基于USB 2．0的便攜式紅外目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

USB微控制器是實(shí)現(xiàn)USB通信的核心，同時(shí)也是系統(tǒng)的內(nèi)部通信中心。USB微控制器不僅要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)信息處理機(jī)與主機(jī)USB通信，同時(shí)還要負(fù)責(zé)與伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、熱像儀、預(yù)留擴(kuò)展接口等的通信。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)跟蹤，實(shí)時(shí)信息處理機(jī)處理結(jié)果中包含的目標(biāo)脫靶量必須以50 f/s的速率實(shí)時(shí)地傳送給伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，此傳輸不能受主控計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)信息處理機(jī)USB通信的影響。由于windows操作系統(tǒng)本身多進(jìn)程與USB傳輸?shù)闹鲝氖焦ぷ髟恚骺赜?jì)算機(jī)之間的USB傳輸常被其他進(jìn)程打斷，導(dǎo)致USB傳輸速率下降，無法保證當(dāng)前圖像與目標(biāo)信息以50 f／s的恒定速率實(shí)時(shí)傳輸給主控計(jì)算機(jī)顯示。本系統(tǒng)中USB微控制器利用內(nèi)部集成的強(qiáng)型805l內(nèi)核通過對其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部F1FO的有效運(yùn)用，根據(jù)本系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)傳輸對時(shí)間、速率和可靠性的不同要求靈活運(yùn)用控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸，保證上述各種通信過程互不影響，有效地保證伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)跟蹤性能。其固件程序流程圖如圖2所示。

　　2．2 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　USB總線的驅(qū)動(dòng)程序是運(yùn)行在便攜式計(jì)算機(jī)上并實(shí)現(xiàn)對其內(nèi)嵌的LISB控制器進(jìn)行控制，USB總線的驅(qū)動(dòng)程序由USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，USB協(xié)議棧(包括總線管理、設(shè)備管理、多主機(jī)控制器管理等工作)，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(實(shí)現(xiàn)對特定類設(shè)備的配置管理、數(shù)據(jù)傳輸管理)3部分組成。Microsoft提供的一組驅(qū)動(dòng)程序占據(jù)了系統(tǒng)軟件的底部。這些驅(qū)動(dòng)程序包括主控制器驅(qū)動(dòng)程序(OPENHCI．SYS或者UHCD．SYS)、HUB驅(qū)動(dòng)程序(USBHUB．SYS)和一個(gè)類驅(qū)動(dòng)程序(USBD．SYS)，由控制器驅(qū)動(dòng)程序使用。把USBD下面的所有驅(qū)動(dòng)程序看成一個(gè)整體，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要與這個(gè)整體進(jìn)行交互，占據(jù)系統(tǒng)軟件的頂部，管理著硬件連接和管道通信。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作就是把客戶軟件的請求翻譯成USBD能執(zhí)行的事務(wù)。

　　本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的功能就是在固件程序的配合下完成USB控制、數(shù)據(jù)傳輸、電源管理和固件加載。具體而言，設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序需要完成的工作分別為：初始化；創(chuàng)建和刪除設(shè)備；處理win32打開和關(guān)閉文件句柄的請求；處理控制傳輸?shù)恼埱?；處理中斷傳輸?shù)恼埱?；處理批量傳輸?shù)恼埱螅还碳虞d；處理一個(gè)可熱插拔設(shè)備被添加或刪除的情況；處理電源管理的請求。

3 實(shí)時(shí)信息處理機(jī)硬件設(shè)計(jì)

　　實(shí)時(shí)信息處理機(jī)是紅外自動(dòng)目標(biāo)檢測跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，他實(shí)現(xiàn)對紅外熱像儀數(shù)據(jù)的獲取，對圖像中的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將目標(biāo)信息如脫靶量等傳遞給伺服控制系統(tǒng)及外部擴(kuò)展接口。同時(shí)，該分系統(tǒng)還負(fù)責(zé)熱像儀、伺服控制分系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)及擴(kuò)展接口之間的通信。 熱像儀圖像大小為320×256，幀頻為50幀／s，通過對目標(biāo)檢測跟蹤算法的分析可知：其數(shù)據(jù)量大且圖像處理算法運(yùn)算量大，而系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求高。以上這些特點(diǎn)對硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。國內(nèi)一些同行在實(shí)時(shí)圖像處理機(jī)的設(shè)計(jì)中采用了DSP陣列結(jié)構(gòu)［3.4］，用多塊

　　DSP協(xié)同工作來提高處理機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力。由于本文設(shè)計(jì)的便攜式紅外目標(biāo)自動(dòng)檢測與跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息處理機(jī)的體積和功耗受到嚴(yán)格限制，在對各方面因素進(jìn)行綜合考慮的基礎(chǔ)上，結(jié)合處理算法的動(dòng)態(tài)可變和可重構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)信息處理的基本流程設(shè)計(jì)了基于單片DSP+FPGA的實(shí)時(shí)信息處理機(jī)硬件平臺(tái)，發(fā)揮DSP和FPGA各自的優(yōu)勢，合理劃分處理任務(wù)，使得效率和靈活性得到充分提高。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

　　其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：