基于Camera接口的船用導(dǎo)航雷達(dá)顯示設(shè)計(jì)

陸 迪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所數(shù)字技術(shù)部，安徽合肥 230031)

船用導(dǎo)航雷達(dá)是測(cè)定本船位置和預(yù)防沖撞事故不可缺少的系統(tǒng)，其能夠準(zhǔn)確捕獲其他船只、陸地、航線標(biāo)志等物標(biāo)信息，并將其顯示在顯示屏上［1］。船用導(dǎo)航雷達(dá)與軍用雷達(dá)相比成本較低，因此多采用基于嵌入式ARM(Advanced RISC Machines)設(shè)計(jì)的小型化平臺(tái)。小型化平臺(tái)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)回波顯示的方式，對(duì)計(jì)算機(jī)資源的開(kāi)銷較大，且實(shí)時(shí)的回波顯示對(duì)軟件的處理流程要求也較高，因此實(shí)現(xiàn)回波顯示硬件設(shè)計(jì)成為必要。

通過(guò)FPGA(Field Programmable Gate Array)將雷達(dá)回波轉(zhuǎn)化成視頻信號(hào)，送至ARM的Camera接口，以視頻圖像的方式與人機(jī)界面在顯示控制內(nèi)部混合疊加，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的回波和人機(jī)界面的同步顯示，成為解決小型化雷達(dá)終端回波顯示的可行方案。

1 工作原理

船用導(dǎo)航終端顯示設(shè)計(jì)的組成框圖如圖1所示，主要由3部分組成。回波處理通道由FPGA和外圍電路組成，主要完成雷達(dá)信號(hào)接口匹配、回波采樣、回波峰選處理、掃描坐標(biāo)變換處理、余輝尾跡控制、時(shí)序控制和視頻格式編碼等功能。人機(jī)處理通道由ARM計(jì)算機(jī)組成，由載入的軟件完成二次顯示信息處理、操控窗口控制、工作參數(shù)設(shè)置以及與系統(tǒng)和整機(jī)的通信等。視頻混合模塊由ARM的顯示控制器實(shí)現(xiàn)，在行、場(chǎng)同步控制信號(hào)的控制下，DMA(Direct Memory Access)的方式讀取系統(tǒng)內(nèi)存中顯示數(shù)據(jù)，完成雷達(dá)回波和人機(jī)接口的疊加顯示。

圖1 顯示設(shè)計(jì)的組成框圖

2 顯示設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

船用導(dǎo)航雷達(dá)終端的顯示設(shè)計(jì)主要有回波的實(shí)時(shí)校正、回波近區(qū)覆蓋/遠(yuǎn)區(qū)分裂補(bǔ)償、ITU－R BT601/656視頻編碼、顯示控制器混合疊加等多個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的峰選實(shí)時(shí)校正

顯示器半徑的像素?cái)?shù)量一般不等于雷達(dá)觸發(fā)的距離采樣數(shù)量，所以回波的顯示處理均需要峰選。峰選就是將顯示量程內(nèi)的所有回波采樣值按顯示像素分組，在每組內(nèi)選擇最大值作為對(duì)應(yīng)顯示像素的輝度值，每組回波采樣值的數(shù)目為峰選系數(shù)，按照峰選系數(shù)進(jìn)行處理。峰選系數(shù)N由式(1)計(jì)算，N一般取小數(shù)點(diǎn)后兩位

式中，N為峰選系數(shù);R為顯示量程，單位km;f為峰選始終頻率，單位MHz;M為顯示像素。

軟件根據(jù)顯示模式及量程計(jì)算出峰選系數(shù)后，由端口置入FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)峰選系數(shù)，將對(duì)應(yīng)的峰選校正值存貯在內(nèi)部ROM(Read－Only Memory)中，實(shí)時(shí)讀取校正。

例如，峰選系數(shù)為2.25，在Altera Quartus中仿真的波形如圖2所示。

圖2 峰選校正的波形

2.2 回波近區(qū)覆蓋、遠(yuǎn)區(qū)分裂的補(bǔ)償

雷達(dá)顯示系統(tǒng)接收的是雷達(dá)觸發(fā)、雷達(dá)回波和方位信號(hào)，是一個(gè)極坐標(biāo)系，顯示時(shí)以行場(chǎng)同步掃描的方式進(jìn)行，是一個(gè)直角坐標(biāo)系［2］。由于從極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)固有的非線性影響，以及方位與雷達(dá)觸發(fā)的異步關(guān)系，會(huì)出現(xiàn)回波的近區(qū)重疊和遠(yuǎn)區(qū)分裂的現(xiàn)象。解決近區(qū)的覆蓋，在寫入幀緩存的回波值之前，先讀出該地址原有值，若大于則寫入，否則保持原值。遠(yuǎn)區(qū)回波分裂采用兩種方法補(bǔ)償;(1)增加坐標(biāo)轉(zhuǎn)換查表法中正、余弦函數(shù)值的精度;(2)采用插值的方法，在一次方位處理完成后，在下一次觸發(fā)前再以當(dāng)前的回波值輔以新的方位進(jìn)行顯示處理。

圖3 方位插值示意

插值的示意如圖3所示。插值的數(shù)量由雷達(dá)顯示半徑?jīng)Q定，而一般插值后的個(gè)數(shù)應(yīng)大于或等于顯示圓周的像素點(diǎn)，這樣才能保證回波充滿顯示器所有像素，避免出現(xiàn)回波的分裂。由于轉(zhuǎn)換過(guò)程中的非線性，近區(qū)不需要插值，為解決時(shí)序緊張的問(wèn)題，可選擇從某一顯示距離開(kāi)始插值，即遠(yuǎn)區(qū)補(bǔ)償。

2.3 ITU－R BT601/656視頻編碼

Camera接口支持兩種接口的輸入視頻(1)ITU R BT－601 YCbCr 8位標(biāo)準(zhǔn)。(2)ITU R BT－656 YCbCr 8位標(biāo)準(zhǔn)［3］。前一種標(biāo)準(zhǔn)輸出行場(chǎng)同步信號(hào)、8位寬度的數(shù)據(jù)信號(hào)和數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘，后一種標(biāo)準(zhǔn)的不輸出行場(chǎng)信號(hào)，將定時(shí)基準(zhǔn)碼和行場(chǎng)消隱數(shù)據(jù)編在8位數(shù)據(jù)信號(hào)中，由Camera接口捕捉定時(shí)基準(zhǔn)碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的行場(chǎng)同步。設(shè)計(jì)采用ITU R BT－656 YCbCr 8位標(biāo)準(zhǔn)，視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和編碼由FPGA完成，組成原理框圖如圖4所示。

圖4 ITU R BT－656編碼組成原理框圖

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)R(Red)、G(Green)、B(Blue)數(shù)據(jù)的同步處理，以便穩(wěn)定的寫入FIFO。FIFO控制模塊完成對(duì)FIFO的讀寫控制和數(shù)據(jù)的緩存。RGB轉(zhuǎn)YCbCr模塊將輸入的RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的YCbCr數(shù)據(jù)，R、G、B 信號(hào)到 Y、Cb、轉(zhuǎn)換公式為

ITU656協(xié)議產(chǎn)生模塊用于控制產(chǎn)生ITU R BT－656 YCbCr 8位標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘。

2.4 Camera接口

ITU R BT－601/656視頻送至ARM的Camera接口，內(nèi)部的測(cè)試樣板可用來(lái)校準(zhǔn)輸入同步信號(hào)作為HREF(行信號(hào))和VSYNC(場(chǎng)信號(hào))，CatchCam實(shí)時(shí)捕捉ITU信號(hào)。Camera接口內(nèi)存在兩個(gè)通道:一是Preview Scaler(以下簡(jiǎn)稱P通道)，用來(lái)產(chǎn)生較小的圖像，用于預(yù)覽;二是Codec Scaler(以下簡(jiǎn)稱C通道)，用來(lái)產(chǎn)生編解碼用途的視頻信號(hào)。P通道和C通道各自保持獨(dú)立。

Camera接口有4個(gè)DMA端口，分別是在AHB總線上進(jìn)行預(yù)覽的MSDMA輸入，進(jìn)行編解碼的MSDMA輸入，P通道顏色轉(zhuǎn)換后輸出DMA，C通道顏色轉(zhuǎn)換后輸出 DMA。MSDMA 讀取 Y∶Cb∶Cr4∶2∶2、Y∶Cb∶Cr4∶2∶0或RGB圖像。4個(gè)主端口支持各種各樣的應(yīng)用，寄存器可分別設(shè)置4個(gè)DMA端口的使能。

Camera接口不能為默認(rèn)優(yōu)先級(jí)AHB總線的設(shè)備，其優(yōu)先級(jí)必須與其他循環(huán)或通知仲裁優(yōu)先級(jí)設(shè)備區(qū)別開(kāi)，并保持獨(dú)立，為保證顯示的流暢性，包含Camera接口的AHB總線須比其他Multi－AHB總線的優(yōu)先級(jí)高。

2.5 顯示控制器混合疊加

顯示控制器有一個(gè)用于轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)的模塊，用于本地總線的后處理器或系統(tǒng)內(nèi)存中的視頻緩沖區(qū)到外部LCD驅(qū)動(dòng)器接口的圖像數(shù)據(jù)傳輸。顯示控制器由VSFR、VDMA、VPRCS、VTIME和視頻時(shí)鐘產(chǎn)生器組成。VSFR包括可編程寄存器和調(diào)色板存儲(chǔ)器，用于配置顯示控制器，VDMA用于顯示DMA，可將幀存儲(chǔ)器內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到VPRCS。VPRCS接收VDMA發(fā)出的視頻數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為需要的數(shù)據(jù)格式后，如8 bit或16 bit像素，將視頻數(shù)據(jù)直接發(fā)送到顯示設(shè)備上。VDMA有5個(gè)通道和3個(gè)本地輸入接口。為混合運(yùn)行，CSC(Color Space Conversion)模塊將YCbCr數(shù)據(jù)改變?yōu)镽GB數(shù)據(jù)。顯示控制器數(shù)據(jù)流模塊圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)流模塊圖

通過(guò)Camera接口送來(lái)的雷達(dá)回波窗口與其他窗口在顯示控制器內(nèi)完成了視頻窗口同步混合。最終在顯示器上顯示的雷達(dá)畫面如圖6所示。

圖6 雷達(dá)顯示畫面

3 結(jié)束語(yǔ)

基于FPGA和嵌入式處理器ARM設(shè)計(jì)的船用導(dǎo)航雷達(dá)顯示系統(tǒng)，利用FPGA完成雷達(dá)回波的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換和視頻的編碼，再通過(guò)Camera接口完成視頻數(shù)據(jù)的接收，并在顯示控制器內(nèi)通過(guò)使用特殊的 DMAVDMA，未使用CPU，直接將視頻數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，從而節(jié)省CPU資源，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)回波和人機(jī)界面的同步顯示，滿足了船用導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的顯示要求。

［1］ 崔鳳波.船舶通信與導(dǎo)航［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［2］ 丁鷺飛，陳建春.雷達(dá)原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］ 三星科技.三星 S3C6410用戶手冊(cè)［M］.韓國(guó):三星科技，2008.

［4］ 羅小巧，樊偉良，李偉.基于FPGA的數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008(10):177－179.