基于DSP與FPGA的全姿態(tài)指引儀的設(shè)計(jì)

1 全姿態(tài)指引儀的功能與原理

??? 飛行儀表的綜合顯示系統(tǒng)主要包括全姿態(tài)指引儀、電子航道羅盤(pán)、導(dǎo)航儀和視景儀等模塊化儀表設(shè)備，其中電子全姿態(tài)指引儀的顯示信息包括姿態(tài)指引信息、高度信息、速度信息和工作狀態(tài)信息等。它的主要任務(wù)就是以動(dòng)態(tài)圖形和字符的形式實(shí)時(shí)的顯示飛行參數(shù)，以便飛行員準(zhǔn)確的獲取所需要的信息，并進(jìn)行及時(shí)安全的操縱。全姿態(tài)指引儀區(qū)域填充運(yùn)算主要針對(duì)內(nèi)部天地球區(qū)域，如圖1(a)所示。以中間分界線即地平線為界，上部藍(lán)色區(qū)域代表天空，下部褐色區(qū)域代表陸地，地平線位置和角度決定兩個(gè)區(qū)域的形狀，在每次畫(huà)面刷新時(shí)都要重新生成圖形，上面疊加的字符和線段也要跟隨地平線一起旋轉(zhuǎn)。地平線的位置和角度是由兩個(gè)飛行參數(shù)決定的：俯仰角和側(cè)滾角。如圖l(b)所示，俯仰角θ決定地平線離圖形中心的垂直距離h，側(cè)滾角α決定其傾斜角度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

??? 電子全姿態(tài)指引儀對(duì)實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)格的要求，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要具有穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著DSP與FPGA技術(shù)發(fā)展，DSP+FPGA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在圖形圖像處理的應(yīng)用場(chǎng)合突顯出很強(qiáng)的優(yōu)越性，兩種器件分別適合復(fù)雜算法運(yùn)算和硬件并行運(yùn)算與控制。因而考慮將圖形運(yùn)算分步處理，將輪廓生成的工作交給DSP，而區(qū)域填充由FPGA硬件完成，這便是軟硬件填充方法。

??? 工作時(shí)，輸入是多路傳感器信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到FPGAl中按照特定的算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，存入雙口RAMl中。DSP又通過(guò)雙口RAMl讀取預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，按照設(shè)定好的算法生成需要顯示的圖形與字符的輪廓，接著通過(guò)雙口RAM2傳給FPGA2，在FPGA2中完成字符圖形填充、反走樣、顯示等功能。DSP連接一個(gè)容量較大的SDRAM為全局共享外部存儲(chǔ)器，而FPGA通過(guò)連接一組容量較小的雙口RAM為局部共享存儲(chǔ)器。

3 圖形信息分層處理與顯示技術(shù)

3．1 DSP畫(huà)面初始化圖形分層

??? 圖形區(qū)域主要分為三種類(lèi)型：一是背景區(qū)域，數(shù)據(jù)量大，但在圖形變化過(guò)程中不隨參數(shù)變化而改變；二是填充區(qū)域，數(shù)據(jù)量大，并且在圖形變化過(guò)程中隨著參數(shù)變化而不斷改變；三是動(dòng)態(tài)的字符與刻度信息，數(shù)據(jù)量小頻繁變化又不同于填充區(qū)域。根據(jù)圖形的特性，系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行畫(huà)面的初始化，將圖形分為背景層、填充層和動(dòng)態(tài)字符層，背景層包括不隨參數(shù)改變的背景、刻度和字符等，填充層即天地球區(qū)域，動(dòng)態(tài)字符層包括動(dòng)態(tài)字符和直線區(qū)域。區(qū)域填充過(guò)程對(duì)動(dòng)態(tài)字符層的處理和背景層相同，因而將該層和背景層構(gòu)成的區(qū)域稱為非填充區(qū)域。圖形的分層靠圖形區(qū)域標(biāo)志位來(lái)區(qū)分，為0表示為非填充區(qū)域，為1表示為填充區(qū)域，區(qū)域標(biāo)志位后跟隨著該點(diǎn)顏色信息。在畫(huà)面初始化中將天地球輪廓上點(diǎn)的坐標(biāo)存為數(shù)組，以方便根據(jù)地平線的位置和角度來(lái)標(biāo)記天地球填充區(qū)域的邊界。在畫(huà)面初始化后的輪廓重新生成過(guò)程中，背景層便不再改動(dòng)，動(dòng)態(tài)字符層信息因數(shù)據(jù)量小可每次都將改變了的部分擦除和重寫(xiě)。DSP根據(jù)參數(shù)生成帶有填充區(qū)域邊界標(biāo)記信息的填充層與背景層和動(dòng)態(tài)字符層的疊加信息，就生成了一幅完整的圖形輪廓。圖2表示圖1(a)所示顯示畫(huà)面的分層結(jié)果，(a)、(b)和(c)分別為背景層、填充層和動(dòng)態(tài)字符層。

3．2 天地球區(qū)域的輪廓生成

??? 因?yàn)樘斓厍虻奈恢煤托螤罟潭ǎS參數(shù)變化的是其區(qū)域的顏色信息，因而輪廓生成的任務(wù)就是根據(jù)變化的參數(shù)重新標(biāo)記填充區(qū)域邊界的顏色信息，以便FPGA根據(jù)邊界點(diǎn)的顏色信息確定區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的顏色。在DSP初始化畫(huà)面生成天地球邊界時(shí)，建立邊界數(shù)組存儲(chǔ)邊界點(diǎn)的位置以方便其顏色信息的標(biāo)記。在DSP接收到一組飛行參數(shù)后，根據(jù)俯仰角和側(cè)滾角重新賦給天地球的邊界和地平線以顏色信息。這種方法可以節(jié)省大量時(shí)間以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

3．3 天地球區(qū)域的FPGA硬件填充

??? 區(qū)域填充一般可以歸為兩大類(lèi)：掃描轉(zhuǎn)換和種子填充。其中邊標(biāo)志填充算法和掃描線種子填充算法分別是這兩類(lèi)中較為常用和高效的算法，邊標(biāo)志填充算法更適合于硬件和固件實(shí)現(xiàn)。故選用邊標(biāo)志填充算法完成區(qū)域填充，編程邏輯使用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)。

??? 具體思路如下：(1)DSP讀取雙口RAMl中存儲(chǔ)的已經(jīng)由FPGAl預(yù)處理了的信號(hào)，生成一些直線、圓弧，如線段AB、弧線AC，在DSP進(jìn)行圖形生成的同時(shí)，對(duì)需要填充的圖形進(jìn)行邊標(biāo)志的標(biāo)定，并通過(guò)雙口RAM2送至SRAMl(或SRAM2)中(說(shuō)明需要參照結(jié)構(gòu)原理框圖)，(2)填充工作由FPGA2實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA2并行地從SRAM2(或SRAMl)讀入像素，并進(jìn)行標(biāo)志識(shí)別與操作，實(shí)現(xiàn)邊標(biāo)志填充算法。算法具體描述如下：

??? (1)設(shè)立邊標(biāo)志，該功能由DSP完成，是在生成天地球填充輪廓的過(guò)程中，同時(shí)給邊界和地平線做上標(biāo)記，畫(huà)面除了背景色以外需要填充藍(lán)色和褐色兩種顏色(一些特殊情況，如俯仰角大于90°或者小于-90°，則只需填充藍(lán)色或褐色)。因此天地球的填充需要設(shè)立藍(lán)色邊標(biāo)志和褐色邊標(biāo)志。

??? (2)像素操作，該功能由FPGA2完成，由布爾狀態(tài)量確定和輸出顏色確定兩部分組成。FPGA2把已打上邊標(biāo)志的圖形數(shù)據(jù)從幀存(SRAMl或SRAM2)中讀出，對(duì)每條掃描線，依從左到右的順序，逐個(gè)訪問(wèn)該掃描線上的像素，對(duì)于像素具有藍(lán)色和綠色標(biāo)志的，分別定義一個(gè)布爾狀態(tài)量flag_blue和flag_green來(lái)指示當(dāng)前像素點(diǎn)的狀態(tài)，若點(diǎn)在需要填充的藍(lán)色(或綠色)區(qū)域內(nèi)，flag_blue(或flag_green)為真，反之，若點(diǎn)在填充區(qū)域外，flag_blue(或flag_green)為假；每當(dāng)當(dāng)前被訪問(wèn)的是被打上藍(lán)色邊標(biāo)志edge_blue(或綠色邊標(biāo)志edge_green)的像素時(shí)，fl-ag_blue(或flag_green)取反；對(duì)未打任何邊標(biāo)志edge_no的像素，flag_blue(或flag_green)不變。算法確定輸出顏色時(shí)，對(duì)于所訪問(wèn)的像素，根據(jù)flag_blue(flag_green)標(biāo)志把相應(yīng)的顏色Blue(Green)輸出顯示，否則，則直接把背景色Background輸出顯示。

3．4 滾動(dòng)刻度和字符處理

??? 代表俯仰角的刻度和度數(shù)都在天地球區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)的滾動(dòng)，它與填充區(qū)域外面的移動(dòng)刻度和字符的區(qū)別是：刻度和字符不能超出填充區(qū)域，否則會(huì)擦除其它天地球外的重要信息。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)以下方法解決：在初始化分層時(shí)標(biāo)記了的填充區(qū)域內(nèi)，選擇一種與填充區(qū)域外的各種顏色和填充區(qū)域內(nèi)小飛機(jī)標(biāo)記顏色值不同的一種顏色數(shù)據(jù)來(lái)代表填充區(qū)域內(nèi)的滾動(dòng)字符和刻度。每次寫(xiě)前判斷如果在填充區(qū)域外則不要寫(xiě)，如果在填充區(qū)域內(nèi)且非標(biāo)志信息則寫(xiě)出該字符或刻度，也就是如果刻度滾動(dòng)到區(qū)域外則不再顯示，但其位置信息仍然根據(jù)參數(shù)變動(dòng)。擦除時(shí)，根據(jù)位置信息判斷像素點(diǎn)是不是移動(dòng)刻度和字符的顏色，如果是就擦成填充區(qū)域的原始數(shù)值，否則保持不變。這樣就實(shí)現(xiàn)了既不把字符寫(xiě)道填充區(qū)域外，也不會(huì)將填充區(qū)域外的信息元擦除。其程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

??? 通過(guò)將圖形分層處理，只根據(jù)參數(shù)改變其填充層和動(dòng)態(tài)字符層信息，減少了DSP輪廓生成的運(yùn)算量。又按照硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將圖形運(yùn)算由DSP軟件標(biāo)記輪廓，F(xiàn)PGA硬件完成區(qū)域填充的方法，顯著加快了區(qū)域填充速度，使得畫(huà)面顯示取得效果良好。這種圖形處理方法對(duì)其它類(lèi)似的圖形處理應(yīng)用場(chǎng)合具有很好的借鑒意義。