基于嵌入式技術的紅外信號實時處理系統(tǒng)研究

張鵬濤

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

在對紅外參數(shù)進行探測時，可以應用相關的紅外設備，它是一種參數(shù)傳感器，人們對其非常的重視。在這個科技迅速發(fā)展的時代，對紅外設備的應用也在逐漸的擴大，同時，紅外信號的處理數(shù)據與紅外信號采樣速率息息相關，紅外信號的處理數(shù)據隨著采樣速率的提升在不斷增加，最終使得紅外信號的處理數(shù)據逐漸變得復雜。所以，在對紅外信號軟件的設計上就要嚴格要求，不僅要求相關數(shù)據的處理性能良好，在抗干擾性能方面也要加強。

1 嵌入式技術的紅外信號實時處理系統(tǒng)硬件設計

1.1 紅外信號轉換器設計

通過對紅外信號的轉換器進行設計，對紅外信號的處理能力有所提高。在嵌入式技術背景下，紅外信號以0.983Gb/s的串行方式傳輸，對紅外信號解碼之后，將5位差分的信號發(fā)送至嵌入式設備中[1]。在紅外信號轉換器接收后，將5位轉換為20位的紅外信號。經過處理后，它會生成一系列的紅外信號數(shù)據，通過紅外信號模塊對紅外信號進行檢測后，再對其進行處理。

為了能夠對紅外信號進行處理，系統(tǒng)中必須將紅外信號處理成20bit，輸入到嵌入式設備的紅外信號解碼芯片為5bit。利用嵌入式技術設計紅外信號轉換器，才可以將紅外信號從5bit轉換為20bit。

紅外信號轉換器的設計有采樣時鐘、計數(shù)器設計。紅外信號解碼芯片以150.2MHz的頻率傳輸?shù)角度胧皆O備中，因此，在時鐘周期內，通過上升及下降沿對紅外信號所發(fā)射的數(shù)據進行收集[2]。在對紅外信號轉換器進行設計時，紅外信號在上升沿進行收集，采樣頻率為301MHz，差分時鐘在發(fā)送紅外信號的同時被發(fā)送到嵌入式設備。因此，紅外信號轉換器的時鐘可以利用幀時鐘進行獲取。

1.2 紅外信號預處理電路設計

因紅外信號的轉換電壓在-10V至+10V之間，所以要對紅外信號的幅度進行有效的調整并做預處理，滿足紅外信號預處理電路設計的相關要求，在一定程度上提高紅外信號預處理的效率。紅外信號之間的分壓、運算放大器和多路開關的選擇功能可以通過紅外信號預處理電路進行實現(xiàn)。

為了提高紅外信號的處理能力，通過轉換器的設計提高紅外信號的處理能力，將紅外信號從5bit轉換為20bit對紅外信號進行轉換設計，在紅外信號預處理之前，控制紅外信號電路的電壓，根據運算放大器電路的原理，對紅外信號的傳輸途徑分析，使得紅外信號預處理電路的設計以及相關硬件的優(yōu)化得以實現(xiàn)。

2 基于嵌入式技術的紅外信號實時處理系統(tǒng)軟件設計

2.1 識別紅外信號

在紅外信號處理前要對紅外信號進行識別，并將其存儲在模板庫中，以防止信號丟失，以嵌入式技術為基礎，獲得原始的數(shù)據[3]。信號采集系統(tǒng)在識別中獨立完成紅外目標的發(fā)現(xiàn)到讀取的全過程。

信號采集系統(tǒng)具有速度快和容量大以及精度高的特點。在對紅外信號的狀態(tài)進行分析時，手動輸入紅外信號的相對參數(shù)[4]。紅外信號的識別有三個階段，即對紅外信號的本身屬性進行區(qū)分，對紅外信號的種類進行區(qū)分以及對紅外信號的區(qū)分。

在紅外信號識別的初級階段要對紅外信號預處理，加快紅外信號的處理速度，在對強度進行歸一化處理后存儲在數(shù)據庫中，并在數(shù)據庫中提取的信號特征存儲在模板庫中。

2.2 實時處理紅外信號

要想獲得信號反射能量，就要充分利用嵌入式技術對紅外信號進行多個處理，以此提升紅外信號處理能力?；夭ǚ纫约盎夭ǖ南辔恍畔⒍际羌t外信號的處理信息，以N來表示紅外信號發(fā)射的脈沖數(shù)，在特定的時間區(qū)域內，可以利用式（1）對紅外信號的N個脈沖進行累加。紅外信號為動態(tài)狀態(tài)時，此公式不能用于信號反射發(fā)生頻移情況中：

當紅外信號的距離出現(xiàn)變化時，式（1）將不在適用，而紅外信號產生的頻率也在變化，如式（2）所示：

式中，λ是紅外信號的波長，v表示紅外信號運動速度，fd為紅外信號的頻移。

通過對頻移值的符號來判斷紅外信號的移動方向。因為紅外信號的頻移較之紅外信號的發(fā)送頻率小，所以對脈沖的反射數(shù)據不能進行有效的區(qū)分。通過脈沖相位變化的規(guī)律性提升紅外信號的分辨效率，在一定程度上也可以對脈沖相移進行監(jiān)視。

總之，通過嵌入式技術對紅外信號預處理，根據數(shù)據庫中紅外信號的不同特征存儲在模板庫，對紅外信號進行有效的識別[5]。紅外信號在對N個紅外信號脈沖累加處理后得到了頻率，在紅外信號處理的過程中對紅外信號也進行了實時處理，紅外信號處理系統(tǒng)的軟件的得到了進一步的完善。

3 仿真測試

3.1 實驗環(huán)境部署

測試環(huán)境集成平臺為嵌入式仿真平臺，通過抵抗惡劣環(huán)境對中央處理單元、主機和平臺下的處理器板進行加固。使用Inteli8－964387MR中央處理器，總內存為32G，視頻內存為2G。

3.2 測試過程分析

仿真測試對紅外信號的實時處理能力進行評估。使用中央處理器平臺對紅外信號進行處理，將處理結果與傳統(tǒng)的處理系統(tǒng)進行比較，從整體上完成對系統(tǒng)的評估。過程如下：

第一步：對紅外信號壓縮和特征識別以及處理模塊進行實時處理及切割；

第二步：利用嵌入式技術預先在中央處理器平臺上實現(xiàn)紅外信號處理流程，將每個模塊的結果保存為文本文件并存儲；

第三步：在紅外信號處理時加入驗證模塊，對測試的結果與傳統(tǒng)的處理結果進行比較，在模塊通過后進入下一個模塊；

第四步：將最終的處理信號與傳統(tǒng)的處理信號進行比較；

第五步：將比較的結果進行記錄，并對結果進行統(tǒng)計與分析。

3.3 測試結果分析

如圖1。通過對圖進行分析，當紅外信號小于200Hz時，文獻［1］與嵌入式處理系統(tǒng)的耐壓值基本相同，但是，耐壓值在紅外信號識別頻率增加時，其上升的幅度在緩慢增加，在識別頻率為700Hz時，紅外信號的耐壓值變化的幅不大[6-7]。紅外信號由嵌入式技術處理系統(tǒng)處理后，紅外信號耐壓值隨識別頻率的增加而持續(xù)上升，在達到1000Hz識別頻率時，文獻［1］處理系統(tǒng)的紅外信號耐壓值為23V，嵌入式處理系統(tǒng)的紅外信號耐壓值達到了48V，由此可知，嵌入式處理系統(tǒng)的處理能力更強。

圖1 紅外信號耐壓值對比曲線

在信號處理量與處理時間下，將本文中的方法和文獻［1］方法進行比較。比較結果見圖2。

圖2 處理速度對比結果

從圖2可以看出，在100至600的信號處理量下，本文方法較之文獻［1］方法的處理時間更長，由此可知本文方法在信號處理方面效果更佳，可以在實踐中應用。為使實驗的迭代次數(shù)能夠增加，實驗的數(shù)據能夠精準，對本文方法和文獻［1］方法的處理精度進行比較，即處理點擬合，測試結果的準確性。通過本文方法和文獻［1］方法的處理精度對比結果，在100至300個擬合點下，文獻［1］中的擬合度相對于本文方法的擬合程度低，由此可知，本文方法在不同的擬合點數(shù)量中的處理效果更好，并且嵌入式技術的作用是顯著的。

4 結語

紅外設備是可以檢測紅外目標參數(shù)的重要參數(shù)傳感器?？萍嫉陌l(fā)展推動了紅外設備的應用，而通過紅外信號處理的數(shù)據隨采樣率的提高而增加，這就對紅外信號實時處理系統(tǒng)提出了更高的要求。在嵌入式技術的背景下對紅外信號實時處理進行研究，通過對硬件與軟件的設計完成紅外信號處理設計，達到嵌入式技術應用于紅外信號處理的目的。