基于FPGA的新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)

滿春

摘 要：紅外熱像儀在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。鑒于紅外熱像儀在科研工作中的必要性及其自身的高消耗性，紅外熱像儀視頻輸出模擬器應(yīng)運(yùn)而生。本文主要就基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和難點(diǎn)加以闡述，然后對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)探究。

關(guān)鍵詞：FPGA；嵌入式；紅外熱像儀

紅外熱像儀視頻輸出模擬器利用軟硬件結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)場景目標(biāo)的紅外圖像模擬，它在軍事、航空航天、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象等多個(gè)領(lǐng)域，具有理論研究價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。與外場試驗(yàn)方法相比，使用紅外熱像儀視頻輸出模擬器不僅能節(jié)約大量的試驗(yàn)費(fèi)用，而且它還可以按照使用者的需求，合成模擬的紅外圖像。

1基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和難點(diǎn)

1.1基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)方案。紅外熱像儀視頻輸出模擬系統(tǒng)可以被分成三個(gè)子系統(tǒng)，分別是：圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)，圖像傳輸子系統(tǒng)，視頻圖像輸出子系統(tǒng)。圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)的功能是重放已錄制的真實(shí)紅外圖像或者現(xiàn)場合成模擬紅外圖像。其中已錄制的真實(shí)紅外圖像被保存在PC機(jī)的硬盤中。而現(xiàn)場合成模擬紅外圖像需要其他系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)提供紅外小目標(biāo)在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。圖像傳輸子系統(tǒng)的功能是將真實(shí)或模擬的紅外圖像以DMA的方式傳輸?shù)揭曨l輸出子系統(tǒng)。視頻圖像輸出子系統(tǒng)的功能是將紅外圖像按照紅外熱像儀的信號(hào)形式輸出。紅外熱像儀的信號(hào)形式是指并行或串行差分輸出像素時(shí)鐘信號(hào)、場同步信號(hào)、行同步信號(hào)以及圖像數(shù)據(jù)信號(hào)。

PC機(jī)操作軟件設(shè)計(jì)方案。PC機(jī)操作軟件是計(jì)算機(jī)操作界面的控制窗口。能實(shí)現(xiàn)讀取視頻數(shù)據(jù)，顯示圖像，存儲(chǔ)圖片和打開圖片，分析圖像像素點(diǎn)的灰度值等功能。具體功能有如下幾點(diǎn)：①設(shè)置有“打開設(shè)備”和“關(guān)閉設(shè)備”功能，操作軟件能與機(jī)芯設(shè)備建立連接，能控制設(shè)備的打開與關(guān)閉；②能將網(wǎng)口傳輸?shù)?bit視頻數(shù)據(jù)，在操作界面實(shí)時(shí)顯示成灰度圖像；③設(shè)置有“保存圖像”功能，能將獲取的某個(gè)時(shí)刻的灰度圖像保存為圖片；④設(shè)置有“打開圖像”功能，能將保存的灰度圖像進(jìn)行打開操作；⑤設(shè)置有“溫度參數(shù)”功能，能將測溫系統(tǒng)標(biāo)定的系數(shù)輸入到操作軟件中進(jìn)行測溫的實(shí)時(shí)校正；六、能進(jìn)行顯示灰度圖像的亮度和對(duì)比度的手動(dòng)調(diào)節(jié)。

1.2基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

Windows操作系統(tǒng)是一款微內(nèi)核、軟實(shí)時(shí)、搶占式多任務(wù)的操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)的應(yīng)用程序運(yùn)行在Windows的用戶模式下，而驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在Windows的驅(qū)動(dòng)模式下。顯然，包含了中斷的驅(qū)動(dòng)程序線程的優(yōu)先級(jí)要高于應(yīng)用程序線程的優(yōu)先級(jí)，二者處理數(shù)據(jù)的速度是不一致的。本系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展卡上集成的PCI芯片、FPGA芯片的輸入時(shí)鐘都是由同一晶振提供的，所以PCI擴(kuò)展卡的速度是確定的。由于PC機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度不定，而PCI擴(kuò)展卡的數(shù)據(jù)處理速度一定，為了保證紅外熱像儀視頻輸出模擬器連續(xù)輸出視頻圖像幀，采用了硬件控制軟件的方法。

2基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)系統(tǒng)在特殊環(huán)境下的應(yīng)用，此設(shè)計(jì)要求接口穩(wěn)定性好，抗震，抗高溫等干擾能力強(qiáng)，以適應(yīng)野外高溫照射及復(fù)雜的電磁環(huán)境。對(duì)于電路板，為便于系統(tǒng)組裝，其尺寸也有具體要求。視頻輸出卡上集成了一塊PCI芯片PLX9054，一塊由ALTERA公司生產(chǎn)的型號(hào)為EP1C6Q240C8的FPGA芯片，兩塊大小為128K*16的RAM芯片ISSI-IS61LV12816L，五塊單端轉(zhuǎn)差分的芯片AM26LS31，一塊并行轉(zhuǎn)串行的芯片DS90CR215，以及相關(guān)配置芯片等。

紅外熱像儀視頻輸出模擬器系統(tǒng)中的圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)、圖像傳輸子系統(tǒng)均屬于軟件設(shè)計(jì)。將實(shí)現(xiàn)圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)的程序命名為應(yīng)用程序，將實(shí)現(xiàn)圖像傳輸子系統(tǒng)的程序命名為驅(qū)動(dòng)程序。由于Windows操作系統(tǒng)擁有豐富的WIN32應(yīng)用程序接口，并且可以運(yùn)行多種應(yīng)用程序、支持多種開發(fā)工具，所以紅外熱像儀視頻輸出模擬器的軟件部分運(yùn)用在Windows平臺(tái)上。

VisualStudio是微軟公司推出的目前最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。其中的VS2010是基于Windows操作系統(tǒng)的可視化編程工具，具有執(zhí)行速度快，封裝度高，功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)操作系統(tǒng)的訪問權(quán)限高等優(yōu)點(diǎn)，所以紅外熱像儀視頻輸出模擬器的應(yīng)用程序采用了VS2010作為軟件開發(fā)工具。根據(jù)應(yīng)用程序的功能模塊級(jí)流程圖可知，視頻合成線程可以被劃分為合成圖像模塊、圖像傳輸模塊和視頻播放模塊。

為了降低編程難度，合成圖像模塊運(yùn)用了OpenCV庫。OpenCV是一個(gè)基于（開源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫（OpenSource Computer Vision Library）。OpenCV是由一系列C函數(shù)和C++類構(gòu)成的，它可以實(shí)現(xiàn)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法。

Windows驅(qū)動(dòng)模型的英文縮寫是WDM（Windows Driver Model），它是Microsoft開發(fā)的一種驅(qū)動(dòng)程序模型，用于Win32設(shè)備。WDM通過模塊化的、分層次類型的微型驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，降低了驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)時(shí)的復(fù)雜性。此外，WDM還擁有支持通用總線、協(xié)議或設(shè)備所需的功能性接口，這使得操作系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地配置不同的驅(qū)動(dòng)程序模塊來支持特定的設(shè)備。當(dāng)Windows用戶模式中的應(yīng)用程序和內(nèi)核模式中的驅(qū)動(dòng)程序通信時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)發(fā)出I/O請(qǐng)求，操作系統(tǒng)會(huì)將I/O請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的IRP，不同類型的IRP會(huì)被傳遞到不同的派遣函數(shù)中。

3結(jié)語

總而言之，目前該紅外熱像儀視頻輸出模擬器的幀頻是50Hz、紅外圖像大小是320*256，若試圖改變模擬器的幀頻、圖像大小，只需對(duì)應(yīng)修改該系統(tǒng)的硬件或軟件部分的代碼即可，這不難實(shí)現(xiàn)。但是，在以后的設(shè)計(jì)中可以考慮，將幀頻、圖像大小等信息設(shè)置成可選擇的，從而使用戶可以在用戶界面中根據(jù)需求自行選擇。

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