PICO384非制冷紅外焦平面驅(qū)動(dòng)成像方案研究

胡仕明，陳益新

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PICO384非制冷紅外焦平面驅(qū)動(dòng)成像方案研究

胡仕明，陳益新

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院 南京 210094）

非制冷紅外焦平面熱像儀可用于將人眼不可見(jiàn)的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光圖像，具有無(wú)需制冷、便攜式和成本低的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)法國(guó)ULIS公司在2012年推出的帶I2C標(biāo)準(zhǔn)片內(nèi)接口的17mm像元尺寸型號(hào)為PICO384的非晶硅焦平面探測(cè)器進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)成像研究，主要工作包括硬件電路板的設(shè)計(jì)和基于FPGA的驅(qū)動(dòng)成像程序開(kāi)發(fā)，最終達(dá)到了預(yù)期結(jié)果獲得了清晰的紅外圖像。文中詳細(xì)介紹了硬件系統(tǒng)的組成，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序核心模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明和給出仿真驗(yàn)證結(jié)果，并就軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行了探討。

PICO384；非制冷；紅外焦平面；紅外成像

0 引言

PICO384為法國(guó)ULIS公司生產(chǎn)的一款非制冷凝視型紅外焦平面探測(cè)器，并首次做到將在許多電子器件中廣泛使用的I2C（Inter Integrated Circuit bus）接口集成到探測(cè)器內(nèi)部，從而更便于器件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。凝視型紅外焦平面[1-3]的優(yōu)點(diǎn)有：①熱靈敏度高：凝視紅外焦平面探測(cè)器通過(guò)提高積分時(shí)間可獲得畫(huà)質(zhì)優(yōu)良的熱或紅外圖像；②幀頻高：凝視紅外焦平面探測(cè)器采用電子掃描讀出信號(hào)，速度比光機(jī)掃描快；③體積小、重量輕。ULIS公司是基于非晶硅技術(shù)的非制冷紅外焦平面生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者，專注于設(shè)計(jì)和制造高性能紅外成像探測(cè)器并用于熱成像儀、安防、交通和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域，使得消費(fèi)電子和紅外器件生產(chǎn)廠家能夠大批量生產(chǎn)便攜式、低功耗和低成本的紅外相機(jī)[4]。

目前國(guó)產(chǎn)熱像儀的核心器件紅外焦平面大部分依賴國(guó)外進(jìn)口，而國(guó)產(chǎn)的紅外焦平面探測(cè)器在分辨率、像元間距和靈敏度等方面性能與國(guó)外相比還有一定差距。在成本上，由于ULIS公司的PICO384焦平面已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其單片價(jià)格也比國(guó)產(chǎn)相同分辨率類型產(chǎn)品價(jià)格要低，且由于在片上集成了I2C通信接口，其驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)也更容易實(shí)現(xiàn)。為此本文將展開(kāi)對(duì)PICO384型紅外焦平面的具體研究。

1 PICO384紅外焦平面介紹

該探測(cè)器是法國(guó)ULIS公司生產(chǎn)的一款先進(jìn)的、高可靠性、體積小、重量輕、功耗低的非制冷紅外焦平面探測(cè)器，采用非晶硅（-Si）微測(cè)輻射熱計(jì)技術(shù)將紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)用于熱像儀成像[5]。探測(cè)器內(nèi)部采用了硅讀出集成電路，像素陣列集成在一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的真空陶瓷封裝中。其外形封裝如圖1所示。

圖1 ULIS PICO384型非制冷紅外焦平面外形封裝

主要技術(shù)參數(shù)如下：

? 光譜響應(yīng)：長(zhǎng)波紅外（8～14mm）

? 工作溫度范圍：－40℃～＋85℃

? 像素分辨率：384×288

? 像素尺寸：17mm

? 總功耗：＜65mW（模擬功率）

? 供給電壓：數(shù)字1.5V，模擬3.6 V

? 讀出方式：逐行讀出

? 模擬視頻輸出動(dòng)態(tài)范圍：0.5～2.9V

? 靈敏度：14.8 mV/℃

? 標(biāo)稱幀頻：50 Hz

? 輸入時(shí)鐘：主時(shí)鐘（MC），最大14 MHz

? 輸出時(shí)鐘：像素時(shí)鐘（PSYNC），行同步信號(hào)（HSYNC），幀同步信號(hào)（VSYNC）。

PICO384紅外焦平面與ULIS公司以往推出的焦平面的不同之處在于它是通過(guò)I2C對(duì)內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置來(lái)驅(qū)動(dòng)焦平面工作的，這樣就節(jié)約了芯片外圍的配置引腳，簡(jiǎn)化了芯片的驅(qū)動(dòng)操作。焦平面內(nèi)部總共用來(lái)讀寫(xiě)的寄存器數(shù)目有20多個(gè)，通過(guò)I2C通信對(duì)相應(yīng)寄存器寫(xiě)入數(shù)值，就可以設(shè)定焦平面的積分時(shí)間、窗口大小、掃描方式、行間間隔、幀間間隔、偏置電壓等參量。正確配置好內(nèi)部寄存器后，在復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的控制下，焦平面輸出模擬視頻信號(hào)，像素時(shí)鐘同步信號(hào)，行同步信號(hào)和幀同步信號(hào)。然后就可以以此為基礎(chǔ)開(kāi)始后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字圖像處理顯示等工作。

2 焦平面驅(qū)動(dòng)成像設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PICO384非制冷紅外焦平面陣列（IRFPA）驅(qū)動(dòng)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、FPGA芯片、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)IRFPA的數(shù)據(jù)通信和程序控制以及對(duì)其輸出的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)字圖像處理和視頻合成等功能。

2.2 電源系統(tǒng)模塊

PICO384焦平面所需的供電電壓主要有：模擬電壓輸入3.6V，數(shù)字電壓輸入1.5 V，偏置電壓VSK固定3.6V輸入以及兩個(gè)可調(diào)偏壓GSK和GFID。其中GSK涵蓋的可調(diào)電壓范圍需滿足1.7～3.6V，GFID涵蓋的可調(diào)電壓范圍需滿足1～2.9V。另外，CTIA（Capacitance Trans-Impedance Amplifier）參考電壓VBUS無(wú)需外部提供，可通過(guò)配置內(nèi)部寄存器產(chǎn)生2.3V固定電壓，所有電壓輸入管腳端口都必須并聯(lián)100nF和10mF的兩個(gè)解耦電容。

本系統(tǒng)中選用的電源芯片均為L(zhǎng)inear公司出產(chǎn)，所選的芯片型號(hào)有：LT1086-3.6，LT1963-1.5，LT1129-5，LT1963-3.3，LT1963-2.5，LT3021-1.2和LT1762。其中LT1086-3.6和LT1963-1.5分別產(chǎn)生固定3.6V和1.5V電壓用于給焦平面提供固定電壓輸入；LT1762為可調(diào)電源芯片，通過(guò)外接電位器調(diào)節(jié)可提供給焦平面連續(xù)可調(diào)的偏置電壓輸入；LT1129-5，LT1963-3.3，LT1963-2.5和LT3021-1.2分別產(chǎn)生固定5V，3.3V，2.5V和1.2V來(lái)用于給FPGA芯片，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器等供電。

圖2 PICO384 非制冷IRFPA驅(qū)動(dòng)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 FPGA硬件平臺(tái)及外圍模塊

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列[6]，具有靈活性和并行性的特點(diǎn)，適應(yīng)于邏輯設(shè)計(jì)，邏輯粘連，數(shù)字信號(hào)處理和實(shí)時(shí)控制等領(lǐng)域。本系統(tǒng)選用Altera公司Cyclone Ⅲ系列型號(hào)為EP3C55F484的FPGA芯片作為主處理器，其邏輯資源[7]介紹如表1所示。FPGA完成的功能主要有：①時(shí)鐘管理。將晶振輸入的24M時(shí)鐘通過(guò)FPGA芯片內(nèi)部鎖相環(huán)進(jìn)行分頻輸出，供給焦平面，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器使用。②驅(qū)動(dòng)控制。完成對(duì)PICO384 IRFPA的程序控制和數(shù)據(jù)通信，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制擋板進(jìn)行非均勻校正等。③信號(hào)處理。將A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)字圖像信號(hào)依據(jù)焦平面輸出的同步時(shí)鐘時(shí)序要求進(jìn)行處理和緩存等。④視頻合成。將經(jīng)過(guò)處理緩存的圖像數(shù)據(jù)根據(jù)電視PAL制協(xié)議輸出，然后再經(jīng)過(guò)外部D/A芯片編碼即可送到顯示器顯示。

外圍模塊主要包括A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、EPCS和D/A轉(zhuǎn)換器等。其中A/D轉(zhuǎn)換器選用ADI（Analog Devices，Inc.）公司的AD9240模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，用于將PICO384輸出的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為14位的數(shù)字信號(hào)輸送給FPGA。SRAM選用Cypress公司型號(hào)為CY7C1061AV33產(chǎn)品，容量為1M×16bit，用于緩存非均勻校正時(shí)存儲(chǔ)的一幀背景圖像數(shù)據(jù)。EPCS可用于上電時(shí)對(duì)FPGA的數(shù)據(jù)配置。D/A轉(zhuǎn)換器選用ADI公司的ADV7123芯片，可用于將FPGA處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行PAL制編碼輸出。

2.4 PICO384驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

PICO384紅外焦平面驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分主要是對(duì)I2C通信模塊的程序編寫(xiě)。I2C為內(nèi)部IC控制的雙向串行總線，是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)[8]。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要依據(jù)焦平面的I2C讀寫(xiě)通信協(xié)議和內(nèi)部讀出集成電路控制寄存器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定的意義，編寫(xiě)FPGA程序來(lái)配置焦平面內(nèi)部寄存器，從而使得焦平面按照設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)入預(yù)期的工作狀態(tài)。

焦平面I2C通信的寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序分別如圖3和圖4所示。執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)FPGA先向PICO384發(fā)送器件地址和寫(xiě)命令，等待焦平面返回一個(gè)低電平應(yīng)答信號(hào)，隨后FPGA再分別發(fā)送16位寄存器地址的高8位和低8位地址數(shù)據(jù)，之后就可以將8位的寄存器設(shè)定值數(shù)據(jù)寫(xiě)入到指定的控制寄存器當(dāng)中了，在此過(guò)程中，每次從FPGA向PICO384成功寫(xiě)入一個(gè)8位數(shù)據(jù)后，PICO384會(huì)向FPGA返回一個(gè)低電平應(yīng)答信號(hào)。執(zhí)行讀操作時(shí)前一部分與寫(xiě)時(shí)序類似，也是先從FPGA向PICO384發(fā)送器件地址和寫(xiě)命令，隨后發(fā)送地址數(shù)據(jù)，只是在發(fā)送完地址數(shù)據(jù)和接收到應(yīng)答信號(hào)后就停止，然后再重新開(kāi)始并發(fā)送器件地址和讀命令，就可以讀出和接收指定寄存器中的數(shù)據(jù)了。

PICO384 IRFPA內(nèi)部單個(gè)寄存器的位寬指定為8位，可通過(guò)I2C串行接口與外部進(jìn)行通信。所有的寄存器大體分為兩類：一類是只讀寄存器，其內(nèi)部數(shù)據(jù)在出廠時(shí)已設(shè)定好，不能再次通過(guò)程序更改；另一類為可讀寫(xiě)寄存器，可由用戶通過(guò)編程讀取和重新配置。其中只讀寄存器有：DACGFID，DACGSK_A，DACGSK_B，F(xiàn)EEDBACK，READ_ ONLY_A，READ_ONLY_B和READ_ONLY_C。讀取DACGFID寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)就可用于計(jì)算GFID輸入端的偏壓設(shè)定值，讀取DACGSK_A和DACGSK_B寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)則可用于計(jì)算GSK輸入端的偏壓設(shè)定值，相應(yīng)的計(jì)算公式分別如式(1)、式(2)所示。其余的寄存器均為可讀寫(xiě)寄存器，通過(guò)I2C通信對(duì)相應(yīng)寄存器寫(xiě)入數(shù)值，就可以設(shè)定焦平面的積分時(shí)間，窗口大小，掃描方式，行間間隔，幀間間隔，VBUS偏壓等參量。

表1 EP3C55F484器件邏輯資源

圖3 PICO384 I2C寫(xiě)時(shí)序

GFID(V)＝0.01025 [DACGFID]＋0.777V (1)

GSK(V)＝0.00254×[DACGSK]＋0.416V (2)

在本設(shè)計(jì)中通過(guò)參照焦平面的I2C讀寫(xiě)時(shí)序，完成了對(duì)I2C通信模塊的程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PICO384內(nèi)讀出集成電路控制寄存器的讀寫(xiě)操作。使用ModelSim仿真軟件對(duì)I2C程序模塊進(jìn)行仿真，得到的波形如圖5所示。其中RD_WR_STATE為I2C讀寫(xiě)狀態(tài)機(jī)，數(shù)值為1代表空閑狀態(tài)，數(shù)值為27代表停止?fàn)顟B(tài)，表明對(duì)焦平面內(nèi)部寄存器的配置操作已完成。當(dāng)RD_WR_STATE數(shù)值為2～26時(shí)，表明當(dāng)前正處于對(duì)焦平面內(nèi)部各寄存器的讀或?qū)憼顟B(tài)。RD為高電平代表正對(duì)當(dāng)前寄存器進(jìn)行讀操作，WR為高電平代表正對(duì)當(dāng)前寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作。圖6為對(duì)圖5進(jìn)行波形放大后顯示對(duì)單個(gè)寄存器的寫(xiě)時(shí)序，此時(shí)RD_WR_STATE數(shù)值為7，RD為0，WR為1，正對(duì)寄存器地址為0×0050的 INTEGRATION_B寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)0111_0011，由波形圖可以驗(yàn)證此程序模塊的功能得到了正確實(shí)現(xiàn)。

3 紅外成像結(jié)果

在正確配置好PICO384 IRFPA內(nèi)部寄存器后，焦平面開(kāi)始進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，在同步時(shí)鐘的時(shí)序約束下輸出模擬視頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)AD9240采集轉(zhuǎn)化為14位寬的數(shù)字信號(hào)輸送給FPGA，F(xiàn)PGA依據(jù)焦平面輸出的3個(gè)同步時(shí)鐘：PSYNC，HSYNC和VSYNC對(duì)AD9240傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性地接收并緩存連續(xù)的一幀圖像數(shù)據(jù)到內(nèi)部雙口RAM中。如果此刻是處于電機(jī)帶動(dòng)擋板進(jìn)行單點(diǎn)非均勻校正模式下，還會(huì)同時(shí)將該情形下的一幀背景圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部SRAM中，以便之后用于實(shí)時(shí)的校正處理。之所以采用單點(diǎn)非均勻校正而不是兩點(diǎn)校正，是因?yàn)榇朔N方式對(duì)FPGA的處理資源占用較低，且只需一片外部SRAM芯片，比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也能獲得較好的圖像質(zhì)量。

圖4 PICO384 I2C讀時(shí)序

圖5 I2C通信程序模塊的ModelSim仿真波形

圖6 圖5中單個(gè)寄存器的寫(xiě)時(shí)序經(jīng)放大后的波形

為了將緩存的紅外圖像數(shù)據(jù)以PAL制輸出顯示，需要依據(jù)PAL制協(xié)議在FPGA內(nèi)編寫(xiě)視頻合成模塊，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)合同步信號(hào)、復(fù)合消隱信號(hào)和有效數(shù)據(jù)輸出，并控制好各信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系，然后經(jīng)過(guò)ADV7123編碼成PAL制視頻流輸出，就可以連接到外部顯示器上顯示。在完成整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件程序的開(kāi)發(fā)后，最終獲得了清晰的紅外成像結(jié)果，如圖7所示。

圖7 PICO384 IRFPA成像顯示

4 幾個(gè)重要問(wèn)題的探討

1）負(fù)載阻抗的匹配。根據(jù)PICO384用戶手冊(cè)要求，VIDEO模擬視頻輸出端的負(fù)載電阻要大于1MW，負(fù)載寄生電容要小于20 pF。為此，設(shè)計(jì)時(shí)在VIDEO模擬輸出端連接了一個(gè)由有源放大器構(gòu)成的電壓跟隨器，滿足了參數(shù)要求。

2）積分時(shí)間的設(shè)定。由于一行的像素?cái)?shù)為384個(gè)，行與行之間的間隔至少為17個(gè)PSYNC，總共有288行，幀頻50Hz，并且主時(shí)鐘MC頻率為像素時(shí)鐘頻率的2倍，所以MC的最小頻率值為：（384＋17）×288×50×2＝11.5488MHz，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇的主時(shí)鐘頻率為11.56MHz，基本滿足每秒50幀的設(shè)計(jì)要求。此時(shí)的積分時(shí)間，當(dāng)TINT（Integration time）≤(384－13)＝371個(gè)PSYNC時(shí)，最大為(371×2)/11.56＝64.2ms。當(dāng)TINT＞371時(shí)，如果主時(shí)鐘不變，則此時(shí)破壞了每秒50幀的時(shí)序要求，不可行；如果提高主時(shí)鐘頻率（最大14MHz），則在各項(xiàng)約束下通過(guò)計(jì)算可獲得的最大積分時(shí)間為65.16ms。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定TINT值為371，積分時(shí)間為64.2ms。

3）乒乓操作的棄用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在FPGA內(nèi)緩存了一幀紅外圖像數(shù)據(jù)，用于解決數(shù)據(jù)接收處理與外部PAL制讀出顯示不同步的問(wèn)題。如果采用乒乓操作，在一個(gè)數(shù)據(jù)緩存模塊中緩存一行數(shù)據(jù)的同時(shí)讀取另一個(gè)數(shù)據(jù)緩存模塊中已緩存的一行數(shù)據(jù)，兩個(gè)緩存模塊交替進(jìn)行讀寫(xiě)，以流水線的方式工作，就可以大量節(jié)省FPGA內(nèi)部的存儲(chǔ)空間，總共只需要緩存2行數(shù)據(jù)就可以替代緩存一幀共384行所占用的存儲(chǔ)空間。只是由于乒乓操作對(duì)焦平面工作時(shí)序和PAL制協(xié)議兩者協(xié)同工作有時(shí)序同步的要求，焦平面輸出一行數(shù)據(jù)的時(shí)間要與PAL制一行顯示的時(shí)間相同（為64ms），焦平面輸出幀間間隔也要對(duì)應(yīng)于PAL制式的場(chǎng)消隱時(shí)間，在經(jīng)過(guò)改變行間間隔和幀間間隔并進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)后，排除了這種方案的可行性。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)法國(guó)ULIS公司PICO384非制冷紅外焦平面進(jìn)行研究，我們完成了整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件程序的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)從焦平面到熱像儀的完整的設(shè)計(jì)成型過(guò)程，并獲得了清晰的紅外成像結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)具有便攜式和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)熱像儀生產(chǎn)廠商而言具有一定的借鑒和實(shí)用價(jià)值。

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Research on Driving and Imaging Project of PICO384 Uncooled Infrared Detector

HU Shi-ming，CHEN Yi-xin

(&,,210094,)

Uncooled infrared focal plane thermal imager can be used to convert the human eye invisible infrared light signals into visible light images which has the advantages of eliminating the need for a cooling system, portable structure and low cost. A research is made on driving and imaging of PICO384 amorphous silicon（-Si） infrared detector which is a new product launched by the French company ULIS in 2012 with I2C interface and 17mm pixel pitch. The main work includes the hardware design and driver and imaging development based on FPGA, and ultimately achieves the expected goal of obtaining clear infrared images. This paper introduces the constitution of the hardware system in detail. The core module of driver program is described and verified by simulation. And finally several important problems in the process of software and hardware design are discussed.

PICO384，uncooled，infrared focal plane array，infrared imaging

TN215

A

1001-8891(2015)08-0680-05

2015-01-28；

2015-02-28.

胡仕明（1991-），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士，主要從事紅外成像、差分視頻傳輸技術(shù)的研究。E-mail：hsmnjust@sina.com。