摘要：為了探索虛擬平臺(tái)技術(shù)在引導(dǎo)設(shè)備中應(yīng)用的可行性，對(duì)DSP圖形處理技術(shù)結(jié)合傳感器信號(hào)實(shí)施虛擬水平指示圖形的顯示控制進(jìn)行了研究。構(gòu)建了DAM6416P為的開發(fā)平臺(tái)，在該平臺(tái)中，通過試驗(yàn)比較了直線生成算法的畫線速度。研究了RGB顏色空間以及YUV顏色空間，通過實(shí)驗(yàn)得出不同數(shù)據(jù)格式在等離子顯示器上的幾種顏色數(shù)值。采集傾角傳感器的輸出信號(hào)，使用C語言編制了指示圖形，實(shí)時(shí)輸出到雙等離子顯示器上，指示艦船的橫搖狀態(tài)。

　　1 引言

　　船載飛機(jī)飛行于氣象變化無常的海洋，起降于面積狹小、搖擺不穩(wěn)的飛行甲板，危及飛行安全的因素很多。據(jù)美國安全中心統(tǒng)計(jì)，船載直升機(jī)駕駛員的飛行事故是轟炸機(jī)駕駛員的10倍，是民航駕駛員的54倍。飛行事故不僅危及直升機(jī)的安全，而且由于船上一般載有大量的可燃物，還會(huì)危及船的存亡。因此，安全有效的船載機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)是保證飛行員生命安全和直升機(jī)安全降落的重要手段[1];目前，船上的燈光導(dǎo)引設(shè)備主要采用機(jī)電設(shè)備，用內(nèi)置白熾燈的機(jī)械燈臂作為橫搖指示器的顯示部分；隨著電子器件的不斷發(fā)展，電子元器件的性能越來越高，應(yīng)用高、高穩(wěn)定性的電子器件取代機(jī)械設(shè)備已經(jīng)成為一種趨勢。本文采用DSP圖形處理技術(shù)結(jié)合傳感器信號(hào)實(shí)施虛擬水平指示圖形的顯示控制，探索虛擬平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用的可行性，力圖消除因機(jī)械水平燈桿慣性造成的響應(yīng)滯后和機(jī)械嚙合產(chǎn)生的誤差等不良因素，對(duì)提高船用直升機(jī)助降設(shè)備的有很大好處，有利于提高船用直升機(jī)降落的安全性。

　　2 相關(guān)工作

　　目前船上的橫搖指示器主要采用機(jī)電設(shè)備，為了探索虛擬平臺(tái)技術(shù)在引導(dǎo)設(shè)備中應(yīng)用的可行性，構(gòu)建了以DSP傾角傳感器、等離子顯示器為的橫搖引導(dǎo)試驗(yàn)平臺(tái)。

　　同時(shí)，針對(duì)DSP在圖形圖像處理方面的超強(qiáng)能力，根據(jù)傾角傳感器的角度信號(hào)，設(shè)計(jì)了虛擬的水平指示圖形、指示艦船的橫搖狀況。

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)平臺(tái)共由三部分組成，分別是：1）信號(hào)采集部分，使用角度傳感器采集三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)橫搖信號(hào)；2）數(shù)字信號(hào)處理部分，采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理；3）視頻輸出部分，將DSP處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后輸出。如圖1所示。

　　DAM6416P是DSP開發(fā)板。提供了RS-232、RS-422等多個(gè)通信接口。同時(shí)支持復(fù)合視頻和S端子的輸入、輸出，并可單獨(dú)輸出VGA格式的圖像。

　　數(shù)字傾角傳感器選用ZC-TD-30S為單軸傾角傳感器，可輸出RS-232串行數(shù)字信號(hào)。

　　測量范圍±30°，分辨率0.1°，<0.5°。

　　硬件仿真時(shí)使用TDS510仿真器。

　　等離子顯示技術(shù)適合動(dòng)態(tài)視頻顯示領(lǐng)域。本環(huán)境選用廈華PS-42D8,具有多種輸入接口。

　　等離子顯示器安裝在三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)上，三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬艦船的搖擺姿態(tài)，其作用是作為橫搖指示器的信號(hào)源。

　　2.2 軟件流程

　　軟件設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

　　3 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

　　3.1 直線生成算法的比較分析

　　輸出到等離子顯示器的圖形以直線為主，常用的直線生成算法有數(shù)值微分法、中點(diǎn)法、Bresenham算法三種[2~4],所以要對(duì)直線生成算法做出選擇。在這里主要考慮算法的生成速度。為了測試以上三種直線生成算法的速度，分別編寫直線生成程序。在CCS軟件中，可以看到執(zhí)行各直線生成程序所耗用的時(shí)鐘周期，從而計(jì)算出執(zhí)行時(shí)間。三種直線生成算法在DAM6416P中需要的指令周期數(shù)及執(zhí)行時(shí)間如表1所示。

　　從表1可以看出Bresenham算法的速度快。所以選擇Bresenham算法編制圖形顯示程序。

　　3.2 色彩空間分析與實(shí)驗(yàn)

　　為了更直觀地表示艦船的搖擺狀態(tài)，在輸出圖形時(shí)要用到黃色、綠色和紅色。而且由于亮度對(duì)顏色有影響，不同的顯示設(shè)備顯示的顏色會(huì)略有差異，所以需要通過實(shí)驗(yàn)，得出與漆膜顏色標(biāo)準(zhǔn)樣卡GSB（2000版）中的國標(biāo)值R03、G04、Y05相匹配的顏色值。DAM6416P輸出的視頻數(shù)據(jù)格式有兩種：RGB565格式和YUV422格式。在用雙等離子顯示器顯示時(shí)，必須同時(shí)使用兩種輸出格式。

　　3.2.1 RGB色彩空間

　　RGB565格式是RGB色彩空間的一種數(shù)據(jù)格式，RGB色彩空間又稱加色空間，它將紅、綠、藍(lán)三種基色按一定的混合系數(shù)相加，幾乎可以得到任何一種顏色[5].RGB565格式表示每個(gè)像素用16位表示，其中5位用于表示紅色，6位用于表示綠色，5位用于表示藍(lán)色。RGB565格式的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放如表2所示。

　　編寫圖形顯示程序，在配色時(shí)，讓像素點(diǎn)的顏色值從0變化到65535,通過實(shí)驗(yàn)得出等離子顯示器中，與漆膜顏色標(biāo)準(zhǔn)樣卡GSB（2000版）中的國標(biāo)值R03、G04、Y05相匹配的顏色值，如表3所示。

　　3.2.2 YUV色彩空間

　　YUV422格式是YUV 色彩空間的一種數(shù)據(jù)格式。

　　YUV色彩空間的基本特征是將亮度信號(hào)和色度信號(hào)分離表示，Y 表示亮度信號(hào)，U 表示藍(lán)色色差信號(hào)，V 表示紅色色差信號(hào)[6~7];YUV色彩空間將相鄰的像素組成一個(gè)宏像素，YUV各分量都帶有下標(biāo)。如YUV422格式中，如果圖像數(shù)據(jù)為16位，一個(gè)宏像素為4個(gè)字節(jié)，實(shí)際表示2個(gè)像素。每個(gè)像素保留Y 分量，而UV 分量在水平方向上每兩個(gè)像素采樣。422的意思為一個(gè)宏像素中有4個(gè)Y 分量，2個(gè)U 分量，2個(gè)V 分量。DAM6416P中，YUV422格式的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放如表4所示。

　　從表4可以看出，YUV422格式中，相鄰兩像素點(diǎn)，偶數(shù)點(diǎn)的顏色是由它本身的亮度信號(hào)Y 和藍(lán)色色差信號(hào)U以及它下一點(diǎn)中的紅色色差信號(hào)V 共同決定；奇數(shù)點(diǎn)的顏色由它本身的亮度信號(hào)Y 和紅色色差信號(hào)V 以及它上一點(diǎn)中的藍(lán)色色差信號(hào)U 共同決定。針對(duì)這一特點(diǎn)，編寫圖形顯示程序，在配色時(shí)，保持相鄰兩像素點(diǎn)亮度值相等，將U 值從0變化到255,V 值每變化一個(gè)循環(huán)V 值加1,V 的變化范圍同樣是在0~255,從而觀察出顏色的變化規(guī)律。

　　主要程序如下：

　　for（U=0;U<=255;U++）{

　　for（V=0;V<=255;V++）{

　　for（x=0;x<=351;x++）{

　　for（y=0;y<100;y++）{

　　m=x;

　　n=m/2;

　　if（n>floor（n））{

　　*（pVideoOutFrame+x+h*y）=pow（2,8）+U;}

　　else{

　　*（pVideoOutFrame+x+h*y）=pow（2,8）+V;}

　　}

　　}

　　VOUT_putFrame（hVout,pVideoOutFrame,IEKC64_VIDEO_NO_WAIT）；

　　}

　　outVideoIndex=（outVideoIndex+1）%2;

　　pVideoOutFrame=&OutputBuffer[outVideoIndex][0];

　　temp_address2=pVideoOutFrame;

　　for（i=0;i<FRAME_SIZE_IN_PIXELS;i++）

　　*（temp_address2++）= *（temp_address1++）；

　　}

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Y 相同的相鄰兩像素點(diǎn)顏色相同；將U從0變化到255時(shí)，圖形的顏色從綠色變到藍(lán)色，分界點(diǎn)在128附近；V 從0變化到255,圖形的顏色從綠色變到紅色，分界點(diǎn)在128 附近。通過實(shí)驗(yàn)得出等離子顯示器中，YUV422格式的顏色數(shù)值如表5所示。

　　3.3 單線程分時(shí)顯示的研究

　　DAM6416P開發(fā)板的輸出解碼芯片BT864被復(fù)用了一些引腳，導(dǎo)致不能同時(shí)輸出兩路視頻信號(hào)?？紤]在每臺(tái)等離子顯示器上定義圖像的大小為352×240像素，一幀圖形僅為0.18MB,以及DSP的處理速度，在編程時(shí)采用了分時(shí)復(fù)用的思想來實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的輸出。

　　在單線程中采用分時(shí)復(fù)用輸出數(shù)據(jù)時(shí)，VIN模塊（視頻輸入）和VOUT（視頻輸出）模塊的初始化必須放在線程的內(nèi)部，并且放在每一路輸出信號(hào)的前面。也就是在輸出VGA信號(hào)前，對(duì)VIN模塊和VOUT模塊進(jìn)行初始化。初始化成功后，打開VIN 模塊和VOUT 模塊，輸入、輸出VGA信號(hào)。輸出一幀圖形后，停止、關(guān)閉VIDEO模塊。接著輸出CVBS信號(hào)，輸出前要對(duì)VIN 模塊和VOUT模塊重新初始化，初始化成功后，打開VIN 模塊和VOUT 模塊，輸入、輸出YUV422格式的CVBS信號(hào)。

　　反向指針關(guān)于正向指針是中心對(duì)稱的。所謂中心對(duì)稱圖形就是在平面內(nèi)，一個(gè)圖形繞某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°，如果旋轉(zhuǎn)前后的圖形互相重合，那么這個(gè)圖形叫做中心對(duì)稱圖形，這個(gè)點(diǎn)叫做它的對(duì)稱中心。在編制反向指針的程序時(shí)，利用中心對(duì)稱的特性將坐標(biāo)橫移即可。

　　3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　DAM6416P提供了針對(duì)DSP程序開發(fā)的板級(jí)開發(fā)函數(shù)庫IEKLIB.IEKLIB為用戶提供了九個(gè)功能模塊。在使用這些模塊前，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行初始化。

　　3.4.1 打開串口接收、發(fā)送數(shù)據(jù)

　　對(duì)UART 模塊的初始化是由函數(shù)UART_open（&uartcfg）完成的。其中，uartcfg為配置UART端口的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。利用這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以對(duì)串行端口進(jìn)行具體的配置，包括波特率、校驗(yàn)位、緩沖區(qū)的大小及地址。初始化成功后即可打開串行端口，讀取傳感器數(shù)據(jù)并存入FIFO中。

　　3.4.2 打開VIDEO模塊

　　打開VIDEO模塊前，需要對(duì)VIN模塊和VOUT模塊的初始化[8].VIN 模塊的初始化由函數(shù)VIN_open（&videoIn,&hVin）完成。其中videoIn是IEKLIB為配置視頻輸入功能提供的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以對(duì)視頻輸入過程的參數(shù)進(jìn)行具體的配置。如果初始化成功，會(huì)將新創(chuàng)建的VIN對(duì)象句柄的指針返回給hVin.同時(shí)，函數(shù)將返回一個(gè)操作成功的狀態(tài)。程序如下：

　　status= VIN_open（&videoIn,&hVin）；

　　if（！IEKC64_SUCCESS（status））{

　　LOG_printf（&myLOG,“ VIN_open（）failed with 0x%

　　08X\n”,status）；

　　abort（）；

　　}

　　status= VIN_start（hVin）；

　　if（！IEKC64_SUCCESS（status））{

　　LOG_printf（&myLOG,“ VIN_start（）failed with 0x%

　　08X\n”,status）；

　　abort（）；

　　}

　　VOUT模塊的初始化由VOUT_open（&video Out,&hVout）函數(shù)完成[9~10].其中videoOut是IEKLIB 為配置視頻輸出功能提供的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以對(duì)視頻輸出過程的參數(shù)進(jìn)行具體的配置。如果初始化成功，程序會(huì)將新創(chuàng)建的VOUT對(duì)象句柄的指針返回給hVout.同時(shí)，函數(shù)將返回一個(gè)操作成功的狀態(tài)。程序如下：

　　status= VOUT_open（&videoOut,&hVout）；

　　if（！IEKC64_SUCCESS（status））{

　　LOG_printf（&myLOG,“ VOUT_open（）failed with

　　0x%08X\n”,status）；

　　abort（）；

　　}

　　status= VOUT_start（hVout）；

　　if（！IEKC64_SUCCESS（status））{

　　LOG_printf（&myLOG,“ VOUT_start（）failed with

　　0x%08X\n”,status）；

　　abort（）；

　　}

　　3.4.3 數(shù)據(jù)采集及角度控制

　　通過數(shù)字傾角傳感器采集轉(zhuǎn)臺(tái)的橫搖角度信號(hào)，將傳感器輸出的角度值按照一定的比例運(yùn)算后，輸出控制量，控制橫搖指示器圖形。橫搖角度的控制如圖3所示。

　　使用ZC-TD-30S 采集轉(zhuǎn)臺(tái)的橫搖角度時(shí)，需要對(duì)RS232接口進(jìn)行初始化，包括波特率、接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。初始化后，就可以打開串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，采集轉(zhuǎn)臺(tái)的橫搖角度數(shù)據(jù)的主要程序如下：

　　if（dwCount= UART_getReadCount（）>=1）{

　　dwCount= UART_Read（pframe,1）；

　　if（dwCount）{

　　UART_write（pframe,1）；

　　pframe++;

　　angle=*pframe;//取角度值

　　if（pframe>（MyCaptureBuffer+My_Capture_size））

　　pframe= MyCaptureBuffer;

　　}

　　}

　　橫搖指示器指針斜率的變化與艦船的橫搖角度相關(guān)，在沒有接入傳感器之前，對(duì)橫搖指示器指針的控制是通過自定義的變量z來實(shí)現(xiàn)，程序如下：

　　for（z=30;z<=210;z++）

　　{

　　……

　　h=352;//水平像素

　　y1=120;//旋轉(zhuǎn)軸心點(diǎn)

　　p=120-4*（120-z）/5;//光帶右列中點(diǎn)

　　dx=240;//水平增量

　　dy=p-y1;//垂直增量

　　k=dy/dx;

　　……

　　}

　　在使用傾角傳感器的輸出角度值控制橫搖指針時(shí)，要先將傾角傳感器的輸出值進(jìn)行比例的換算。z 的取值范圍是30~210,傾角傳感器的輸出角度值angle的范圍是-150~150,表示的實(shí)際角度范圍是-15°~+15°。從而，計(jì)算出angle與z的換算公式：

　　angle=5·（z-120）/3  （1）

　　3.4.4 雙等離子顯示器輸出

　　DAM6416P提供了復(fù)合視頻和VGA 兩種輸出接口，可以分時(shí)進(jìn)行輸出。復(fù)合視頻接口輸出正向的指針，VGA接口輸出反向的指針。但由于視頻信號(hào)的采集是由BT835視頻Decoder完成的，而BT835輸出的是4:2:2的YUV格式的圖像數(shù)據(jù)，所以在使用VGA接口輸出時(shí)，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換由函數(shù)void ycbcr422_rgb565完成，轉(zhuǎn)換系數(shù)為coeff[5]={0×2543,0×3313,-0x0C8A,-0x1A04,0x408D}.

　　3.4.5 圖形顯示說明

　　在雙等離子顯示器組成的平面中始終顯示一條相對(duì)大地水平的黃色光帶，光帶的邊緣帶有箭頭，箭頭與等離子顯示器水平中線的夾角為當(dāng)前艦船的搖擺角度，為了方便我們觀測，該夾角用一矩形區(qū)域表示。當(dāng)夾角在0°~5°之間時(shí)，該區(qū)域顏色為黃色；當(dāng)夾角在5°~8°之間時(shí)，該區(qū)域有兩種顏色組成，0°~5°之間仍是黃色，其余為綠色；當(dāng)夾角大于8°時(shí)，該區(qū)域有三種顏色組成，0°~5°之間是黃色，5°~8°之間是綠色，大于8°的區(qū)域是紅色。

　　4 結(jié)語

　　在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，經(jīng)試驗(yàn)平臺(tái)安放在三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)上，三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬艦船的搖擺姿態(tài)，其作用是作為橫搖指示器的信號(hào)源。在測試及運(yùn)行過程中，橫搖指示器中心對(duì)稱圖形顯示程序一直穩(wěn)定可靠，并且很好地保證了系統(tǒng)的靈活性與實(shí)時(shí)性，而且雙等離子顯示器的作用與效果明顯優(yōu)于普通的LED顯示模塊，提高了顯示圖形的效果，具有很強(qiáng)的推廣及實(shí)用價(jià)值。