楊 龍，李范鳴，張 涌

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基于Wishbone-PCI核的紅外探測器注入式仿真系統

楊 龍，李范鳴，張 涌

（中國科學院 上海技術物理研究所，上海 200083）

介紹了一種基于Wishbone-PCI橋核和Spartan6系列FPGA的紅外探測器注入式仿真系統。重點討論了基于PCI總線的紅外圖像注入接口卡的設計與實現以及Wishbone-PCI橋核技術。該系統可以代替紅外偵察告警設備的頭部探測器將紅外仿真圖像數據注入到紅外告警、紅外搜索跟蹤等設備的實時信息處理箱，用來實現對紅外偵察告警設備目標探測與目標跟蹤功能的驗證與仿真。該注入式仿真系統通過將前期紅外偵察告警設備采集的紅外圖像數據與自定義的目標圖像相疊加，注入到實時信息處理箱，因此該注入式仿真系統具有圖像數據真實連續(xù)的特點，能更加真實地模擬現實的場景，為實時信號處理箱提供真實可靠的數據來源，有利于加快紅外偵察告警設備的研發(fā)進程，縮短系統開發(fā)周期。

Wishbone；PCI；FPGA；注入式仿真系統；紅外探測器

0 引言

紅外告警設備和紅外搜索跟蹤設備通常是由紅外告警頭和紅外實時信號處理平臺兩部分構成。紅外告警頭主要由紅外探測器、圖像讀出電路、制冷機以及光學鏡頭等組成，主要功能包括完成探測器的成像功能以及圖像輸出功能。紅外實時信號處理平臺主要的任務是對探測器發(fā)送過來的圖像信號進行處理，運用各種圖像處理算法，根據需求對圖像進行處理，完成紅外目標的檢測與提取，同時對潛在的目標給出實時告警狀態(tài)信息或實現對目標的跟蹤功能。

在設計和研制紅外偵察告警設備之前，首先都會提出設計方案，然后采用各種仿真途徑驗證設計方案[1]。采用各種仿真途徑即有利于前期對系統的設計方案進行驗證、優(yōu)化，有利于提前發(fā)現設計方案中的錯誤或不足，進一步改進和優(yōu)化方案；另一方面由于紅外告警設備和紅外搜索跟蹤設備中所使用的探測器價格比較昂貴、使用壽命有限，采用仿真手段可以避免使用真實探測器所面臨的高額開支以及縮短探測器使用壽命以及使用的過程中導致探測器的損壞等問題[2]。因此紅外仿真實驗是紅外偵察告警設備前期研制過程中一個不可或缺的環(huán)節(jié)。常用于紅外偵察告警設備的仿真實驗主要有兩種類型：半實物仿真也稱半物理仿真和數字圖像注入式仿真[3]。而對于紅外偵察告警設備的半物理仿真實驗隨著實物部件的增多，雖然仿真的逼真度有所提高，但會大大降低系統的靈活性，其花費開銷也會越來越大。本文介紹了一種采用數字圖像注入式仿真方式，基于Wishbone-PCI橋核和Spartan6系列FPGA的開發(fā)的紅外探測器注入式仿真系統。其中仿真數據源為紅外告警頭預先采集的真實外場數據，經仿真應用程序疊加目標信息后，實時注入紅外實時信號處理平臺處理，真實高效地仿真了實際的紅外探測器系統。

1 仿真系統

1.1 Wishbone-PCI橋核

為實現圖像的注入，首先要從仿真計算機中獲取仿真數據源，本系統中注入接口卡通過PCI總線協議從仿真計算機中獲取目標疊加后的仿真數據。為實現PCI總線協議，本系統通過在FPGA內例化Opencores開放IP Core組織提供的Wishbone-PCI橋核來實現了Wishbone片上系統總線與PCI邏輯總線接口的互聯[1]。圖1給出了Wishbone-PCI橋核的內部結構，從圖1中可以看出Wishbone-PCI橋核由Wishbone從單元和PCI目標單元兩個獨立的單元組成，Wishbone從單元處理Wishbone總線側的數據流，PCI目標單元處理PCI總線側的數據流。通過對該橋核內部的參數頭文件的配置，可以使其工作在主橋或從橋的模式下，兩種模式的區(qū)別在于對Wishbone-PCI橋核的配置空間的初始化方式不同。在本系統中工作在從橋的模式下，即通過系統配置軟件初始化橋核的配置空間。在FPGA內部實現了一個Wishbone從接口，通過Wishbone從接口操作時序完成對數據的讀寫操作，再由Wishbone-PCI橋核完成Wishbone總線接口后PCI總接口的雙向轉換，進而實現Wishbone總線和PCI總接的雙向數據通訊。

1.2 系統描述

該系統能夠根據預先生成的紅外圖像素材數據和預先設定的戰(zhàn)情類型，實時采集紅外偵察告警設備（含勻掃、擺掃兩種型號）的光軸指向數據，生成包含目標紅外仿真圖像，并實時注入到信息處理機中進行處理，實現紅外偵察告警設備的注入式閉環(huán)仿真。

該仿真系統主要功能是基于目前現有的兩種偵察告警設備，完成紅外偵察告警設備勻掃型系統的紅外頭部仿真；完成紅外偵察告警設備擺掃型系統的紅外頭部仿真；在向紅外實時信號處理平臺注入仿真數據過程中完成紅外背景圖像和目標信息的實時疊加，用于驗證紅外偵查告警設備的功能，包括圖像的采集與顯示以及目標告警與目標跟蹤的功能。

紅外探測器注入式仿真系統的整體設計方案如圖2所示。虛線內為該仿真系統的構成，由仿真計算機和圖像注入接口卡組成，其中圖像注入接口卡主要包括主控FPGA，緩存用的DDR3，接收數據用的PCI接口以及光纖模塊發(fā)送紅外圖像數據，通過PCI總線連接在仿真計算機上。從圖2中可以看到整個仿真系統的實現過程：圖像仿真計算機將通過應用程序從外場試驗獲取的紅外圖像數據生產紅外仿真圖像數據，仿真計算機應用程序將紅外仿真圖像數據寫入仿真計算機內存，然后通知FPGA將仿真計算機內存中的紅外仿真圖像數據通過PCI總線讀出，并且乒乓操作分別寫入緩存DDR3Ⅰ和DDR3Ⅱ中，最后再由FPGA從DDR3中讀出紅外仿真圖像數據并且按照紅外告警設備和紅外搜索跟蹤設備規(guī)定的協議向后級紅外實時信號處理平臺注入仿真數據。

圖1 Wishbone-PCI橋核內部結構

圖2 紅外探測器注入式仿真系統框圖

PCI總線是一條共享總線，在一條PCI總線上可以掛接多個PCI設備[4]。實際上，由于主機的仲裁機制是不會讓同一個設備長時間占用PCI總線資源，所以，即便工作在突發(fā)讀寫的模式下，PCI總線上傳輸數據也會出現間斷的情況。特別是在相鄰兩次突發(fā)讀寫之間，會有不固定的時間間隔的空閑。然而，想要模擬紅外設備的頭部探測器工作情況，必須保證輸出給后級紅外實時信號處理平臺的仿真數據中一幀圖像內沒有不連續(xù)情況發(fā)生。因此，不能直接將從PCI總線上獲取的主機內存中的紅外仿真圖像數據輸出給后級紅外實時信號處理平臺。必須有一個足夠大的緩存來暫時保存PCI總線上獲取的紅外仿真圖像數據[5]，然后再連續(xù)地發(fā)送給后級紅外實時信號處理平臺。

1.3 系統工作模式

該系統能工作在兩種不同的工作模式，根據圖像注入接口卡得到的注入控制指令產生的方式不同，紅外偵察告警注入式仿真試驗原理驗證系統應能工作在以下兩種模式下：

1）內觸發(fā)工作模式

在內觸發(fā)模式下，圖像仿真與圖像注入的同步信號由圖像注入接口卡產生，但產生的第一個同步信號受外觸發(fā)信號控制，即該注入式仿真系統接收到仿真開始指令后，圖像注入接口卡接收到第一個外觸發(fā)信號時，產生第一個同步信號，且板卡的內部計數器開始工作，間隔1時間后（1為紅外偵察告警設備的幀周期，對于勻掃型，該時間為0.95s；對于擺掃型，該時間為0.3s），板卡產生下一個同步信號。

圖像仿真軟件接收到注入接口卡產生的同步信號后，實時獲取紅外偵察告警設備的碼盤數據，并實時合成紅外圖像，寫入到注入接口卡的緩存；圖像注入接口卡產生同步信號后，延時固定時間（該時間需要保證圖像合成和寫緩存完成），將當前緩存中的圖像數據注入到信息處理機中。內觸發(fā)工作模式如圖3所示。

圖3 內觸發(fā)工作模式示意圖

2）軟觸發(fā)工作模式

在軟觸發(fā)模式下，圖像仿真與圖像注入的同步信號由仿真應用程序計時產生，但產生的第一個同步信號受外觸發(fā)信號控制，即該注入式仿真系統接收到仿真開始指令后，仿真應用程序接收到第一個外觸發(fā)信號時，產生第一個同步信號，并開啟計時功能，間隔1時間后（1為紅外偵察告警設備的幀周期，對于勻掃型，該時間為0.95s；對于擺掃型，該時間為0.3s），產生下一個同步信號。

圖像仿真軟件產生同步信號的同時，獲取紅外偵察告警設備的碼盤數據，并實時合成紅外圖像，寫入到注入接口卡的緩存，寫入完成后向圖像注入接口卡發(fā)送開始注入指令，將當前緩存中的圖像數據注入到信息處理機中。在圖像注入的同時，圖像仿真軟件等待下一個同步信號的產生。軟觸發(fā)工作模式如圖4所示。

1.4 系統初始化流程

為實現圖像注入接口卡對多種型號紅外偵察告警設備的注入式仿真，在啟動仿真應用程序后，首先需對PCI板卡進行配置以及參數設定，使得注入接口卡工作的所需的模式下，以及使得板卡輸出對用紅外實時信號處理箱能識別的數據格式。圖像注入接口卡初始化配置流程圖如圖5所示，對于勻掃型和擺掃型設備，需配置不同的寄存器，用于定義注入接口卡的數據輸出格式和圖像規(guī)模的設定。中斷使能的目的為了實現注入接口卡和仿真應用程序的同步，同步信號通過注入接口卡中斷信號來產生。

1.5 FPGA內部系統流程

FPGA內部邏輯實現框圖如圖6所示。FPGA和PCI總線的接口采用了開放IP組織Opencores提供的Wishbone-PCI[6]橋核。該核完成了Wishbone片上系統總線和PCI邏輯總線接口的實現。在FPGA內部實現了相關功能的寄存器，主機上的應用程序通過PCI總線對FPGA內部的寄存器進行初始化。而當應用程序完成對FPGA工作模式配置后，由FPGA通過PCI總線從主機內存獲得紅外仿真圖像數據。在使用Wishbone-PCI[6]橋核獲取紅外仿真數據之前，要配置相應的寄存器，如設置能使中斷位開啟中斷功能，產生同步信號，配置數據輸出格式寄存器，輸出多種紅外仿真數據格式，以適應不同型號信息處理箱，配置數據傳輸模式為突發(fā)傳輸模式，提高傳輸效率。

圖4 軟觸發(fā)工作模式示意圖

圖5 系統初始化配置流程

圖6 FPGA內部系統工作流程

系統中DDR3的讀寫是通過Xilinx公司提供的MCB硬核來實現的[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，且對于大多數廠家的儲存芯片都支持（Micron、Elpida、Hynix等）。MCB硬核有著優(yōu)秀的誤碼校驗和偏移時鐘校驗，以及高精度高穩(wěn)定性的PLL_ADV。而對于用戶控制接口是通過讀寫FIFO的方式，代替復雜的DDR3讀寫邏輯，以SRAM的地址映射方式代替復雜的行列地址選擇。在該系統中MCB主要用來完成DDR3的初始化，根據控制狀態(tài)機的控制信號實現對兩片DDR3的乒乓操作。在本設計中，為了提高數據的存儲速度，并沒有選用操作簡單的SRAM，而是選用了操作更為復雜速度更快的DDR3作為緩存。

時序控制器的主要功能是根據時序配置寄存器輸出對應的紅外仿真數據格式。該仿真系統可以根據時序配置寄存器初始化過程中所配置的參數輸出不同格式時序信號，參數配置多樣化，以使得該系統可以使用與不同型號的紅外實時信號處理平臺，也可以兼容前一代的紅外實時信號處理平臺，大大增強了該紅外仿真系統的通用性。

系統中的中控核心控制狀態(tài)機的主要功能和任務包括：

1）乒乓操作控制仿真數據流的流向[8]。當應用程序準備好一幀數據的時候，控制狀態(tài)機判斷當前幀數是奇數幀還是偶數幀并發(fā)出讀取命令，若為奇數幀則數據進入FIFOⅠ中，并控制數據寫入到DDR3Ⅰ中，同時控制DDR3控制器從DDR3Ⅱ中讀出經過數據選擇器和時序控制器輸出到光纖模塊輸出。反之，則數據進入FIFOⅡ中，并控制數據寫入到DDR3Ⅱ中，同時控制DDR3控制器從DDR3Ⅰ中讀出經過數據選擇器和時序控制器輸出到光纖模塊輸出。

2）控制Wishbone-PCI橋核向主機提供中斷，產生同步信號。當從主機讀取指定長度的數據塊后，會通過PCI接口向主機發(fā)出中斷請求，主機上應用程序響應中斷并讓主機提供下一幀數據，包括獲取碼盤數據、圖像合成、圖像寫緩存等操作。

3）按紅外實時信息處理平臺要求的協議輸出仿真數據?？刂茽顟B(tài)機配合參數寄存器中初始化的參數值控制時序控制器輸出對應格式的仿真數據。

2 實驗結果和討論

該仿真系統已成功應用于多種型號的紅外偵察告警設備中包括勻掃型一代、勻掃型二代以及擺掃型設備，有著良好的使用效果，可以完全代替紅外偵察告警設備的頭部，圖7、圖8分別為仿真系統的實際應用效果圖，圖7是該仿真系統實時向勻掃型設備中注入的仿真數據的效果圖，圖8是該仿真系統按勻掃型二代設備數據格式協議要求輸出紅外仿真數據，實驗測試該系統具有靈活的輸出方式、長時間可靠穩(wěn)定工作等特點。

本文采用基于Wishbone-PCI橋核設計并實現了紅外頭部注入式仿真系統，該系統獨立性好，資源占用少，數據傳輸速度快，以方便、靈活地配置成不同工作模式以及實現多種圖像輸出格式，能適用于多種型號的紅外偵察告警設備，如該系統成功地模擬了紅外偵察告警勻掃型一代、勻掃型二代以及擺掃型設備的紅外頭部，成功地解決了紅外仿真階段中注入原始圖像數據困難，通過仿真應用程序完成對目標的疊加，該系統可以代替紅外偵察告警設備研制過程中的多數外場實驗，大大節(jié)省了紅外偵察告警設備研制過程中的人力物力財力成本，也避免了使用真實探測器所面臨的巨額開支、縮短探測器使用壽命以及使用的過程中導致探測器的損壞等問題。同時，紅外成像、紅外目標探測與目標跟蹤是當今信息對抗領域的熱門研究方向。該系統能夠為紅外信號實時處理平臺提供一個半真實的仿真環(huán)境，大大縮短紅外信號實時處理平臺的研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本，具有很大的實用價值。

圖7 仿真系統實際應用效果圖

圖8 仿真系統輸出的紅外圖像

3 結語

實驗表明基于Wishbone-PCI橋核設計的紅外頭部注入式仿真系統能代替紅外頭部，為信號處理箱注入仿真紅外圖像數據，工作穩(wěn)定可靠，減少紅外偵察告警設備研制過程中的外場實驗，節(jié)省成本，同時該仿真系統基于FPGA開發(fā)，具有開發(fā)周期短、設計靈活等特點。在紅外注入式仿真系統方面有著廣闊的應用前景和價值。

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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.

楊龍（1989-），男，湖北漢川人，博士研究生，主要從事紅外成像電路與系統的研究。E-mail：yanglongsitp@163.com。

國家863計劃資助項目（2011AA7031002G）。