遠(yuǎn)程監(jiān)控匯報(bào)系統(tǒng)適用于飛行員學(xué)員首次單獨(dú)飛行

遠(yuǎn)程監(jiān)控匯報(bào)系統(tǒng)（RMDS）適用于飛行員學(xué)員的首次單獨(dú)飛行。它使教練機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控飛行，并在以后回放飛行以提供詳細(xì)的反饋和說(shuō)明。

飛行員實(shí)習(xí)生執(zhí)行他或她的第一次單人飛行可能會(huì)犯錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是在駕駛艙內(nèi)放置一個(gè)攝像機(jī)，并將實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)綇牡孛姹O(jiān)控飛行的教練機(jī)。但是，以每秒 15 幀的速度傳輸數(shù)字視頻需要 160 Mbps 的帶寬。這種渠道的成本非常昂貴。問(wèn)題是如何避免傳輸視頻并仍然監(jiān)控飛行中飛機(jī)的狀態(tài)。解決方案是對(duì)輸入視頻進(jìn)行圖像處理并將數(shù)值結(jié)果傳輸?shù)降孛?。傳輸?shù)值結(jié)果只需要每秒 9，600 位的帶寬，可通過(guò)射頻無(wú)線(xiàn)電調(diào)制解調(diào)器輕松、經(jīng)濟(jì)地傳輸。

該飛機(jī)配備了連接到駕駛艙視頻處理器的攝像頭、無(wú)線(xiàn)電調(diào)制解調(diào)器和 GPS。駕駛艙視頻處理器執(zhí)行圖像處理以分析儀表的狀態(tài)。圖像處理的數(shù)值結(jié)果和GPS數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電調(diào)制解調(diào)器發(fā)送到地面站（GS），地面站將面板和3D地圖的視圖盡可能恢復(fù)到飛機(jī)上看到的真實(shí)視圖。GS的平臺(tái)基于FSX-Microsoft飛行模擬器。

為了實(shí)現(xiàn)盡可能接近真實(shí)視頻的地面，我們需要在每個(gè)攝像頭上以每秒 15 幀的速度執(zhí)行圖像處理。

系統(tǒng)分析

在項(xiàng)目的系統(tǒng)分析階段，計(jì)算機(jī)要求是：

CPU 負(fù)載為 30%

內(nèi)存和總線(xiàn)的帶寬為 40%

估計(jì)這些資源使用情況的假設(shè)是：

圖像處理是在一組感興趣區(qū)域 （ROI） 上執(zhí)行的

每個(gè) ROI 為 100 x 100 像素 = 104 像素

有 20 個(gè)投資回報(bào)率

每秒 15 幀

內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)為 10 ns，這與訪(fǎng)問(wèn)緩存失敗有關(guān)。

比內(nèi)存快的 CPU 在訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)都會(huì)延遲內(nèi)存。

因此，要估計(jì) CPU 負(fù)載，我們必須計(jì)算算法中的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)。由于算法不按順序訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，因此我們采用更大的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間值。表 1 顯示了遠(yuǎn)高于預(yù)期的 CPU 負(fù)載：超過(guò) 54%，而對(duì)應(yīng)于典型要求的 30% 的值。表 2 顯示了所需的內(nèi)存帶寬。略高于40%。

表1

表2

在下一節(jié)中，我們將介紹為項(xiàng)目選擇計(jì)算平臺(tái)的其他注意事項(xiàng)。

選擇平臺(tái)

與此類(lèi)項(xiàng)目相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)是關(guān)鍵路徑;因此，要求找到一個(gè)帶有兩個(gè)處理器的現(xiàn)成評(píng)估板，并開(kāi)始軟件開(kāi)發(fā)，而無(wú)需等待硬件開(kāi)發(fā)。2004年底，我們選擇了ADI公司的BF561雙核作為我們項(xiàng)目的平臺(tái)。通過(guò)選擇 BF561（見(jiàn)圖 3），我們消除了 CPU 時(shí)間的瓶頸。

圖3

內(nèi)存帶寬受以下各項(xiàng)支持：

用于指令的單獨(dú)緩存

單獨(dú)的數(shù)據(jù)緩存

用于捕獲流入和傳出的流視頻的快速 DMA.1（此外，BF561 還具有標(biāo)準(zhǔn) I/O 資源，如 RS-232、SPI 和并行 I/O）

ADI公司的評(píng)估板ADSP-BF561 EZ-KIT Lite2使我們能夠立即開(kāi)始軟件開(kāi)發(fā)。未包含在評(píng)估板上的I/O是通過(guò)向后連接器連接到評(píng)估板的擴(kuò)展板上實(shí)現(xiàn)的。

與BF561相關(guān)的軟件工具允許一臺(tái)PC作為控制兩個(gè)DSP的開(kāi)發(fā)平臺(tái)（見(jiàn)圖4）。當(dāng)然，當(dāng)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)由一臺(tái)PC控制時(shí)，多處理器的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程會(huì)變得更加簡(jiǎn)單。此外，實(shí)時(shí)圖像處理應(yīng)用程序的軟件開(kāi)發(fā)意味著支持集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）的實(shí)用程序。必須將輸入圖像顯示為由DSP中的視頻解碼器采樣的圖像。圖5顯示了視頻解碼器捕獲并存儲(chǔ)在DSP存儲(chǔ)器中的圖像。圖像由圖像查看器顯示，該查看器是 IDE 的一部分。此功能有助于集成逐行掃描攝像機(jī)。逐行視頻在振動(dòng)環(huán)境中的圖像處理應(yīng)用中至關(guān)重要。攝像機(jī)產(chǎn)生的電視標(biāo)準(zhǔn)是 525 行和 858 列。相機(jī)生成的圖像大小為每幀 640 x 492 像素。圖像查看器有助于找到輸入視頻的實(shí)際大小，即 525 x 858。

圖4

軟件設(shè)計(jì)可提高性能

兩個(gè)內(nèi)核通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行交互。共享內(nèi)存是由外部端口閃存/SDRAM控制的外部DRAM（再次參見(jiàn)圖3）。兩個(gè)核心的利用率取決于項(xiàng)目的功能分解。在計(jì)算任務(wù)可以分解為獨(dú)立子任務(wù)的理想情況下，處理器得到充分利用。另一方面，如果功能分解產(chǎn)生相互依賴(lài)的子任務(wù)，則在同步處理器以訪(fǎng)問(wèn)共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大程度地減少這些相互依賴(lài)關(guān)系;因此，處理器變得松散耦合。

圖 5 顯示了我們系統(tǒng)的功能分解。每個(gè) DSP 都有自己的高速緩存指令和高速緩存數(shù)據(jù)。一個(gè) DSP 對(duì)來(lái)自攝像機(jī)的視頻進(jìn)行采樣并僅執(zhí)行圖像處理，而第二個(gè) DSP 連接外部世界：

圖5

通過(guò)射頻調(diào)制解調(diào)器到 GS

前往全球定位系統(tǒng)

前往相機(jī)的對(duì)比度控制

執(zhí)行圖像處理的DSP通過(guò)共享存儲(chǔ)器處理第二個(gè)DSP，并提供數(shù)值結(jié)果和對(duì)比度值。第二個(gè)DSP不承認(rèn)接受這些數(shù)據(jù)，從而降低了我們的同步成本。

將任務(wù)分配給兩個(gè) DSP 的這種功能保證了它們是松散耦合的;因此，它們的計(jì)算能力最大化。

視頻處理

流模擬視頻由視頻解碼器捕獲，解碼器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻，并通過(guò)其中一個(gè)DMA通道將轉(zhuǎn)換后的視頻傳輸?shù)酵獠看鎯?chǔ)器。幀完成時(shí)：

當(dāng)收到新幀并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中時(shí)，DSP 會(huì)生成中斷。

DMA 會(huì)自動(dòng)切換，以便在新的內(nèi)存緩沖區(qū)中獲取額外的幀，而不會(huì)受到 DSP 的干擾。

DSP 同時(shí)處理幀，而新幀由視頻解碼器捕獲。為了提高性能，與ROI相關(guān)的部分圖像從DSP的外部存儲(chǔ)器傳輸?shù)狡鋬?nèi)部存儲(chǔ)器。

為了啟用實(shí)時(shí)調(diào)試，我們?cè)诒O(jiān)視器電視上生成帶有視頻標(biāo)記的圖像，顯示處理的最后一幀。但是，我們的輸入視頻是逐行掃描類(lèi)型，而監(jiān)視器電視支持隔行掃描視頻。

圖 6 列出了兩種視頻類(lèi)型的線(xiàn)路信息。逐行掃描視頻幀由從第 0 行開(kāi)始，到第 524 行結(jié)束的 525 行的連續(xù)序列組成。隔行掃描視頻由兩個(gè)子幀組成：一個(gè)子幀是從第 0 行開(kāi)始到第 524 行結(jié)束的所有偶數(shù)行的序列;另一個(gè)子幀是從第 1 行開(kāi)始到第 523 行結(jié)束的所有奇數(shù)行的序列。我們?cè)俅问褂肂F561中的快速DMA將逐行掃描視頻轉(zhuǎn)換為隔行掃描視頻。此外，我們還添加了特殊標(biāo)記，以在視頻中顯示結(jié)果以進(jìn)行調(diào)試和錄制以進(jìn)行調(diào)試。

音頻處理

為了使受訓(xùn)者和培訓(xùn)師之間能夠在正常的航空電子通信渠道之外進(jìn)行通信，我們?cè)黾恿送ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)電調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行語(yǔ)音處理的功能。無(wú)線(xiàn)電調(diào)制解調(diào)器以每秒 9，600 位的波特率工作。語(yǔ)音的帶寬為每秒 3，200 比特，而全球波特率為 9，600。解決方案是在與外部世界接口的DSP中執(zhí)行壓縮和解壓縮。培訓(xùn)師有一個(gè)麥克風(fēng)和一個(gè)連接到 GS 的耳機(jī)。GS壓縮訓(xùn)練器的聲音，并通過(guò)射頻調(diào)制解調(diào)器將其發(fā)送到BF561;BF561解壓縮并激活音頻解碼器，該解碼器連接到學(xué)員的耳機(jī)。受訓(xùn)者可以通過(guò)他或她的麥克風(fēng)與培訓(xùn)師交談，BF561 壓縮他或她的聲音并通過(guò)射頻調(diào)制解調(diào)器將其發(fā)送到 GS。在GS中，執(zhí)行語(yǔ)音恢復(fù)并將其路由到教練的耳機(jī)。航空電子系統(tǒng)中的慣例是半雙工通信。語(yǔ)音處理涉及與音頻代碼、串行端口 （SPORT） 和 DMA 進(jìn)行交互。音頻編解碼器的數(shù)字接口是 SPORT。DMA 支持音頻流。

審核編輯：郭婷