基于紅外焦平面探測器的紅外監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計＊

吳偉，黃俊，曹陽

（重慶郵電大學(xué)信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶400065）

引 言

紅外成像技術(shù)在軍事和民用方面都得到廣泛的應(yīng)用［1]。紅外成像過程可以描述為目標和背景的紅外輻射通過大氣傳輸和光學(xué)系統(tǒng)后到達紅外焦平面陣列（IRFPA－Infrared Focal Plane Array），紅外探測器把IRFPA上接收到的輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)電路輸出和圖像處理系統(tǒng)處理，最后送至顯示終端系統(tǒng)顯示的過程。

紅外監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，它具有自身反應(yīng)迅速、準確、便捷、安全等特性，在一些特殊環(huán)境中能發(fā)揮其重要作用。

本文主要介紹一種高速紅外監(jiān)控系統(tǒng)—基于ARM和FPGA的紅外監(jiān)控系統(tǒng)［2]。系統(tǒng)采用ARM和FPGA的組合，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)處理速度快，對原始圖像數(shù)據(jù)進行算法處理有很大的優(yōu)勢；ARM有很好的控制能力，對后臺設(shè)備有良好的操控性。本系統(tǒng)具有設(shè)計成本低、易于開發(fā)等優(yōu)點，是一個可靠實用的紅外監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于變電站設(shè)備實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計整體架構(gòu)

本系統(tǒng)根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境、圖像采集分析和圖像傳輸控制的需要，采用ARM和FPGA的組合構(gòu)成系統(tǒng)。整個系統(tǒng)中操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、顯示模塊及外圍電路應(yīng)用了ARM處理器，紅外圖像處理算法由FPGA完成。

首先通過IRFPA將監(jiān)控的變電站設(shè)備光信號變換為電信號，通過FPGA的A／D模塊將電信號轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號，暫存入雙端SRAM芯片；當SRAM內(nèi)采集圖像滿一幀時，F(xiàn)PGA通過中斷方式通知ARM模塊，ARM模塊響應(yīng)中斷后，觸發(fā)內(nèi)部片選信號，數(shù)據(jù)以DMA方式從片選地址移至內(nèi)存地址中；可以將數(shù)據(jù)在終端LCD模塊顯示或者通過網(wǎng)口模塊上傳到PC機，通過PC軟件顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 探測器接口電路設(shè)計

前端圖像數(shù)據(jù)采集探測器選用由法國ULIS公司生產(chǎn)的384×288像素紅外焦平面探測器UL03191，它由一個二維微測輻射熱計陣列（UFPA）和一個內(nèi)部集成的熱電制冷器（TEC）組成。探測器接口電路模塊主要包括TEC溫控電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、電源模塊、外圍電路模塊。探測器接口電路如圖2所示。

圖2 探測器接口電路

TEC溫控電路的功能是保證紅外焦平面能在穩(wěn)定的溫度條件下工作，從而提高整個熱像儀的精度和性能，本系統(tǒng)溫控電路選用ADI公司的ADN8830控制芯片，此芯片具有高集成度、高輸出效率、高性能的特點。TEC驅(qū)動模塊用于設(shè)定和穩(wěn)定IRFPA的溫度，在典型應(yīng)用中，最大溫漂電壓低于250mV，能夠使目標溫度誤差低于±0.01℃［3]。

A／D轉(zhuǎn)換電路的功能是對焦平面輸出的模擬視頻信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。首先，對UFPA輸出的模擬視頻信號進行A／D轉(zhuǎn)換，再傳送數(shù)字信號到圖像處理模塊，便于FPGA對圖像信號進行處理。本設(shè)計選用亞德諾公司的3通道模擬前端（AFE）芯片AD9826［5]，它是一款適合成像應(yīng)用的完整模擬信號處理芯片。它采用三通道架構(gòu)，可對三線彩色CCD陣列的輸出進行采樣和調(diào)理。

2.2 FPGA模塊電路設(shè)計

FPGA模塊是整個系統(tǒng)中的核心部件，主要功能是為UFPA和A／D轉(zhuǎn)換芯片提供驅(qū)動時序，對經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的紅外圖像數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的算法處理，實現(xiàn)與ARM芯片的交互。根據(jù)這些功能要求，本系統(tǒng)設(shè)計的FPGA模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA內(nèi)部模塊圖

在本電力監(jiān)控系統(tǒng)中，紅外熱成像儀處理的數(shù)據(jù)是二維紅外數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常大。因此對處理器的傳輸、存儲、處理速度等環(huán)節(jié)提出了較高要求。其特點為：參與運算的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)需多次重復(fù)使用，算法簡單而且規(guī)則，圖像中所有元素均可施以同樣的操作，存在固有的并行性，通信需要高帶寬數(shù)據(jù)交換。

該環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)速度影響較大，但這些運算非常適合在FPGA架構(gòu)中用硬件并行算法實現(xiàn)。根據(jù)以上需求和項目實際要求，F(xiàn)PGA處理芯片選用Actel公司推出的A3P1000－PQG208芯片，具有可反復(fù)編程修改、處理速度快、并行性等優(yōu)點，特別適合于圖像處理。此芯片柵極數(shù)量為1000K，最大工作頻率為350MHz，可編程輸入、輸出端數(shù)量為300個，數(shù)據(jù)RAM大小為147 456位，延遲時間為11.1ns。

2.3 ARM模塊電路設(shè)計

ARM處理器是整個硬件處理的核心單元，完成對各個硬件單元模塊的初始化、控制及管理。根據(jù)上面的要求和項目具體需要，ARM處理器選用Samsung公司推出的16／32位RISC微處理器S3C2440A，它具有32根地址線，支持4GB存儲空間。其中地址空間0～40000000的1G空間被分為8塊128M空間，分別由nGCS0～nGCS7片選組成［4]。S3C2440A為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價格、低功耗、高性能的解決方案，能夠滿足設(shè)計要求。ARM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 ARM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ARM核心板上包括時鐘電源模塊、SDRAM模塊、Flash模塊、LCD接口、FPGA通信接口。外部晶振源選擇12MHz，針對實時監(jiān)控系統(tǒng)ARM模塊選擇主頻（FLCK）為400MHz，設(shè)定FLCK、HCLK和PCLK比例為1：4：8；根據(jù)項目實際處理需求選擇兩片32M的SDRAM芯片，內(nèi)存地址映射到ARM地址空間為0x30000000的BANK6上；NAND FLASH選用256M的K9F2G08U0A來存儲系統(tǒng)代碼、程序代碼和圖像數(shù)據(jù)。

底板上包括電源模塊、網(wǎng)口模塊、串口模塊、SD卡模塊、USB主從口模塊、JTAG模塊、溫濕度傳感器模塊、音頻模塊。電源模塊將外部的5V直流電壓通過芯片AS1117AR－3.3轉(zhuǎn)化為3.3V為整個系統(tǒng)供電；串口選擇SP3232芯片進行電平轉(zhuǎn)換；網(wǎng)口模塊選用16位的以太網(wǎng)控制芯片DM9000，數(shù)據(jù)通過隔離器連接水晶頭（RJ45）。

網(wǎng)口模塊DM9000與S3C2440A通過16條數(shù)據(jù)線（DATA0～DATA15）、1條地址線（ADDR2），中斷（EINT7）進行連接［6]，16條數(shù)據(jù)線為數(shù)據(jù)和地址復(fù)用，而唯一的一條地址線用于判斷數(shù)據(jù)線傳輸?shù)氖堑刂愤€是數(shù)據(jù)。片選信號如果使用Bank4，則訪問0x2000 0000～0x27FF FFFF這個范圍的地址時會激活片選使能信號nGCS4。

2.4 FPGA與ARM接口電路設(shè)計

FPGA與ARM之間緩存數(shù)據(jù)需要選擇存儲容量大、高性能、低功耗的器件。本系統(tǒng)SRAM數(shù)據(jù)緩存芯片選用ISSI公司的IS61LV51216，其具有高性能CMOS制造工藝，內(nèi)部8M容量，結(jié)構(gòu)為512K×16位字長。存取時間最低可達8ns，全靜態(tài)操作不需要時鐘或刷新，輸入／輸出兼容TTL標準，高字節(jié)數(shù)據(jù)和低字節(jié)數(shù)據(jù)可分別控制［7]。ARM與FPGA接口電路如圖5所示。

圖5 ARM與FPGA接口設(shè)計圖

當前端紅外圖像采集模塊將采集的一幀數(shù)據(jù)傳入FPGA后，F(xiàn)PGA模塊對圖像進行濾波、非均勻校正等處理，將處理后的圖像數(shù)據(jù)存入雙端SRAM芯片，當存入一幀數(shù)據(jù)后FPGA向ARM模塊發(fā)出中斷信號；ARM模塊獲取中斷后，觸發(fā)片選信號（nGCS1），將地址映射到中斷的BANK1上，通過16位地址線在0x08000000～0x08010000地址空間內(nèi)將SRAM芯片中一幀圖像數(shù)據(jù)通過16位數(shù)據(jù)線取出，ARM模塊通過軟件觸發(fā)DMA通道3方式，將BANK1地址空間的紅外圖像數(shù)據(jù)拷貝至BANK6內(nèi)存地址中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ARM模塊選用Linux系統(tǒng)，它具有開源、免費、安全、穩(wěn)定、高性能等優(yōu)點，本系統(tǒng)選用Linux－2.6.30穩(wěn)定版本。

3.1 FPGA與ARM接口驅(qū)動程序

在整個系統(tǒng)中，驅(qū)動程序主要工作為：響應(yīng)中斷信號，軟件觸發(fā)DMA通道3，將Bank1中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到SDRAM（Bank6）地址空間中，獲取紅外圖像信號。驅(qū)動設(shè)計的主要流程如圖6所示。

圖6 ARM驅(qū)動設(shè)計流程圖

驅(qū)動初始化：包括地址映射、中斷設(shè)置、申請DMA通道等。首先總線寬度和等待控制寄存器（BWSCON）對Bank1進行設(shè)置；中斷初始化包括注冊中斷以及設(shè)置中斷為觸發(fā)方式，初始化等待隊列；S3C2440A一共具有4個DMA總通道，采用軟件中斷觸發(fā)DMA通道3方式，初始化設(shè)定源地址為0x08000000，dma＿alloc＿writecombine（）獲取DMA目的地址。對數(shù)據(jù)進行讀取時，數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU在不同地址區(qū)域直接進行存取。

數(shù)據(jù)處理流程：當FPGA模塊SRAM芯片存滿一幀處理后的圖像數(shù)據(jù)時，對EINT4產(chǎn)生一個下降沿，觸發(fā)驅(qū)動中的EINT4中斷和DMA中斷。在中斷響應(yīng)子程序中，設(shè)置wait＿event＿interruptible（）中的第二個參數(shù)滿足響應(yīng)需求，最后將采集的一幀數(shù)據(jù)調(diào)用copy＿to＿user（）函數(shù)，將圖像數(shù)據(jù)拷貝至用戶空間。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計

根據(jù)電力監(jiān)控中的圖像傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序總體采用UDP協(xié)議如圖7所示。UDP不要求保持一個連接，沒有因接收方認可收到數(shù)據(jù)包而帶來的開銷，需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬比TCP更小。

圖7 網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在PC端應(yīng)用程序中打開IP監(jiān)聽端口，ARM發(fā)送端獲取一幀圖像信號，開始向PC監(jiān)聽端發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，PC應(yīng)用程序接收到數(shù)據(jù)并進行偽色彩處理，最后在兩個窗口進行顯示。

4 實驗結(jié)果分析

前端紅外圖像采集模塊在整個項目中起到關(guān)鍵作用。圖像采集時，對非均勻焦平面陣列圖像采集積分時間有很強的控制，必須根據(jù)后端實際圖像的灰度值分布進行修訂，才能選擇合適的精度和量程范圍。在FPGA中需要對原始圖像作相應(yīng)的盲元補償、濾波、非均勻校正處理。每幀圖像分辨率為384×288，每點的圖像數(shù)據(jù)位16位，但顯示時只取高8位，即取8位進行顯示即可滿足使用要求，傳輸速度為4.5FPS，網(wǎng)口模塊需要在系統(tǒng)中達到3.8 Mbps的帶寬，經(jīng)過測試本系統(tǒng)網(wǎng)口模塊能達到傳輸要求，PC機接收灰度數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼顯示圖像。系統(tǒng)實物圖和PC機接收到烙鐵紅外圖像如圖8所示。測試表明，本文設(shè)計的各組模塊均能達到紅外監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

圖8 系統(tǒng)實物圖和PC機接收到烙鐵紅外圖像

結(jié) 語

本文設(shè)計的基于ARM和FPGA的紅外監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用嵌入式軟硬件可裁剪的靈活性，最大化地利用各個組件功能。紅外監(jiān)控系統(tǒng)可作為獨立的手持終端，也可組建為一個監(jiān)控平臺。系統(tǒng)具有設(shè)計成本低、易于開發(fā)等優(yōu)點，可應(yīng)用于化工、冶煉、鐵路運輸?shù)阮I(lǐng)域，在鋼鐵、玻璃、水泥、塑料的生產(chǎn)過程中能對設(shè)備溫度等進行監(jiān)控，能提前排除安全隱患，防止重大事故發(fā)生。

［1] 李云紅，孫曉剛，廉繼紅.紅外熱像測溫技術(shù)及其應(yīng)用研究［J] .現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（1）：112－115.

［2] 張維力.紅外熱像儀在電力工業(yè)中的應(yīng)用［J] .激光與紅外，1996，26（2）：105－106.

［3] 鄭興等.基于ADN8830的非制冷紅外焦平面溫度控制電路設(shè)計［J] .現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（24）：154－156.

［4] 吳華，謝禮瑩，徐澤宇.基于ARM9的紅外熱像儀設(shè)計與實現(xiàn)［J] .計算機工程，2010，36（16）：234－236.

［5] 邱虹云，劉陽，孫利群，等.1400萬像素CMOS傳感器高速讀出及信號采集的研究［J] .紅外技術(shù)，2006，28（6）：356－360.

［6] 陳朋，牛軍浩，胡聰.基于S3C2440的LXI總線高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計［J] .大眾科技，2012，14（150）：50－52.

［7] 潘冬寧，劉新寶，靳貝貝.基于DSP的電氣平臺硬件設(shè)計［J] .變頻器世界，2009（7）：118－119.