基于DMD的可见光目标模拟系统设计与实现

∞２ ｒ３ｌ：１６１
显示图像不反映颜色信息，所以系统设计只需对每个像素提取 任意一个分量的８位数据进行格式转换即可，这样就能满足最
大２５６阶灰度等级的要求。另一方面，由ＤＭＤ的工作机理可
图４ 双缓存电路原理框图
知，向ＤＭＤ中的某个存储单元写ｌ或ｏ，对应位置的微镜转向
＋１２。或一１２。，使入射照明光被反射到投影光学系统规场内或
匮匦亟囹
文章编号：１６７１—４５９８（２０１３】０３一０７３５一０３
娑兰量茎竺主芏：当釜
中图分类号：ＴＰ３９１
文献标识码：Ａ
塑Ｌ
基于ＤＭＤ的可见光目标模拟系统设计与实现
李少毅１，马
骏２，姚 远３，梁志毅１，闰
杰１
（１．西北工业大学航天学院，西安７１００７２；２．中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，西安７１００６５； ３．９１６５６部队，上海２００４３９）
可以满足系统前后端数据速率的匹配。
Ｄ口１［１５：０］ ．地址信号１
ＤＭＤ驱动控制技术中有几个主要问题需要解决：首先是 数据格式转换，即将接收的ＤＶｌ图像数据转换成ＤＭＤ数据加 载需要的格式；其次是数据存储，即对转换后图像数据以整帧
的方式存取，且实现两组缓存的乒乓操作；最后是灰度等级的 实现和ＤＭＤ数据的加载与复位［２１显示。
ｉｎｇ ｓ０１ｖｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＤＭＤ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｇｒａｙ—ｓｃａｌｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ
ｐｕｔｅｒ
ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ ｆｒｏｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｍ—
Ａｎｄ ｗｈｅｎ ｖｉｓｉｂｌｅ １ｉｇｈｔ
第一级为８个１０２４ｂｉｔ的移位寄存器，接收并缓存像素数据的
万方数据
第３期
李少毅，等：基于ＤＭＤ的可见光目标模拟系统设计与实现
．７３７．
依次按权重等比排列。若图像像素由ｎ位数据表示，则每一位 对应的区段长度为２”１，２”２，…，２０（等份）［”］。每个区段 是否会被选通取决于对应微镜ＳＲＡＭ单元的二进制数值，若 为１则选通，该区段内脉冲保持高电平，即对应微镜处于光开 启状态；若为。则不选通，对应区段内脉冲保持为低电平，微 镜处于光关闭状态。当数据最大（全１）时，高电平占满整个 帧周期，达到全占空比，像素最亮；当数据最小（为ｏ）时， 整个帧周期全为低电平，像素最暗；中间数据都可用２０一２”１ 的线性和值来表示，即亮度呈线性连续变化。经过ＰＷＭ调制 输出的信号脉宽与数字图像二进制灰度值的大小成比例关系， 一帧图像内不同的像素拥有不同的灰度值，对应光开启状态总 的时间长度不同，便产生不同亮度的光学图像。如图５所示， 是一个５位像素数据的脉宽调制表示。
收稿日期：２０１２一０９一ｏｌ；修回日期：２０１２—１１一０１。
Ｄｖｌ基路
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０８７２１５８）。 作者简介：李少毅（１９８６一），男，陕西西安人，博士研究生，主要从事 飞行控制与仿真技术方向的研究。 梁志毅（１９６３一），男，陕西西安人，教授，研究生导师，主要从事飞行 控制与仿真技术方向的研究。
拟系统的核心是Ｄｍ驱动控制系统和光学投影系统。可见光
目标模拟器由景物成像仿真计算机生成可见光图像，通过ＤⅥ
接口传输到ＤⅧ驱动电路，驱动Ｄ№芯片产生动态的可见光
场景，再由光学投影系统投射出去。如图１所示，可见光目标 模拟系统方案的具体实施将分成几个子系统分别予以实现。
１系统工作原理
可见光目标模拟系统主要工作原理为：以景物成像仿真机 为前端输入，接收仿真计算机提供的目标图像，通过ＤＭＤ驱 动控制电路将目标图像电信号表示转换为光信号表示，再通过 光学系统以适合可见光导引头探测的光学景象投射给导引头， 实现在同步信号激励下，导引头探测结果与目标图像仿真结果
图２
ＤＭＤ驱动控制系统硬件总体结构
４所示为ＤＤＲ２双缓存电路原理框图，４片ＤＤＲ２芯片分为两 组，分别构成缓存１和缓存２，统一由主控ＦＰＧＡ内的：ｂＤＲ２ 控制器及其逻辑接口协调完成数据的乒乓读写操作。对缓存１ 来说，ＤＤＲ２—１和ＤＤＲ２—２具有相同的地址信号和控制信 号，除了ＤＱＳ、ＤＭ以及时钟信号各自独立以外，两片存储器
７１００６５；３．９１６５６ Ａｒｍｙ，ＳｈａｎｇＨａｉ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
ｐａｒｔ
ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ—ｉｎ—ｔｈｅ—ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｅｋｅｒ，ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ
ｓｃｅｎｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｖｉｄｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ
２．２
ｔ
图ｌ系统总体方案原理图 ＤＭＤ驱动控制系统
本文采用ｘｉｌｉｎｘ公司Ｖｉｒｔｅｘ５系列高性能ＦＰＧＡ为主控制
万方数据
・７３６・
计算机测量与控制
第２１卷
器，选择ＴＩ公司ＤＭＤ专用控制器口芯片ＤＤＣ４１００［“、复位
驱动芯片ＤＡＤ２０００［３］、ＤＶＩ接口专用解码芯片ＴＦＰ４０１Ａ、分
辨率为１９２０＊１０８０的ＤＭＤ及用于缓存图像数据的ＤＤＲ２ ＳＤＲＡＭ芯片ＭＴ４６Ｈ６４Ｍ１６搭建驱动控制硬件电路，其硬件 总体结构如图２所示。在系统设计中，ＤＶＩ输出显示格ｎ１式： １２８０＊１０２４＠６０Ｈ２，要求的ＤＭＤ显示格式：１０２４＊１０２４，在 与被测设备有外同步信号的情况下频率大于１０Ｈｚ；无外同步 信号时，为６０Ｈｚ，文中将只说明无外同步信号的情况。这就 需要在接收图像数据时，截取一个１０２４＊１０２４的图像窗口， 实际上，从数据使能信号上升沿开始，只接收每一行１２８０个 像素中的１０２４个像素即能实现这个图像窗口。对于分辨率为 １９２０＊１０８０的ＤＭＤ中没有用到的边框部分执行补。操作。
ａ
ｉｍａｇｅｓ
ｔｏ
ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
ｔｏ
ｔｅｓｔ
ｉｔｓ 来自百度文库ｂｉｌｉｔｙ
ｔｏ
ｄｉｓｃｏｖｅｒ。ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ ｔｒａｃｋ
ｖｉｓｉｂｌｅ ｔａｒｇｅｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ａｆｔｅｒ ｈａＶ—
的数据总线宽度扩展为３２位，其中ＤＤＲ２—１缓存数据的低
在此，需要对系统带宽做以说明，ＤＶＩ接口显示格式固 定，图像数据量需求：１０２４＊１０２４＊８ｂｉｔ＊６０＝６０ ＭＢ／ｓ；
ＤＤＲ２
ＳＤＲＡＭ缓存模块时钟２∞ＭＨｚ，数据位宽３２ｂｉｔ，存储 ＤＭＤ最小数据加载、复位与保持总时间：２５６＊ ｍｓ（下文中介绍计算原理），即
（１．Ｓｃｈ００１ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｘｉ’ａｎ Ａｂｓｔ糟ｃｔ：Ａｓ
ａｎ
ｏｎ
ＤＭＤ
７１００７２；２．Ｆ１ｉｇｈｔ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２００４３９，Ｃｈｉｎａ）
带宽：８００ ＭＢ／ｓ；在要求ｚ５６灰度等级的情况下，分辨率为
１９２０＊１０８０
１６位（ＤＱ［１５：ｏ］），ＤＤＲ２—２缓存数据的高１６位（ＤＱ ［３１：１６］）。缓存２完全类似。
ＤＯＳｌ／ＤＭｌ
ＤＤＲ２ ｌ ＤＱＳ３／ＤＭ３
１０８０＊１６＊Ｔｃｌｋ＝１１．０５９２
９０Ｈｚ，其中ＤＭＤ时钟Ｔｃｌｋ＝２．５ ｎｓ。由此看出，此设计方案
ｖ盯ｉｆｉｅｄ
ｓｙｓｔｅｍ ｐＩａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅ—
ｗｏｒ出：ｔａｒｇｅｔ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ；ＤＭＤ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｇｒａｙ—ｄｅｇｒｅｅ ｍｏｄｕＩａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｃｓ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ
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分区６ 分区７
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图３主控ＦＰＧＡ中位平面产生、存储设计
每一位，每次可以缓存１０２４个有效像素；第二级ＦＩＦ０分为８ 个子ＦＩＦ０分别缓存相应位平面的数据，各子ＦＩＦ０输入输出 数据宽度均为１２８ｂｉｔ，存储深度为１６。每次从ＤＶＩ数据使能 信号（ＤＥ）上升沿开始，缓存１０２４个像素，开始写ＦＩＦ０， 当ＦＩＦ０半满时，写一次ＤＤＲ２缓存。第三级ＤＤＲ２控制器逻
下面将结合ＤＭＤ数据加载和复位时序介绍灰度调制的原
理和在主控ＦＰＧＡ中的实现方法。利用ＤＭＤ芯片本身的结构
外，相应地产生亮像素点或暗像素点。所以灰度调制采用二进 制脉冲宽度调制方法（ＢＰＷＭ）［５…，需要将每帧图像每个像素
第一位到第八位拆分且单独存储，形成八张按位排列的二进制
及其响应速度较快的特点，根据系统设计要求，选取脉冲宽度 调制方法来实现图像灰度等级的控制。 脉冲宽度调制法（ＰＷＭ）也称占空比法，其在一定时间 内输出驱动的高低电平直接反映了像素二迸制表示值的大小， 而驱动脉冲的占空比即代表了该像素的灰度值。ＰＷＭ法根据 数字图像二进制位数将脉冲的持续时间（通常为驱动一帧图像
摘要：目标模拟系统作为导引头电气系统半实物仿真实验的重要组成部分，向可见光探凋系统提供动态目标和场景图像，以测试其 发现、探测和跟踪目标的能力。分析设计了可见光目标模拟系统结构以及构建了ＤＭＤ驱动控制模块和光学系统平台。实现解决了ＤＭＤ
驱动控制、灰度调制以及光学投影等关键问题，并成功地实现了将仿真计算机中仿真图像通过ＤＶＩ接口传输到ＤＭＤ上以６州ｚ频率显
示。最后，与撩测设备进行对接，对可见光目标模拟系统的所有功能进行了验证，结果满足仿真实验要求。 关键词：目标模拟系统；ＤＭＤ驱动控制；灰度调制；光学投影
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｌｉｇｈｔ Ｂａｓｅｄ
Ｌｉ Ｓｈａｏｙｉｌ，Ｍａ Ｊｕｎ２，Ｙａｏ Ｙｕａｎ３，Ｌｉａｎｇ Ｚｈｉｙｉｌ，Ｙａｎ Ｊｉｅｌ
缓 存 罂 一
ＤＱ２［１５：０】 ＤＤＲ２ ３ 地址信母２．
讳
．Ｊ Ｉ
．藉制信号ｌ
ＤＤＲ２ ２
Ｉｌ
嗍
ＤＤＲ２羟铜器 时钟２ 时钟４
扣
ＩＪ
ＩＬ．
控铡信辔２。
ＤＤＲ２ ４ ＤＯＳ４／ＤＭ４
主控ＦＰＧＡ通过ＤⅥ接口接收到的是用于仿真的２４位灰
度图像数据，且Ｒ、Ｇ、Ｂ
３个分量的强度值相同，但是Ｄ佃
ＤＯＳ２／ＤＭ２ Ｄ０ｌｆ３ｌ：１６。
辑接口，将各子Ｆ１Ｆ０与ＤＤＲ２连接，在设计中将两组ＤＤＲ２
缓存都分成８块存储分区分别存储每帧图像分离得到的８个位 平面。当一帧图像被分成８个位平面并存满缓存１时，通知驱 动控制模块读取缓存１数据，这对系统可以控制将位平瓯数据
存人缓存２，存满后通知驱动控制模块读取缓存２数据，以一 定的时间间隔，每次读取一个完整的位平面，如此循环。如图
ｔａｒｇｅｔ
ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｎｙ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ
ｏｎ
ＤＭＤ ｔｈｒｏｕｇｈ ＤＶＩ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ａｒｅ
ａｔ
ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ６０ Ｈｚ．
ｏｎ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ，ａｌｌ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｍｅｎｔｓ． １【ｅｙ
的时间周期）划分为不同长度的区段，图像数据的最高有效位 （ＭＳＢ）对应最长区段，最低有效位（ＬＳＢ）对应最短区段，
数据集合，可形象地称为位平面，这样将八张位平面以一定时
间间隔发送到Ｄ凇，便可以达到在时间上积分的效果。位平面
的产生和存取在主控ＦＰＧＡ中的设计实现过程如图３所示。 主控ＦＰＧＡ通过构建三级结构完成位平面的产生与存储。
０
引言
可见光目标模拟系统被广泛应用于在成像制导系统半实物
在形状和亮度上一致。
２
系统设计
整个可见光目标模拟系统主要由两大部分组成。一部分为
仿真实验中，向可见光探测系统提供动态目标和场景图像，在 国外已被广泛用于在成像制导武器系统地面测试中，评估、检 测可见光探测系统的各项性能。而国内，近几年对于武器装备 研发的投入加大，这方面的需求也逐渐加大，只是由于技术封
锁的原因，进展缓慢。本文提出的基于ＤＭＤ的可见光目标模
２．１系统总体设计
Ｄ加驱动控制系统，这部分主要由Ｄｍ驱动控制电路和Ｄｍ
器件组成。第二部分为光学投影系统，这部分主要由光学镜头 组、机械结构支撑件以及通光量控制电路组成。可见光目标模
拟系统，构建了系统平台，并解决了其中的关键技术问题，已 经能满足地面半实物仿真实验的要求。还有，只需要将系统可 见光光学系统部分替换成红外光学系统，就可以实现动态红外 成像仿真系统的红外场景产生器［１］。