFOⅠ中，并控制数据写入到DDR3Ⅰ中，同时控制DDR3控制器从DDR3Ⅱ中读出经过数据选择器和时序控制器输出到光纤模块输出。反之，则数据进入FIFOⅡ中，并控制数据写入到DDR3Ⅱ中，同时控制DDR3控制器从DDR3Ⅰ中读出经过数据选择器和时序控制器输出到光纤模块输出。

2）控制Wishbone-PCI桥核向主机提供中断，产生同步信号。当从主机读取指定长度的数据块后，会通过PCI接口向主机发出中断请求，主机上应用程序响应中断并让主机提供下一帧数据，包括获取码盘数据、图像合成、图像写缓存等操作。

3）按红外实时信息处理平台要求的协议输出仿真数据。控制状态机配合参数寄存器中初始化的参数值控制时序控制器输出对应格式的仿真数据。

2 实验结果和讨论

该仿真系统已成功应用于多种型号的红外侦察告警设备中包括匀扫型一代、匀扫型二代以及摆扫型设备，有着良好的使用效果，可以完全代替红外侦察告警设备的头部，图7、图8分别为仿真系统的实际应用效果图，图7是该仿真系统实时向匀扫型设备中注入的仿真数据的效果图，图8是该仿真系统按匀扫型二代设备数据格式协议要求输出红外仿真数据，实验测试该系统具有灵活的输出方式、长时间可靠稳定工作等特点。

本文采用基于Wishbone-PCI桥核设计并实现了红外头部注入式仿真系统，该系统独立性好，资源占用少，数据传输速度快，以方便、灵活地配置成不同工作模式以及实现多种图像输出格式，能适用于多种型号的红外侦察告警设备，如该系统成功地模拟了红外侦察告警匀扫型一代、匀扫型二代以及摆扫型设备的红外头部，成功地解决了红外仿真阶段中注入原始图像数据困难，通过仿真应用程序完成对目标的叠加，该系统可以代替红外侦察告警设备研制过程中的多数外场实验，大大节省了红外侦察告警设备研制过程中的人力物力财力成本，也避免了使用真实探测器所面临的巨额开支、缩短探测器使用寿命以及使用的过程中导致探测器的损坏等问题。同时，红外成像、红外目标探测与目标跟踪是当今信息对抗领域的热门研究方向。该系统能够为红外信号实时处理平台提供一个半真实的仿真环境，大大缩短红外信号实时处理平台的研发周期，节省研发成本，具有很大的实用价值。

图7 仿真系统实际应用效果图

图8 仿真系统输出的红外图像

3 结语

实验表明基于Wishbone-PCI桥核设计的红外头部注入式仿真系统能代替红外头部，为信号处理箱注入仿真红外图像数据，工作稳定可靠，减少红外侦察告警设备研制过程中的外场实验，节省成本，同时该仿真系统基于FPGA开发，具有开发周期短、设计灵活等特点。在红外注入式仿真系统方面有着广阔的应用前景和价值。

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Design of Infrared Detector Injected Simulator Based on Wishbone-PCI Core

YANG Long，LI Fanming，ZHANG Yong

(,,200083,)

Infrared detector’s injected simulator system based on Wishbone-PCI bridge core and Spartan6 series FPGA is introduced.. This paper focuses on the design and implementation of infrared image injected simulator’s interface card based on PCI bus and technology of Wishbone-PCI bridge core. The system can replace the head detector, by injecting the simulation image into the real-time processing tank of infrared warning and tracking system, which can verify and simulate the target detection and tracking function. The system superpose infrared image data which was collected by infrared detection warning system and the custom target image, injecting to the real-time processing tank, so the system is of real data and continuous, which can be more realistic with simulation of real scenarios and provide true and reliable data source for real-time signal processing tank. It can speed up the development process of the infrared detection and warning system, shortening the development cycle.

Wishbone，PCI，FPGA，injected simulator，infrared detector

TN216

A

1001-8891(2016)12-1026-06

2016-04-14；

2016-05-09.

杨龙（1989-），男，湖北汉川人，博士研究生，主要从事红外成像电路与系统的研究。E-mail：yanglongsitp@163.com。

国家863计划资助项目（2011AA7031002G）。