韓紅霞,孫 航,曹立華
(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033)
光電跟蹤測(cè)量設(shè)備是能夠跟蹤空中飛行目標(biāo),并給出目標(biāo)方位值和俯仰值的設(shè)備。紅外相機(jī)是根據(jù)物體的熱輻射成像的相機(jī),目前在軍事、醫(yī)療、航天等很多領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用。光電跟蹤測(cè)量設(shè)備采用紅外相機(jī)跟蹤目標(biāo),可以在目標(biāo)與背景亮度差值不大的情況下仍然穩(wěn)定跟蹤,然而紅外相機(jī)的使用壽命是有限的,大型紅外相機(jī)的使用壽命一般是2 000~5 000h,如果頻繁地開(kāi)啟相機(jī),必然會(huì)縮短設(shè)備的使用年限,同時(shí)大靶面紅外相機(jī)基本依賴進(jìn)口而且價(jià)格昂貴,更換相機(jī)不僅會(huì)增加成本而且會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)的訂貨時(shí)間。為減少紅外相機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間,節(jié)省項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本,設(shè)計(jì)了紅外相機(jī)時(shí)序構(gòu)造系統(tǒng),在進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)試和實(shí)驗(yàn)時(shí),采用構(gòu)造的紅外相機(jī)輸出信號(hào),提供給后續(xù)圖像處理等系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源,在進(jìn)行實(shí)際的跟蹤任務(wù)時(shí)再開(kāi)啟紅外相機(jī)。設(shè)計(jì)的基于FPGA的紅外相機(jī)時(shí)序構(gòu)造系統(tǒng)輸出的信號(hào)時(shí)序與真實(shí)的紅外相機(jī)輸出時(shí)序保持一致,輸出的像素值數(shù)據(jù)采用漸變數(shù),可以作為圖像傳輸系統(tǒng)、圖像處理等后續(xù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源,以供其進(jìn)行編程和調(diào)試,調(diào)試成功之后直接將程序應(yīng)用到紅外相機(jī)信號(hào)的傳輸、處理等操作,這樣就省去了程序開(kāi)發(fā)、調(diào)試和驗(yàn)證時(shí)頻繁的啟動(dòng)紅外相機(jī)的過(guò)程,節(jié)省了相機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間,同時(shí)也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用年限,節(jié)約了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)成本,因此基于FPGA的紅外相機(jī)時(shí)序構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。
基于FPGA的紅外相機(jī)時(shí)序構(gòu)造系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包括電平轉(zhuǎn)換單元、FPGA邏輯設(shè)計(jì)單元、時(shí)鐘處理單元以及串口數(shù)據(jù)收發(fā)單元等,其中FPGA邏輯設(shè)計(jì)單元是設(shè)計(jì)的核心,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)序配置和邏輯控制,圖1給出系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖。
圖1 紅外相機(jī)時(shí)序構(gòu)造系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Hardware structure diagram of the IR camera sequence construction design
如圖1所示,晶振時(shí)鐘OS_CLK為系統(tǒng)提供輸入時(shí)鐘信號(hào),由FPGA內(nèi)嵌的PLL對(duì)其進(jìn)行處理,產(chǎn)生系統(tǒng)的工作時(shí)鐘信號(hào)。串行數(shù)據(jù)輸入電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3071,將RS422電平格式信號(hào)轉(zhuǎn)為L(zhǎng)VTTL電平格式信號(hào),提供給FPGA。相機(jī)信號(hào)接收芯片采用DS90CR288,將相機(jī)輸出的CameraLink電平格式信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VTTL電平格式信號(hào),提供給FPGA進(jìn)行時(shí)序測(cè)量,時(shí)序測(cè)量完成之后FPGA編程構(gòu)造紅外相機(jī)信號(hào),代替紅外相機(jī)作為數(shù)據(jù)源,提供給后續(xù)圖像處理等系統(tǒng),這樣在調(diào)試過(guò)程中就可以不再啟動(dòng)紅外相機(jī)了。FPGA邏輯設(shè)計(jì)單元是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心,實(shí)現(xiàn)所有的時(shí)序配置和邏輯控制,通過(guò)FPGA編程可以實(shí)現(xiàn)紅外相機(jī)時(shí)序的詳細(xì)測(cè)量和記錄、時(shí)序構(gòu)造信號(hào)的輸出以及所有外圍芯片的邏輯控制等,F(xiàn)PGA芯片采用EP2C5-T144I8。相機(jī)構(gòu)造信號(hào)發(fā)送芯片采用DS90-CR287,將FPGA輸出的LVTTL電平格式信號(hào)轉(zhuǎn)換為CameraLink電平格式信號(hào),提供給圖像處理等后續(xù)單元。串行數(shù)據(jù)輸入電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3071,將LVTTL電平格式信號(hào)轉(zhuǎn)為RS422電平格式信號(hào),提供給后續(xù)系統(tǒng)。
基于FPGA的相機(jī)時(shí)序構(gòu)造設(shè)計(jì)中,F(xiàn)PGA是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心器件,如圖1所示,F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計(jì)中包括PLL模塊、時(shí)序測(cè)量/記錄模塊、場(chǎng)同步信號(hào)FVAL產(chǎn)生模塊、行同步信號(hào)LVAL產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL產(chǎn)生模塊以及漸變數(shù)據(jù)信號(hào)DATA產(chǎn)生模塊。
PLL模塊對(duì)輸入的晶振時(shí)鐘OS_CLK進(jìn)行倍頻/分頻等處理,得到構(gòu)造的像素時(shí)鐘信號(hào)CLK。時(shí)序測(cè)量/記錄模塊接收真實(shí)紅外相機(jī)的輸出信號(hào),采用FPGA編程和SignalTap工具相結(jié)合的方法對(duì)相機(jī)的時(shí)序進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,并記錄形成相機(jī)時(shí)序文件,作為模擬時(shí)序產(chǎn)生的依據(jù)。場(chǎng)同步信號(hào)產(chǎn)生模塊(FVAL_M(jìn)AKE MODULE)以時(shí)序記錄文件為依據(jù),編程實(shí)現(xiàn)場(chǎng)同步信號(hào)輸出。行同步信號(hào)產(chǎn)生模塊(LVAL_M(jìn)AKE MODULE)以時(shí)序記錄文件為依據(jù),編程實(shí)現(xiàn)行同步信號(hào)的輸出。數(shù)據(jù)有效信號(hào)產(chǎn)生模塊(DVAL_M(jìn)AKE MODULE)以時(shí)序記錄文件為依據(jù),編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效信號(hào)的輸出。像素值信號(hào)即漸變數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊(DATA_M(jìn)AKE_M(jìn)ODULE)通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)在行有效的情況下輸出漸變數(shù)據(jù),代替真實(shí)的像素值。
基于FPGA的紅外相機(jī)時(shí)序構(gòu)造系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了真實(shí)紅外相機(jī)時(shí)序的詳細(xì)測(cè)量及記錄,時(shí)鐘信號(hào)的處理以及根據(jù)測(cè)量得到的時(shí)序構(gòu)造與真實(shí)相機(jī)時(shí)序一致的時(shí)序信號(hào)。
真實(shí)相機(jī)時(shí)序的測(cè)量是進(jìn)行基于FPGA的紅外相機(jī)時(shí)序構(gòu)造的前提,測(cè)量產(chǎn)生的時(shí)序記錄文件是進(jìn)行后續(xù)時(shí)序構(gòu)造程序的基礎(chǔ)。圖2以某紅外相機(jī)的時(shí)序測(cè)量為例,給出經(jīng)過(guò)時(shí)序測(cè)量后得到的時(shí)序記錄文件示意圖。
圖2 某紅外相機(jī)時(shí)序記錄文件Fig.2 Sequence record file of an IR camera
如圖2所示,相機(jī)的時(shí)序記錄文件包括了像素時(shí)鐘信號(hào)CLK、場(chǎng)同步信號(hào)FVAL、行同步信號(hào)LVAL以及數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL的相關(guān)信息。像素時(shí)鐘信號(hào)CLK由示波器測(cè)量得到,圖中相機(jī)像素時(shí)鐘為頻率40MHz,占空比1∶1的連續(xù)信號(hào)。場(chǎng)同步信號(hào)FVAL包括場(chǎng)周期FT和場(chǎng)有效時(shí)間FV,場(chǎng)周期信號(hào)可以由示波器測(cè)得,圖中場(chǎng)周期時(shí)間FT=20ms,場(chǎng)有效時(shí)間FV=10.30ms。行同步信號(hào)LVAL的測(cè)量需要采用FPGA編程和SignalTap工具結(jié)合測(cè)得,需要給出的行同步信息包括一場(chǎng)圖像中包含的有效行數(shù)、行有效時(shí)間LV、行消隱時(shí)間LN、起始行信號(hào)距離場(chǎng)起始信號(hào)的時(shí)間P1以及結(jié)束行信號(hào)距離場(chǎng)結(jié)束信號(hào)的時(shí)間P2,圖2中可見(jiàn)一場(chǎng)包含512行有效數(shù)據(jù),LV=640×CLK,LN=160×CLK,P1=P2=100×CLK。數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL的測(cè)量也需要采用FPGA編程和SignalTap工具結(jié)合測(cè)得,DVAL時(shí)序一般與LVAL信號(hào)時(shí)序相同。
相機(jī)的時(shí)序構(gòu)造是在已知相機(jī)時(shí)序文件的基礎(chǔ)上,構(gòu)造與其時(shí)序一致的輸出信號(hào),在進(jìn)行調(diào)試等工作時(shí),作為數(shù)據(jù)源提供給圖像傳輸、圖像處理等后續(xù)系統(tǒng),以節(jié)省紅外相機(jī)的實(shí)際開(kāi)機(jī)時(shí)間。
圖3 基于FPGA的時(shí)序構(gòu)造流程圖Fig.3 Flow chart of the sequence conformation based on FPGA
時(shí)序構(gòu)造軟件設(shè)計(jì)中,首先采用FPGA內(nèi)嵌的鎖相環(huán)模塊PLL對(duì)輸入的晶振時(shí)鐘OS_CLK進(jìn)行處理,得到構(gòu)造的像素時(shí)鐘信號(hào)CLK;接著根據(jù)時(shí)序記錄文件中場(chǎng)同步周期FT及場(chǎng)有效時(shí)間FV,對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理,得到模擬的場(chǎng)同步信號(hào)FVAL;之后根據(jù)記錄文件中P1/P2/LV/LN的計(jì)數(shù)值以及一行中包含的有效行數(shù),以FVAL為基準(zhǔn),編程實(shí)現(xiàn)模擬的行同步信號(hào)LVAL的輸出;之后根據(jù)數(shù)據(jù)記錄文件構(gòu)造數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL,一般情況下,DVAL信號(hào)與LVAL信號(hào)是相同的;最后在LVAL信號(hào)有效的情況下輸出漸變數(shù),代替相機(jī)輸出的像素值。圖3給出基于FPGA的時(shí)序構(gòu)造軟件流程圖。
在時(shí)序構(gòu)造程序設(shè)計(jì)中,所有的測(cè)量值都以參數(shù)的形式在FPGA程序中體現(xiàn),這樣對(duì)于不同的相機(jī)只要根據(jù)時(shí)序記錄文件修改相應(yīng)的參數(shù)值即可,不用修改程序段,因此程序具有很強(qiáng)的可移植性。
根據(jù)圖3所示的時(shí)序構(gòu)造軟件流程圖,程序設(shè)計(jì)主要包括時(shí)鐘信號(hào)CLK產(chǎn)生模塊、場(chǎng)同步信號(hào)FVAL產(chǎn)生模塊、行同步信號(hào)LVAL產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL產(chǎn)生模塊、漸變數(shù)據(jù)DATA產(chǎn)生模塊以及SignalTap時(shí)序驗(yàn)證模塊等。由于篇幅原因,這里以場(chǎng)同步信號(hào)FVAL產(chǎn)生模塊為例,給出程序的具體設(shè)計(jì)。
首先根據(jù)輸入時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生像素時(shí)鐘信號(hào),外部的輸入時(shí)鐘OS_CLK頻率為50MHz,圖2所示時(shí)序文件中相機(jī)像素時(shí)鐘為40M,采用內(nèi)部鎖相環(huán)模塊PLL對(duì)OS_CLK進(jìn)行除5乘4處理,產(chǎn)生40M的像素時(shí)鐘。圖2所示,場(chǎng)同步信號(hào)FVAL周期為20ms,場(chǎng)同步有效時(shí)間約10.3 ms,根據(jù)公式(1)和公式(2)可以得到FT包括的時(shí)鐘周期數(shù)K1和FV包括的時(shí)鐘周期數(shù)K2。
式中:K1為場(chǎng)同步周期FT包括的時(shí)鐘周期數(shù),F(xiàn)T為場(chǎng)同步周期,TCLK為時(shí)鐘周期;K2為場(chǎng)同步有效FV包括的時(shí)鐘周期數(shù),LV為行同步有效長(zhǎng)度(及包括的時(shí)鐘個(gè)數(shù)),LN為行消隱長(zhǎng)度,Lnum為一場(chǎng)包括的行數(shù),P1為行起始距離場(chǎng)起始的長(zhǎng)度,P2為行結(jié)束距離場(chǎng)結(jié)束的長(zhǎng)度。這樣計(jì)算得到場(chǎng)信號(hào)FT包括(20×106)/25=800000個(gè)時(shí)鐘周期,場(chǎng)同步有效FV包括(640+160)×511+640+1000+1 000=411 440個(gè)時(shí)鐘周期。根據(jù)如上計(jì)算,可以通過(guò)編程對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精確計(jì)數(shù),使得場(chǎng)同步信號(hào)持續(xù)800000個(gè)時(shí)鐘周期,場(chǎng)同步有效持續(xù)411 440個(gè)時(shí)鐘周期,場(chǎng)同步無(wú)效持續(xù)388 560個(gè)時(shí)鐘周期。以場(chǎng)同步FVAL構(gòu)造為例,給出如下程序段設(shè)計(jì)。
以上程序通過(guò)計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)同步信號(hào)FVAL的構(gòu)造,行同步LVAL、數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL等信號(hào)的構(gòu)造程序與場(chǎng)同步信號(hào)FVAL的構(gòu)造程序結(jié)構(gòu)基本相同。
按圖3所示的流程圖進(jìn)行時(shí)序構(gòu)造程序設(shè)計(jì),輸出模擬的相機(jī)時(shí)序信號(hào),之后,要進(jìn)行時(shí)序驗(yàn)證,若構(gòu)造的時(shí)序信號(hào)與時(shí)序文件一致,則證明輸出的信號(hào)時(shí)序正確,可以提供給后續(xù)的圖像傳輸、圖像處理等系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源。時(shí)序驗(yàn)證的方法是對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,與時(shí)序文件進(jìn)行比較,場(chǎng)同步信號(hào)FVAL采用示波器測(cè)量,其他信號(hào)采用SignalTap工具回采的方法進(jìn)行測(cè)量。圖4給出采用SignalTap工具對(duì)構(gòu)造的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證的視頻截圖。
圖4 采用SignalTap工具驗(yàn)證時(shí)序構(gòu)造信號(hào)Fig.4 Using SignalTap tool to validate the sequence construction signal
圖4給出采用SignalTap工具驗(yàn)證時(shí)序構(gòu)造信號(hào)的效果圖,SignalTap文件以輸出的時(shí)鐘信號(hào)CLK為全局采樣時(shí)鐘,對(duì)輸出的場(chǎng)同步信號(hào)FVAL、行同步信號(hào)LVAL以及數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL進(jìn)行測(cè)試。圖4(a)顯示出輸出的行同步信號(hào)起始位置距離場(chǎng)同步信號(hào)起始位置參數(shù)P1為1 000個(gè)時(shí)鐘周期;圖4(b)顯示出行同步信號(hào)有效參數(shù)LV為640個(gè)時(shí)鐘周期,行同步消隱參數(shù)LN為160個(gè)時(shí)鐘周期;圖4(c)顯示出行同步結(jié)束位置距離場(chǎng)同步信號(hào)結(jié)束位置參數(shù)P2為1 000個(gè)時(shí)鐘周期。由圖4可知,輸出的構(gòu)造信號(hào)時(shí)序與圖2的時(shí)序記錄文件完全一致,時(shí)序構(gòu)造程序設(shè)計(jì)正確。
在驗(yàn)證了時(shí)序構(gòu)造程序正確的基礎(chǔ)上,對(duì)輸出的構(gòu)造相機(jī)信號(hào)進(jìn)行采集實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)組成框圖如圖5所示。如圖5所示,試驗(yàn)中,相機(jī)信號(hào)輸入時(shí)序構(gòu)造板,進(jìn)行時(shí)序測(cè)量,根據(jù)紅外相機(jī)的真實(shí)時(shí)序構(gòu)造與其時(shí)序一致的信號(hào),輸出給圖像采集卡,圖像采集卡對(duì)構(gòu)造的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行采集,將圖像顯示在顯示器上。
圖5 構(gòu)造信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Experiment structure map of the construction signal collection
圖6給出采集得到的顯示圖像。
時(shí)序構(gòu)造板卡輸出的場(chǎng)同步FVAL、行同步LVAL、數(shù)據(jù)有效DVAL及像素時(shí)鐘CLK信號(hào)與相機(jī)的時(shí)序完全一致,像素值用漸變數(shù)代替。
圖6(a)可以看出圖像穩(wěn)定顯示,由于像素值是漸變數(shù)據(jù),因此圖像亮度也是漸變的,圖像幀頻顯示為50Hz,靶面尺寸顯示640×512;圖6(b)采用Pixel Viewer工具顯示虛線框區(qū)域的像素值,可以看出像素值為穩(wěn)定的漸變數(shù)值。實(shí)驗(yàn)證明:基于FPGA的時(shí)序構(gòu)造板卡輸出時(shí)序與相機(jī)時(shí)序完全一致,可以作為數(shù)據(jù)源提供給后續(xù)系統(tǒng),在調(diào)試時(shí)代替紅外相機(jī),以減少其開(kāi)機(jī)時(shí)間。
圖6 時(shí)序構(gòu)造板圖像輸出采集效果圖Fig.6 Collected image of the sequence construction board
基于FPGA的相機(jī)時(shí)序構(gòu)造設(shè)計(jì)按照測(cè)量所得的紅外相機(jī)時(shí)序文件,構(gòu)造與相機(jī)時(shí)序信號(hào)完全一致的信號(hào),為圖像傳輸、圖像處理等后續(xù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源,以進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)以某紅外相機(jī)為例,構(gòu)造幀頻為50Hz,像素時(shí)鐘為40M,靶面尺寸為640×512,像素值為漸變數(shù)的輸出信號(hào),并進(jìn)行圖像采集。實(shí)驗(yàn)表明:采用構(gòu)造的相機(jī)信號(hào)作為信號(hào)源可以滿足圖像傳輸、圖像處理等系統(tǒng)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)要求,效果良好。在調(diào)試實(shí)驗(yàn)中采用構(gòu)造的信號(hào)源代替實(shí)際的紅外相機(jī),大量減少了紅外相機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間,為項(xiàng)目節(jié)約成本,因此設(shè)計(jì)具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。
[1] 熊文彬,蔣泉,曲建軍,等.基于FPGA實(shí)現(xiàn)的視頻顯示系統(tǒng)[J].液晶與顯示,2011,26(1):92-95.Xiong W B,Jiang Q,Qu J J,et al.Video display system based on FPGA [J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2011,26(1):92-95.(in Chinese)
[2] 孫航,馮強(qiáng),韓紅霞.基于FPGA的紅外序列圖像動(dòng)態(tài)壓縮顯示[J].液晶與顯示,2011,26(8):551-554.Sun H,F(xiàn)eng Q,Han H X.Infrared sequence image dynamic compression display based on FPGA [J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2011,26(8):551-554.(in Chinese)
[3] 宋振豐,李巖,于洋.數(shù)字圖像注入式紅外目標(biāo)捕獲跟蹤訓(xùn)練仿真[J].中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué),2010,13(2):194-200.Song Z F,Li Y,Yu Y.Simulation for IR capturing and tracking train based on digital image injection[J].Chinese Journal of Optics and Applied Optics,2010,13(2):194-200.(in Chinese)
[4] 李滿良,吳欽章.光電經(jīng)緯儀CCD曝光中心測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程,2013,21(5):1304-1310.Li M L,Wu Q Z.CCD exposure center measuring system for photoelectric theodolite[J].Opics and Precision Engineering,2013,21(5):1304-1310.(in Chinese)
[5] 許文海,吳厚德.超高分辨率CCD成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程,2012,20(7):1603-1610.Xu W H,Wu H D.Design of ultra-h(huán)igh resolution CCD imaging systems[J].Opics and Precision Engineering,2012,20(7):1603-1610.(in Chinese)
[6] 冉峰,楊輝,黃舒平.面陣CCD彩色視頻圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程,2010,18(1):273-280.Ran F,Yang H,Huang S P.Design of real-time color video capture system for area array CCD [J].Opics and Precision Engineering,2010,18(1):273-280.(in Chinese)
[7] Levine P A,Saucer D J,Shallcross F V.High frame rata multi-port CCD Image and camera[J].SPIE,1992,1952:257-267.
[8] LIX Z,YU Z Y,SHANG F.Multifunction image target generator[J].Experimental Technology and Management,2002,19(4):36-37.