為航空攝影測量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高分辨率航測相機(jī)與記錄系統(tǒng)及,，機(jī)上主控機(jī)數(shù)傳系統(tǒng)之間的通信,。在這個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)中，要求接收CCD相機(jī)送來的數(shù)字視頻信號,，并對相機(jī)數(shù)據(jù)處理(合成,、壓縮、緩存)后經(jīng)視頻編碼轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)CCIR模擬視頻信號,，傳送到機(jī)上傳輸系統(tǒng),。同時(shí)要求接收地面的控制信號，對機(jī)上電子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控,，實(shí)現(xiàn)各串口的通信,。并且需要采集機(jī)上光機(jī)及電子系統(tǒng)各部分溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在高空飛行中的溫檢及溫控,。由于系統(tǒng)功能復(fù)雜,，預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對整個(gè)航測系統(tǒng)起著重要的作用。
1 預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊
    本系統(tǒng)主要由以下部分組成：
    (1)航測CCD相機(jī)：相機(jī)選用高分辨率2 K×2 K航測CCD相機(jī),。
    (2)預(yù)處理系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)高分辨率航測CCD相機(jī)與記錄系統(tǒng)及機(jī)上主控機(jī)數(shù)傳系統(tǒng)之間的通信,。
    (3)記錄系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對航測CCD相機(jī)數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)記錄。
    (4)電源：供給各系統(tǒng)所需電壓,。
    其中,，預(yù)處理系統(tǒng)部分是整個(gè)航測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它主要由相機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制分系統(tǒng)兩部分組成,。相機(jī)數(shù)據(jù)處理部分需要接收航測相機(jī)送來的圖像數(shù)據(jù),，分別實(shí)現(xiàn)與記錄系統(tǒng)和機(jī)上主控機(jī)數(shù)傳系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。由于CCD相機(jī)輸出為兩路數(shù)據(jù),，所以首先需要將CCD相機(jī)的輸出數(shù)據(jù)送入FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)合成,。合成后的數(shù)據(jù)再分兩路輸出：一路送入記錄系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；另一路進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)送到緩存器保存,，然后經(jīng)過視頻編碼,，轉(zhuǎn)換為CCIR標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號，送到機(jī)上傳輸系統(tǒng),，從而完成對CCD相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的處理,。
    同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)相機(jī)數(shù)據(jù)與各分系統(tǒng)之間的串口通信,、控制命令及電壓轉(zhuǎn)換等功能,，需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制分系統(tǒng)，主要完成以下功能：
    (1)與各分系統(tǒng)之間的串口通信：與機(jī)上主控機(jī)數(shù)傳系統(tǒng)的串口通信（RS422接口）,；與記錄分系統(tǒng)的串口通信（RS232接口）用于實(shí)現(xiàn)記錄控制和附加參數(shù),；與航測相機(jī)的串口通信（為LVDS接口），用于實(shí)現(xiàn)對相機(jī)的控制,；接收GPS參數(shù)（為RS232接口）,。
    (2)在高空飛行中對機(jī)上光機(jī)及電子系統(tǒng)各部分進(jìn)行溫度檢測，從而實(shí)現(xiàn)加溫控制,。
    (3)電源部分：接收機(jī)上28 V直流輸入,，轉(zhuǎn)換成CCD相機(jī)工作電源＋12 V，信號預(yù)處理及控制系統(tǒng)電源＋5 V,、記錄系統(tǒng)及硬盤＋12 V和5 V,，加溫電源直接用機(jī)上28 V。
    預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊如圖1所示,。

2 預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    由上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊，可以確定整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：
    相機(jī)數(shù)據(jù)處理部分實(shí)現(xiàn)如下流程：
    (1)首先通過外同步時(shí)鐘以及行,、場時(shí)鐘信號順序讀入圖像數(shù)據(jù),，并將送來的數(shù)據(jù)信號（接口為Cameralink）經(jīng)過專用解碼芯片轉(zhuǎn)換為TTL信號。
    (2)由于轉(zhuǎn)換后的TTL信號數(shù)據(jù)為兩路12 bit,，將其送入FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)合成,，合成后的數(shù)據(jù)分兩路輸出：一路直接變換為LVDS信號送記錄系統(tǒng)，采用抽幀方式,，記錄幀頻約1幀/s,；另一路經(jīng)過壓縮、緩存,、視頻編碼后轉(zhuǎn)換為CCIR模擬視頻信號送入機(jī)上傳輸系統(tǒng),。
    (3)對合成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮: 壓縮方式可以是Bin方式、直接抽點(diǎn)或局部選擇等,，本文選用Bin方式,。
    (4)由于相機(jī)的幀頻與最終輸出的模擬視頻信號的幀頻不一致，所以首先需要將壓縮后的數(shù)據(jù)送入靜態(tài)存儲器（SRAM）進(jìn)行緩存。采用兩塊SRAM乒乓緩存的方式,，很好地完成了對于海量連續(xù)的高速數(shù)據(jù)流CCD相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的無縫緩沖和處理,。
    (5)對緩存后的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻編碼轉(zhuǎn)換為CCIR模擬視頻信號送入機(jī)上傳輸系統(tǒng)。
    (6)當(dāng)下一幀CCD控制信號有效時(shí),，返回(1),。
    控制分系統(tǒng)部分：
    主要功能之一是實(shí)現(xiàn)與各分系統(tǒng)之間的串口通信。選用AT89LS51單片機(jī)外加1個(gè)四串口擴(kuò)展芯片ST16C554實(shí)現(xiàn)航測相機(jī)與各分系統(tǒng)之間的串口通信,。AT89LS51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗,、高性能CMOS8 bit單片機(jī)，可靈活地實(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)編程,；帶有一個(gè)全雙工串型通信口,，在本系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)與機(jī)上主控機(jī)數(shù)傳系統(tǒng)的通信。1片串口擴(kuò)展芯片ST16C554分別實(shí)現(xiàn)與記錄分系統(tǒng),、相機(jī)和GPS信息的串口通信,。具體分配為：擴(kuò)展后的2個(gè)串口用于記錄系統(tǒng)：一個(gè)作為記錄控制命令使用，另一個(gè)專門用來發(fā)送附加信息,，兩串口均為RS232接口,。同時(shí)一個(gè)串口用于接收GPS信息，接口形式為RS232,。FPGA 的工作模式由單片機(jī)實(shí)現(xiàn),，可在地面進(jìn)行遙控。
    在高空飛行中,，加溫是一個(gè)很重要也很關(guān)鍵的問題,。為實(shí)現(xiàn)對機(jī)上光機(jī)及電子系統(tǒng)各部分進(jìn)行溫度檢測，本設(shè)計(jì)采用Dallas的DS18B20串行輸出數(shù)字測溫芯片,，可以多路并聯(lián),，只由單片機(jī)一位I/O口就可以實(shí)現(xiàn)全部的控制和溫度采集，有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力,。
    整個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

3 預(yù)處理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)
3.1 I2C總線原理
    目前許多視頻編、解碼芯片支持I2C總線通信協(xié)議, I2C總線是PHILIPS公司開發(fā)的一種簡單,、雙向二線制同步串行總線,。它只需要兩根線：串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線(SCL)即可使連接于總線上的器件之間實(shí)現(xiàn)信息傳送，同時(shí)可通過對器件進(jìn)行軟件尋址,，而不是對硬件進(jìn)行片選尋址的方式來節(jié)約通信線數(shù)目,，從而減少了硬件所占空間。I2C總線采用８ bit,、雙向串行數(shù)據(jù)傳送方式,，在發(fā)送器和接收器之間進(jìn)行雙向傳送，標(biāo)準(zhǔn)傳送速率為100 KB/s，快速方式下可達(dá)400 KB/s,。
3.2 I2C總線傳輸格式
    I2C總線傳輸過程由一個(gè)起始條件來起動,。起始條件產(chǎn)生后，總線進(jìn)入“忙”狀態(tài),。開始傳輸一條包含一個(gè)地址和許多數(shù)據(jù)字節(jié)的信息,。I2C的信息是通過終止條件或一個(gè)重復(fù)起始條件連續(xù)傳輸。終止條件將釋放主機(jī)的總線控制權(quán)限,。而重復(fù)起始條件用來實(shí)現(xiàn)多于一條的來自同種或不同器件的信息傳輸,，但不改變主機(jī)權(quán)限。終止和重復(fù)起始條件只在主機(jī)模式下產(chǎn)生,。數(shù)據(jù)和地址傳輸時(shí),，8 bit為1 B，高位在前,。在緊跟數(shù)據(jù)字節(jié)的第9個(gè)時(shí)鐘脈沖內(nèi),，接收器必須向發(fā)送器發(fā)送一位應(yīng)答位。從機(jī)可以延長時(shí)鐘脈沖的時(shí)間（出于時(shí)序的原因）,。起始條件后跟隨一個(gè)7 bit的地址和1 bit的R/W方向位,。I2C總線傳輸格式如圖3所示。

    圖3中S為重復(fù)起始條件,，SLV_W為從機(jī)地址和寫方向位,，A為最后一個(gè)字節(jié)的應(yīng)答，SLV_R為從機(jī)地址和讀方向位,，N為最后一個(gè)字節(jié)無應(yīng)答,，SUB為子地址，P為終止條件,，D1……Dn 為數(shù)據(jù)字節(jié)塊,。
3.3 ADV7300A與AT89LS51的I2C數(shù)據(jù)通信
    選用的視頻編碼芯片是ANALOG公司的ADV7300A。ADV7300A是ANALOG公司推出的內(nèi)含12 bit DAC的數(shù)字視頻編碼器,。它集D/A和編碼于一身，并可以對輸入的多種格式數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)最高分辨率為10 bit）進(jìn)行編碼及D/A轉(zhuǎn)換,，以輸出PAL制式,、NTSC制式的復(fù)合視頻信號(CVBS)或S-Video方式的Y/C分量信號和復(fù)合全電視信號。
    為實(shí)現(xiàn)ADV7300A與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信,，選用ADV7300A作為從設(shè)備,，AT89LS51作為主設(shè)備。雖然AT89LS51單片機(jī)不支持I2C總線結(jié)構(gòu),，但仍然可以利用單片微處理器的普通I/O口來模擬I2C總線,，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，但注意一定要嚴(yán)格按I2C總線的時(shí)序進(jìn)行。首先從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送一個(gè)地址字節(jié),，之后主設(shè)備則發(fā)一個(gè)應(yīng)答信號,，從設(shè)備接到應(yīng)答后，再發(fā)給主設(shè)備一個(gè)控制字節(jié),，當(dāng)主設(shè)備接到控制字節(jié)后,，再發(fā)給從設(shè)備一個(gè)應(yīng)答。之后主,、從設(shè)備間就可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了,。ADV7300A與89LS51間通信工作流程圖如圖4所示。

    本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于對CCD相機(jī)數(shù)據(jù)的合成,、壓縮,、以及視頻編碼芯片和單片機(jī)之間的I2C數(shù)據(jù)通信。整個(gè)系統(tǒng)采用XILINX公司SPARTAN2E系列FPGA實(shí)現(xiàn)相機(jī)數(shù)據(jù)處理部分,，并采用AT89LS51單片機(jī)和串口擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)與各分系統(tǒng)間的串口通信及溫檢溫控,。目前該系統(tǒng)已經(jīng)通過驗(yàn)證，很好地滿足了航空攝影測量系統(tǒng)的需求,，具有很高的應(yīng)用價(jià)值,。
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