基于DSP和FPGA的电视观瞄系统设计

    ● 观瞄显示界面设计

    观瞄显示界面如图2所示。通过图文混合技术，可以在显示界面上很方便地产生电子分划，形式灵活可变且精度高，可以容易实现不改动光学系统而完成零位校准、对比度亮度调整、动态变形消隐等任务。观瞄区域是一个圆形，圆形以外至屏幕边缘则是固定灰度的背景，用于迭加图文信息。屏幕左上是命令菜单，显示当前执行的命令，右上是控制参数，具体显示控制字符。在屏幕左下，是系统的状态信息，右下则是调试命令，平时不显示，只在系统进入自身调试状态时才显示。

观瞄显示界面

● FPGA设计

    系统中，FPGA主要完成对视频图像的旋转算法实现、图文混合、逻辑控制和部分I/O操作等工作。正是基于这样的考虑，选用了Altera公司的StratixII系列中的EP2S30F484I4芯片。StratixII FPGA放弃了传统的查找表(LUT)结构，使用一种创新的自适应逻辑模块(ALM)作为FPGA的基本结构单元。与第一代Stratix相比，StratixII FPGA的逻辑密度是前者的2倍，速度也快了50%。EP2S30F484I4有13552个自适应逻辑模块(ALM)，33 880等效逻辑单元(LE)，片上RAM为1369728bit，还有12个锁相环(PLL)。

    FPGA控制单元是在QuartusII 5.0环境下开发的，消像旋处理是软件设计的关键。数字视频由红外热像仪输出，格式为差分输出。包括如下信号：V_CLK(14.5MHz)，V_LE(行有效)、V_FE(场有效)、V_EOF(奇偶场标志)、V_SYN(复合同步)、V_D[7..0](8bit数据)。该数字视频经过消像旋处理后仍按原格式输出。图像分辨率为(768×576)像素/帧。

    由于旋转后图像像素点坐标不再是整数，故旋转后必须对像素点灰度进行插值运算。但是如果采用高阶数的插值运算，其运算过程复杂，运算量也大。通过对系统显示要求和方位解算器精度的综合估算，本系统进行了8倍硬件插值，在像素的水平方向进行2倍插值，垂直方向上进行4倍插值。为了保证插值和图像显示的连续，本系统利用8片IS61LV12048(1024K×8bit的高速SRAM)芯片作场存储器(奇场和偶场)来交替地存储经过旋转处理后的数字图像数据。用于奇(偶)场操作的四片SRAM的20位地址线和写(WE)、读(OE)是一样的，只有各自的8位数据线和片选则是独立的。在一行像素全部传送到以后，和上一行像素的插值工作，还有行内插值就实时的完成了。

    FPGA的基准时钟为来自DSP输出的32MHz时钟，经过片内数字时钟网络(PLL)，可以得到系统所需要的多种时钟。

    图文混合主要是控制观瞄系统显示屏的显示内容与相应的位置。利用EP2S30F484的内部RAM配置了许多独立的小RAM块，DSP根据不同的控制命令向这些RAM块写入不同的显示内容。FPGA再根据显示位置的分布，以记数的方式在屏幕上控制显示内容输出，达到图文混合。

    由于StratixII FPGA使用SRAM来存储配置数据，而SRAM存储器在掉电后数据会丢失，因此每次StratixII FPAG上电时，必须下载一次配置数据。选择正确、合适的配置方案是利用FPGA进行设计的一个重要环节。Altera公司的FPGA共有多种配置方案，其中FPP、AS、PS、PPA和JTAG 配置方案适用于Stratix II系列FPGA。本设计采用了一种Advanced configuration Combine的配置方案。因为在系统研发阶段，考虑到要频繁地向FPGA写入设计文件，和EP2S30F484直接相连的标准JTAG必不可少，ByteMasterMV下载线一端接PC的并口，另一端与板上引出的JTAG底座连接。存储配置数据并完成自动配置的是EPCS16，它是Altera专为StratixII设计的增强型配置器件。当设计完成后，利用ByteMasterMV下载线直接将QuartusII输出的配置信息直接写入增强型配置器件中，以后在独立工作状态下，系统一上电启动，就开始了AS(FAST)方式的自动配置。

    使用JTAG配置电路时，主要用到4个必需的管脚：TDI、TDO、TMS和TCK及一个可选的管脚TRST。在电路板上，要根据JTAG 标准的要求，引出2×5的JTAG底座。要注意的是，TMS和TDI管脚必须接1kΩ的上拉电阻。

    QuartusII 5.0中一个非常实用的工具是软逻辑分析仪，它通过标准JTAG的方式就提供给用户可视化的在线分析能力。只要把ByteMasterMV电缆连接在EP2S30F484的JTAG头上，添加逻辑分析文件，在里面定义好要观察的信号，触发信号、方式，时钟，采样深度等参数，编译完成后从JTAG下载到FPGA内部，就可以运行，并实时的获得图形化的分析结果。