軍隊靶場訓(xùn)練基地用于跟蹤高速運動目標的主要手段是光電跟瞄設(shè)備。對于光電跟瞄系統(tǒng)而言，操作訓(xùn)練需要外部目標環(huán)境的緊密配合，因此，訓(xùn)練所需的目標環(huán)境構(gòu)建成為對操作手訓(xùn)練和對光電跟瞄設(shè)備仿真檢測的關(guān)鍵因素之一。如果通過現(xiàn)場飛行試驗來構(gòu)造目標環(huán)境，則訓(xùn)練成本過大，還受到天氣等環(huán)境因素的影響。因此，如何低成本而又高效率地完成操作訓(xùn)練是目前困擾相關(guān)軍事單位的一個難題。

目前，在靶場訓(xùn)練的項目中，通過研制目標模擬器來構(gòu)造目標環(huán)境，并采用虛擬場景注入的方法來實現(xiàn)。該方法通過事先錄制好一段目標場景的圖像，操作手根據(jù)觀看播放的錄像，操縱光電跟瞄設(shè)備對錄像中的目標進行跟蹤捕獲訓(xùn)練。但此方法沒有反饋，而且實時性較差。本文提出一種新的虛擬圖像注入方法。該方法實時獲得跟蹤設(shè)備及目標的運行參數(shù)，根據(jù)速度追蹤原理模擬生成目標及背景的圖像數(shù)據(jù)，從而達到跟蹤訓(xùn)練的目的。該方法實現(xiàn)簡單方便、可操作性強，更加注重操作手對光電跟瞄設(shè)備操縱的性能。

1 目標模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運行模式

在工作過程中，首先由操作手根據(jù)訓(xùn)練需要設(shè)定目標模擬的速度、機動特性等初始參數(shù)并送到主控系統(tǒng)；按照設(shè)定的目標運行特點在每幀待輸出圖像上設(shè)定、調(diào)整目標位置；目標模擬器通過主控計算機接收編碼器位置信息，并解算設(shè)備運行速度，根據(jù)速度追蹤原理輸出實時跟蹤的圖像數(shù)據(jù)；將圖像處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到接收目標模擬器輸出圖像信息的模式；圖像處理器將疊加十字絲的視頻圖像傳送給操作手的監(jiān)視器；操作手操作單桿控制伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，使回轉(zhuǎn)平臺運轉(zhuǎn)對目標進行模擬捕獲；最后，圖像處理器根據(jù)編碼器返回數(shù)據(jù)實時調(diào)整目標位置，完成對目標捕獲過程的模擬訓(xùn)練。系統(tǒng)運行模式如圖1所示。

2 數(shù)學(xué)建模

目標模擬器的數(shù)學(xué)模型基于速度追蹤原理：假設(shè)目標按照特定速度與設(shè)備視軸做等速運動，該速度在單幀合成圖片中體現(xiàn)為位置脫靶量，如圖2所示。

當(dāng)操作手開始進行手動跟蹤時，目標仿真圖像的調(diào)整數(shù)學(xué)模型為：

3 硬件設(shè)計

目標模擬器由串口轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、FPGA模塊、Camera Link接口模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

DSP采用TI公司的TMS320F2812芯片，它是目前用于控制領(lǐng)域的最高性能的處理器，具有控制精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點，運行速率可達150 MIPS，指令采用流水線處理，使得數(shù)據(jù)處理的能力大大增強。設(shè)計中主要利用其串行通信（SCI）接口、外部中斷（XINTx）接口和外部擴展（XINTF）接口。通過與主控計算機進行通信，接收模擬目標和跟蹤設(shè)備的參數(shù)，并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型解算出目標及設(shè)備的坐標，實時生成目標及背景的圖像數(shù)據(jù)，同時接收時統(tǒng)的同步中斷信號。

設(shè)計中選用MAXIM公司的MAX3070芯片進行RS-422到RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，利用DSP2812的SCI模塊實現(xiàn)與主控計算機的通信。把MAX3070的DI腳與DSP2812的SCITXD相連，RO與DSP2812的SCIRXD相連，同時為了保證順利地與主控計算機通信，允許接收RE#腳直接接地，允許發(fā)送DI腳直接接VCC。加上兩個電阻以及去耦電容實現(xiàn)了串行通信接口的硬件設(shè)計。DSP2812通過外部擴展接口（XINTF）與FPGA進行數(shù)據(jù)傳遞，將XWE#引腳作為寫使能信號與FPGA的I/O腳相連，將XCLKOUT引腳作為寫時鐘信號與FPGA的I/O腳相連，將16位數(shù)據(jù)線與FPGA的I/O腳相連，來傳送圖像數(shù)據(jù)信號。

FPGA以ALTERA公司的Cyclone II系列的EP2C8-Q208C8芯片作為目標模擬器的時序和邏輯控制核心。EP2C8Q208C8具有8 256個的邏輯單元（LE）、165 888 bit基于流行的M4K嵌入式存儲器塊，可以配置為廣泛的操作模式，包括ROM、單端口和雙端口RAM等。設(shè)計中用芯片內(nèi)部的雙端口RAM構(gòu)造異步FIFO控制圖像數(shù)據(jù)的時序，加上幀同步（FVAL）和行同步（LVAL）信號一起按照紅外圖像的設(shè)計時序要求將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到Camera Link接口模塊。

Camera Link接口采用DS90CR287作為驅(qū)動芯片，是專用的電平轉(zhuǎn)換器件，能將28位CMOS/TTL電平數(shù)據(jù)和1位像素時鐘信號分別轉(zhuǎn)換成4組LVDS數(shù)據(jù)流及一對LVDS時鐘信號進行傳輸。由于采用差分傳輸方式，提高了傳輸距離及信號精度。使用標準的MDR26作為Camera Link接口與圖像采集卡之間的連接接口。

4 軟件設(shè)計

目標模擬器的軟件設(shè)計主要由DSP程序和FPGA程序組成。

DSP程序流程圖如圖4所示。由于生成圖像數(shù)據(jù)要通過DSP芯片的外部接口XINTF發(fā)送，DSP2812有5個固定的存儲映像區(qū)域，設(shè)計中采用ZONE2區(qū)作為映像區(qū)域，所以首先要解決數(shù)據(jù)存儲映像的問題。本設(shè)計采用CCS提供的下面兩個指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)映像。

#pragma CODE_SECTION 針對程序空間；

#pragma DATA_SECTION 針對數(shù)據(jù)空間；

具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：

#pragma DATA_SECTION（pRGB，″My_Sect″）

struct

{ Uint16 r；

Uint16 w；

}pRGB［320］［240］；

在.cmd文件中建立對應(yīng)的section就可以使用了。

MEMORY

{PAGE1： ZONE2 ：origin=0x080000，length=0x080000 }

SECTIONS

{My_Sect ：》ZONE2， PAGE=1 }

建立映像后要設(shè)置XINTF的相應(yīng)寄存器值，對于外部接口的訪問主要分為3個階段：（1）建立階段：被訪問區(qū)的片選信號變?yōu)榈碗娖剑刂繁环胖迷诘刂房偩€上；（2）激活階段：對外部器件進行訪問。本設(shè)計主要是寫訪問，寫使能（XWE#）選通變低并將數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上（XD）；（3）跟蹤階段：跟蹤階段為一保持時間，其片選信號為低，而后讀和寫選通變?yōu)楦撸?］。

具體設(shè)置如下：

XintfRegs.XTIMING2.bit.XWRLEAD=1

XintfRegs.XTIMING2.bit.XWRACTIVE=1

XintfRegs.XTIMING2.bit.XWRTRAIL=1

建立、激活、跟蹤分別為1個時鐘周期。

DSP2812的串行通信（SCI）模塊使用16位的波特率選擇寄存器（SCIHBAUD和SCILBAUD）設(shè)置SCI的波特率，因此SCI可以采用64 K種不同的波特率進行通信，通過下面的公式計算出寫入寄存器的值：

從圖5可以看出，采用模塊化的設(shè)計方法，圖像數(shù)據(jù)的寫操作和讀操作分別工作在兩個不同的時鐘域內(nèi)，數(shù)據(jù)的寫入是連續(xù)的，數(shù)據(jù)的讀出是按照一定的幀頻和行頻進行的。本設(shè)計采用雙端口RAM構(gòu)造異步FIFO的方法來實現(xiàn)。一方面要解決異步FIFO設(shè)計中存在的難點；另一方面要與Camera Link接口進行視頻數(shù)據(jù)的同步控制，生成場同步信號FAVAL和行同步信號LVAL。

整個程序可分為6個模塊。其中FIFO控制器模塊中包含一個雙端口RAM，用來存儲數(shù)據(jù)及控制讀寫操作；寫地址與滿標志邏輯生成寫地址并產(chǎn)生滿標志，寫地址和寫使能由DSP提供；讀地址與空標志邏輯生成讀地址并產(chǎn)生空標志，讀時鐘由系統(tǒng)時鐘通過計數(shù)分頻得到。因為讀操作要在LVAL信號的控制下完成，所以讀使能信號使用LVAL，其中空、滿狀態(tài)通過增加標志位和劃分地址空間來產(chǎn)生；比較邏輯用來異步比較讀、寫地址，并產(chǎn)生將滿、將空信號，其中讀、寫地址用格雷碼指針表示。該設(shè)計很好地解決了異步FIFO設(shè)計中存在的兩個關(guān)鍵問題，即降低了電路中亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)概率，正確產(chǎn)生了空、滿狀態(tài)邏輯。FVAL和LVAL的計算方法如下所述。

設(shè)計中像素時鐘信號PIXCLK的頻率為10 MHz。模擬的圖像數(shù)據(jù)的像素為320×240，幀頻為50 Hz，即每秒傳輸50幀圖像。行同步信號LVAL和幀同步信號FVAL均由像素時鐘信號進行計數(shù)產(chǎn)生，其時序如圖6所示。

圖6中，P1為35個PIXCLK時鐘周期；A為320個PIXCLK；即一行包含320個像素點；Q為47個PIXCLK；P2為13個PIXCLK，幀同步信號FVAL為低電平的時間是111 872個PIXCLK。一幀圖像包含240行有效數(shù)據(jù)，可計算出傳輸一幀圖像信號的時間為240×（A+Q）+P1+P2+111 872=200 000個PIXCLK時鐘周期，幀頻為10 MHz÷200 000=50 Hz。

5 實驗結(jié)果

將DSP程序和FPGA程序下載到實驗板中，使用開發(fā)工具Quartus II6.0中自帶的邏輯分析儀SignalTap對試驗中的主要信號進行采樣監(jiān)測，采樣結(jié)果如圖7所示。其中data為寫入數(shù)據(jù)，wraddress為寫地址，rdata為讀出數(shù)據(jù)，raddress為讀地址。當(dāng)行有效信號lval為低時讀操作停止，當(dāng)寫滿信號為高時數(shù)據(jù)停止寫入。結(jié)果表明信號時序準確，數(shù)據(jù)和地址沒有毛刺現(xiàn)象。最后將實驗板連接到圖像采集卡，模擬的圖像像素是320×240，頻率是50 Hz，通過觀看采集卡采集的圖像，表明圖像時序穩(wěn)定，能夠達到設(shè)計要求。

設(shè)計中采用新的虛擬圖像注入方法的目標模擬器為訓(xùn)練系統(tǒng)提供目標的圖像數(shù)據(jù)，該方法實現(xiàn)簡單。基于Camera Link接口協(xié)議的圖像信號采用LVDS方式傳輸，增加了傳輸距離，提高了傳輸過程中的信號精度。經(jīng)過試驗測定圖像數(shù)據(jù)信號穩(wěn)定、可靠，各項指標與目前光電跟瞄設(shè)備采用的紅外熱像儀輸出圖像格式吻合，實時性滿足要求，能夠很好地完成操作手對光電跟瞄設(shè)備的跟蹤訓(xùn)練和日常維護的任務(wù)。

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