黃成章,李萬崇,李凱峰

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,“先敵發(fā)現(xiàn),先敵打擊”是提升戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的必要手段,紅外技術(shù)是一種被動(dòng)式、可全天時(shí)工作的探測(cè)技術(shù),它可以彌補(bǔ)常規(guī)雷達(dá)四抗(抗反輻射導(dǎo)彈、抗電子戰(zhàn)、抗低空超低空突防、抗隱身目標(biāo))能力不足的缺點(diǎn)[1],因此,采用該項(xiàng)技術(shù)的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)成為軍事預(yù)警探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、制導(dǎo)等系統(tǒng)中可或缺的裝備力量,最早的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)技術(shù)始于20世紀(jì)60年代,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,紅外搜索跟蹤系統(tǒng)性能及各項(xiàng)指標(biāo)得到了極大提升,從最初的單元傳感器發(fā)展為至今的具有分辨率的線列、面陣傳感器,同時(shí)為提升不同戰(zhàn)場(chǎng)條件下對(duì)各類目標(biāo)的探測(cè)能力,越來越多的具有雙波段探測(cè)能力的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)被開發(fā)出來。

作為紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的“大腦”,高性能的信號(hào)處理技術(shù)是紅外搜索跟蹤系統(tǒng)永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。而隨著紅外圖像分辨率的提升及雙波段探測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,此外受限于一些裝備對(duì)體積、功耗的特殊要求,這些對(duì)信號(hào)處理技術(shù)都提出了更高的要求。

針對(duì)當(dāng)前及未來紅外搜索跟蹤系統(tǒng)對(duì)高性能信號(hào)處理技術(shù)的任務(wù)需求,本文基于多核DSP的通用信號(hào)處理硬件平臺(tái),結(jié)合系統(tǒng)功能需求、算法需求及多核DSP硬件特征,設(shè)計(jì)了一種基于主從架構(gòu)的多核DSP軟件架構(gòu),完成了紅外搜索與跟蹤算法的硬件移植與應(yīng)用驗(yàn)證。

2 硬件平臺(tái)

文中采用的硬件平臺(tái)基于當(dāng)前主流的FPGA+DSP架構(gòu),在設(shè)計(jì)時(shí),考慮到后續(xù)軍事裝備對(duì)國(guó)產(chǎn)化任務(wù)的應(yīng)用要求,文中硬件平臺(tái)選用了Xilinx公司和TI公司的高端主流芯片,一方面這些芯片有國(guó)產(chǎn)化對(duì)標(biāo)的解決方案,另一方面考慮了后續(xù)裝備升級(jí)對(duì)芯片的資源要求。信號(hào)處理板卡采用3UVPX標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu),單個(gè)板卡基于一片Xilinx公司的V7690T和TI公司的TMS320C6678多核處理芯片,板卡的對(duì)內(nèi)對(duì)外的指令與數(shù)據(jù)通路均采用SRIO通路,傳輸帶寬為3.125Gbps。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙波段的處理,需要采用兩塊信號(hào)處理板卡。

單個(gè)TMS320C6678處理器具有8個(gè)DSP內(nèi)核,該芯片是基于TI的C66x DSP內(nèi)核的KeyStone構(gòu)架創(chuàng)建的。其運(yùn)行速度最高可達(dá)1.25GHz。單個(gè)核心運(yùn)算能力可高達(dá)40 GMACS和20 GFLOPS,每個(gè)核心具有32 kB L1P、32 kB L1D、512 kB L2,4 MB多核共享內(nèi)存,具有PCle、Serial RapidIO、Gigabit Ethernet以及TI的HyperLink等多種高速接口,廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等高速信號(hào)處理領(lǐng)域。

3 軟件設(shè)計(jì)

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)軟件作為一種軍用嵌入式軟件,需要具備良好的可靠性,嵌入式軟件的可靠性是關(guān)系到武器裝備可靠性的重要環(huán)節(jié),也是當(dāng)前武器裝備可靠性研究的所面臨的一個(gè)重要的課題[2]。實(shí)際開發(fā)過程中,除了要嚴(yán)格進(jìn)行軟件工程化管理、健全軟件文檔及增加軟件產(chǎn)品的可靠性度量,更重要的是要在設(shè)計(jì)階段增加軟件的容錯(cuò)設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì),通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),提升軟件產(chǎn)品的模塊化程度,同時(shí)盡量降低軟件的模塊復(fù)雜性,此外要盡可能的重用現(xiàn)有的成熟軟件資源,在軟件設(shè)計(jì)中也要增加關(guān)鍵環(huán)節(jié)的故障上報(bào)機(jī)制。

3.1 功能設(shè)計(jì)

雙波段紅外搜索跟蹤系統(tǒng)軟件,除了要實(shí)現(xiàn)針對(duì)中、長(zhǎng)波兩個(gè)波段圖像的實(shí)時(shí)處理,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤的業(yè)務(wù)邏輯功能,還要實(shí)現(xiàn)硬件接口的初始化、通信協(xié)議、健康管理及模擬訓(xùn)練功能,實(shí)際設(shè)計(jì)中,采用模塊化分層設(shè)計(jì)思想對(duì)這些關(guān)鍵功能進(jìn)行組織,其組成框圖如圖1所示。

圖1 紅外搜索跟蹤軟件功能構(gòu)成Fig.1 Composition of infrared search and tracking software

圖1中個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)的具體功能描述如下:

(1)目標(biāo)檢測(cè):該功能屬于系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的一部分,主要接收來自FPGA的中/長(zhǎng)波紅外圖像及預(yù)處理結(jié)果,在系統(tǒng)的控制流程下,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)算法的核心邏輯,完成興趣目標(biāo)的檢測(cè)。

(2)目標(biāo)跟蹤:該功能同樣屬于系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)邏輯的一部分,接收來自目標(biāo)檢測(cè)算法提取的興趣目標(biāo),對(duì)跟蹤波門的興趣目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤算法的處理,并輸出目標(biāo)的脫靶量信息控制伺服運(yùn)動(dòng),將目標(biāo)鎖定在視野中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

(3)模擬訓(xùn)練:該部分功能主要是系統(tǒng)的輔助功能,主要用于對(duì)操作人員的虛擬作戰(zhàn)訓(xùn)練,在前端探測(cè)器關(guān)閉的情況下,通過生成模擬的目標(biāo)信息輸出,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤的模擬功能驗(yàn)證,減少設(shè)備的使用壽命,提升設(shè)備的使用效率,同時(shí)可以使作戰(zhàn)人員快速熟悉系統(tǒng)的操作流程及特性。

(4)通信協(xié)議:其主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理板對(duì)內(nèi)對(duì)外的指令及數(shù)據(jù)交互協(xié)議,進(jìn)而為后續(xù)的系統(tǒng)流程模塊提供信息,并將來自流程控制的信息下發(fā)到下一層模塊。

(5)執(zhí)行環(huán)境:執(zhí)行環(huán)境模塊是整個(gè)軟件的核心,其基于高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計(jì)思想,對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵功能進(jìn)行抽象,最大限度的減少頂層應(yīng)用對(duì)底層模塊的依賴及耦合性,提升應(yīng)用軟件的可移植性。其核心功能包括:

1) 實(shí)現(xiàn)通信中間件的功能,降低對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的通信協(xié)議的依賴性；

2) 負(fù)責(zé)根據(jù)接收的指令及數(shù)據(jù)信息調(diào)度目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤及模擬訓(xùn)練模塊；

3) 向下一層提供系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的處理結(jié)果(如目標(biāo)位置信息及控制伺服的脫靶量信息等)。

(6)故障管理:該模塊的引入?yún)⒖剂藱C(jī)載預(yù)測(cè)與健康管理模塊的功能,機(jī)載設(shè)備中的預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)作為實(shí)現(xiàn)視情維修(Condition Based Maintenance,CBM)的關(guān)鍵使能技術(shù),利用飛機(jī)已有的傳感器、數(shù)據(jù)源和少量的專用傳感器,通過綜合采樣來自飛機(jī)各部件、子系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),應(yīng)用智能計(jì)算技術(shù)和診斷方法,充分利用各方面、各層次的狀態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)綜合診斷與測(cè)試,提高故障檢測(cè)率、隔離率,濾除虛警[3]。本設(shè)計(jì)中的故障管理模塊旨在監(jiān)測(cè)并提供信號(hào)處理軟件關(guān)鍵位置的健康狀態(tài),對(duì)關(guān)鍵故障按等級(jí)進(jìn)行上報(bào),提供信號(hào)處理系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息,從而提高信號(hào)處理系統(tǒng)的安全性、可靠性及可測(cè)試性。

(7)硬件驅(qū)動(dòng):該模塊位于整個(gè)設(shè)計(jì)的最底層,主要提供軟件中個(gè)硬件資源的調(diào)用接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)硬件資源(如PLL、內(nèi)存、SRIO及EDMA等)的初始化及應(yīng)用。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì),要充分考慮TMS320C6678硬件平臺(tái)的特點(diǎn)及應(yīng)用本身的任務(wù)需求,從而設(shè)計(jì)一款既滿足應(yīng)用需求、能夠充分發(fā)揮硬件性能,又能保持一定的簡(jiǎn)潔性及可擴(kuò)展能力。

針對(duì) TMS320C6678多核 DSP 芯片的應(yīng)用開發(fā),TI允許開發(fā)人員采用兩種方式開發(fā),一種是在 SYS/BIOS[4]操作系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用開發(fā),另一種是基于前后臺(tái)應(yīng)用模式進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。前者操作系統(tǒng)為多核DSP的開發(fā)提供了多種系統(tǒng)調(diào)用接口,方便開發(fā)者構(gòu)建多核應(yīng)用程序,但存在一定的資源消耗,同時(shí)其性能有一定損失,因此本文采用基于裸機(jī)的前后臺(tái)程序進(jìn)行多核應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

針對(duì)雙波段紅外搜索跟蹤系統(tǒng),需要采用兩塊相同架構(gòu)的信號(hào)處理板卡(下文簡(jiǎn)稱處理板A和處理板B)進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn),實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)時(shí),采用處理板A完成長(zhǎng)波圖像的任務(wù)處理,采用處理板B完成中波圖像的任務(wù)處理,除了輸入圖像的分辨率、處理幀頻及算法有些許不同外,兩種板卡的程序結(jié)構(gòu)完全一致。

多核程序設(shè)計(jì)模型常用的方案有主從模型、數(shù)據(jù)流模型以及OpenMP 模型。

主從模型是一種控制集中,執(zhí)行分布的方案。在多核DSP 上core0 為主核,負(fù)責(zé)調(diào)度任務(wù)到從核,同時(shí)控制每個(gè)核的負(fù)載,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡化。從處理器之間的任務(wù)彼此獨(dú)立,任務(wù)的執(zhí)行只受主處理器的控制。

數(shù)據(jù)流模型是一種分布式控制和執(zhí)行的方案。多核DSP下,每個(gè)核運(yùn)行不同的功能處理數(shù)據(jù),借助共享內(nèi)存,數(shù)據(jù)由一個(gè)核傳輸給另一個(gè)核。利用該種模型處理時(shí),難點(diǎn)在于如何將程序映射到不同的核上以及確保核間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的低延遲。

OpenMP 是為多處理器上編寫并行程序而設(shè)計(jì),指導(dǎo)共享內(nèi)存、多線程并行的編譯制導(dǎo)指令和應(yīng)用程序編程接口,是一種基于共享存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的可移植編程模型[5]。

由于需求的復(fù)雜性,單一的模式很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的處理,通過采用混合處理模式,可以進(jìn)一步提升軟件的實(shí)時(shí)性,同時(shí)也能減少一定的資源消耗,文中綜合應(yīng)用了主從模型和數(shù)據(jù)流模型實(shí)現(xiàn)多核DSP應(yīng)用設(shè)計(jì)。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.3.1 工程設(shè)計(jì)

對(duì)于多核DSP的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)方式可以分為兩種,一種方式為所有核心使用統(tǒng)一的工程,另一種方式為每一個(gè)核心建立獨(dú)立的工程,這兩種方式各有利弊,前者的好處在于當(dāng)使用過的核心多時(shí),開發(fā)人員僅維護(hù)一個(gè)工程即可,方便管理,其不足是,程序設(shè)計(jì)過程中要充分考慮不同核心的功能差異,進(jìn)行差異化處理設(shè)計(jì),此外還會(huì)存在一定程度的資源浪費(fèi),例如對(duì)于某些核心獨(dú)享的全局變量,即使本核心未使用,程序編譯時(shí)也會(huì)為期分配存儲(chǔ)空間；后者的好處在于可以針對(duì)性額對(duì)每個(gè)核心進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)優(yōu)化,最大限度的提升資源利用率,其缺點(diǎn)是隨著核心的增加,開發(fā)人員需要管理的工程數(shù)量也會(huì)線性增加；綜合考慮實(shí)際應(yīng)用需求,文中采用獨(dú)立工程的方式實(shí)現(xiàn),實(shí)際過程中對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行合理劃分抽象,對(duì)公用的源文件采取多工程共享的方式,減少后續(xù)的維護(hù)難度。

3.3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外搜索跟蹤軟件中核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按功能劃分,主要分為兩類,一類為存儲(chǔ)系統(tǒng)狀態(tài)及流程控制的狀態(tài)控制信息,一類為算法內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯信息；按分配區(qū)域劃分,可以分為共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和獨(dú)立存儲(chǔ)區(qū),前者為多個(gè)核心之間共享訪問維護(hù),后者為單個(gè)核心獨(dú)立控制維護(hù),一般為了提升DDR的訪存速度,會(huì)使能Cache功能,此時(shí)對(duì)于共享存儲(chǔ)區(qū)的訪問維護(hù)由于涉及多個(gè)主設(shè)備的同時(shí)訪問,因此要注意緩存一致性維護(hù)。

軟件中的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為程序中用于記錄系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其定義如下:

typedef struct _SysInfo_t{

//幀號(hào)

Uint16 frameNumber;

//光軸方位

float position;

//光軸俯仰

float pitch;

//圖像垂直分辨率

Uint16 rows;

//圖像水平分辨率

Uint16 cols;

//瞬時(shí)視場(chǎng)

float ifov;

//時(shí)間信息

Uint64 timeVal;

}SysInfo_t;

該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由Core0進(jìn)行維護(hù),其他處理核心知識(shí)讀取訪問里面的信息,用于后續(xù)算法處理,因此其分配在共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。另外一個(gè)比較重要的兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別為core0與core1及core2交互的目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),為了方便主從模式的處理架構(gòu)的流程控制,除了必要的上報(bào)信息,該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還加入了一些反饋控制信息,以方便core0獲取core1及core2的處理狀態(tài)。

/** 檢測(cè)信息**/

typedef struct _ProtDetectorInfo_t {

//命令執(zhí)行對(duì)象

Uint32 cmdExeObj;

//目標(biāo)個(gè)數(shù)

Uint8 count;

//幀號(hào)

Uint16 frameNumber;

//反饋工作狀態(tài)

Uint8 response;

//目標(biāo)信息

ProtDResults_t result[DETECT_NUM];

//故障信息

Uint8 malfunctionInfo;

} ProtDetectorInfo_t;

/** 跟蹤信息**/

typedef struct _ProtTrackerInfo_t {

//命令執(zhí)行對(duì)象

Uint32 cmdExeObj;

//幀號(hào)

Uint16 frameNumber;

//反饋工作狀態(tài)

Uint8 response;

//目標(biāo)方位偏差

float rowOffset;

//目標(biāo)俯仰偏差

float colOffset;

//目標(biāo)方位角

float position;

//目標(biāo)俯仰角

float pitch;

//故障信息

Uint8 malfunctionInfo;

} ProtTrackerInfo_t,*pProtTrackerInfo_t;

3.3.3 軟件流程

針對(duì)文中的應(yīng)用場(chǎng)景,單個(gè)波段的軟件流程設(shè)計(jì)如圖2所示,該流程中同樣表明了各個(gè)處理核心的功能分配。

圖2中展示了單個(gè)波段下紅外搜索跟蹤系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)流圖及相應(yīng)的DSP核心功能分配。從上圖可以發(fā)現(xiàn),文中采用了具有兩級(jí)主從模式+流水模式的混合處理架構(gòu)。FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)中/長(zhǎng)波圖像的傳輸及預(yù)處理,并負(fù)責(zé)完成處理結(jié)果的上報(bào),中/長(zhǎng)波圖像及預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸至DSP的DDR3空間。core0作為一級(jí)主處理核心,負(fù)責(zé)完成硬件的初始化及對(duì)外的交互及對(duì)內(nèi)的同步控制,為了方便后續(xù)不同功能核心的訪問,core0在中斷服務(wù)程序中將收到的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果搬移至處理緩存區(qū),并設(shè)置數(shù)據(jù)接收到同步標(biāo)志,觸發(fā)core1和core2的處理流程；core1和core2作為二級(jí)主處理核心,其中core1實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)功能,負(fù)責(zé)管理控制core3-core7的實(shí)際目標(biāo)檢測(cè)算法的運(yùn)行,并對(duì)這些核心的處理結(jié)果進(jìn)行合并,一方面將處理結(jié)果作為上報(bào)信息反饋給core0,另一方面將目標(biāo)信息傳遞給core2,由core2對(duì)波門內(nèi)的興趣目標(biāo)進(jìn)行跟蹤處理。從處理器core3-core7負(fù)責(zé)對(duì)不同圖像塊的處理,這里的圖像分塊指將輸入圖像從上到下等分成6塊,由不同處理核心進(jìn)行并行處理。

圖2 處理核心功能分配及流程框圖Fig.2 Processing core function allocation and flow chart

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在某型紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中,對(duì)該信號(hào)處理軟件進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證,該紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的探測(cè)部分由中、長(zhǎng)波兩個(gè)探測(cè)器構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的有效探測(cè)。系統(tǒng)的中、長(zhǎng)波兩個(gè)波段的紅外視頻主要參數(shù)如表1所示。

表1 紅外視頻主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of infrared video

從表1可知,為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理要求,紅外搜索跟蹤系統(tǒng)軟件自接收到來自FPGA的圖像及預(yù)處理數(shù)據(jù)到輸出最終的檢測(cè)及告警信息,應(yīng)控制在10 ms以內(nèi),兩個(gè)波段,由于中波的分辨率更大一些,因此其實(shí)時(shí)處理能力更加嚴(yán)格。軟件中的核心耗時(shí)代碼主要為目標(biāo)檢測(cè)及目標(biāo)跟蹤的核心業(yè)務(wù)代碼。

為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理要求,文中對(duì)算法邏輯進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)合文獻(xiàn)[6]中的DSP硬件優(yōu)化方法,綜合運(yùn)用編譯器優(yōu)化選項(xiàng)-O3及編程中的優(yōu)化預(yù)處理宏,提升了算法的實(shí)時(shí)處理能力,使得算法的最終處理時(shí)間滿足中長(zhǎng)波的實(shí)時(shí)處理要求,其中中波峰值處理時(shí)間在8.3 ms左右,長(zhǎng)波峰值處理在4.2 ms左右。實(shí)際的搜索跟蹤告警效果如圖3所示。

圖3中,左側(cè)為長(zhǎng)波圖像,右側(cè)為中波圖像,以上為采用長(zhǎng)波圖像對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的效果,中波和長(zhǎng)波的檢測(cè)功能同時(shí)打開。

圖3 中長(zhǎng)波紅外搜索跟蹤效果Fig.3 The effect of infrared search and tracking of medium and long wave

5 結(jié) 論

文中采用基于混合模式的并行處理架構(gòu),設(shè)計(jì)了基于多核DSP處理芯片設(shè)計(jì)了紅外搜索跟蹤信號(hào)處理軟件,對(duì)核心業(yè)務(wù)邏輯代碼進(jìn)行了優(yōu)化處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)中長(zhǎng)波雙波段兩個(gè)圖像的實(shí)時(shí)處理,實(shí)踐證明,該軟件滿足系統(tǒng)的實(shí)際作戰(zhàn)使用要求,此外,該硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初考慮了國(guó)產(chǎn)化的替換選型方案,這位后續(xù)將該軟件適配到國(guó)產(chǎn)多核DSP處理架構(gòu)上提供了便利。