基于SoC的實時紅外圖像高速通道設計與研究.pdf

1、隨著紅外傳感器品質及其應用目標的不斷提高，要求熱像儀中信息處理部件---紅外圖像高速通道性能與之匹配。信息技術的飛速發(fā)展為高速通道性能的提高提供了廣闊前景。SoC(System on Chip，片上系統(tǒng))強調軟硬件協(xié)同信息處理，充分發(fā)揮硬件實時處理和軟件功能靈活的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)整體性能。
　　 針對紅外圖像高速通道輸入、處理和輸出三個部分，設計了同步接口狀態(tài)機、數(shù)據處理邏輯和偽彩色顯示三大模塊。設計將傳統(tǒng)的用戶硬聯(lián)邏輯嵌入到So

2、C系統(tǒng)中，以Altera SOPC為原型實現(xiàn)了紅外圖像采集、處理與顯示。并在此基礎上提出紅外圖像高速通道模型描述，使紅外通道設計提高到設計學的高度。
　　 同步接口作為紅外圖像高速通道的前端，接收傳感器輸出信號，完成輸入的轉換與解碼。有兩種方式實現(xiàn)視頻數(shù)據同步采集：方式一為同步A/D采集，完全由用戶邏輯控制，特點是設計靈活；另一方式則是利用視頻編解碼器的中間結果，通過狀態(tài)機提取同步數(shù)據，優(yōu)點是兼容性好。編解碼器通過I2C總線與配

3、置文件，使得邏輯功能與配置參數(shù)分離，HDL(Hardware Description Language，硬件描述語言)設計代碼維護更加容易。同步狀態(tài)機的四個核心進程---水平消隱、垂直消隱、水平計數(shù)和垂直計數(shù)是整個高速通道數(shù)據處理基礎。
　　 數(shù)據處理邏輯接收同步接口狀態(tài)機轉換的傳感器數(shù)據，對其進行緩存、傳輸和處理，以期提高數(shù)據信噪比和改善圖像質量。它包括數(shù)據緩存、總線膠合和特征數(shù)據處理三個主要模塊。數(shù)據緩存采用了雙口RAM和幀

4、行FIFO兩種形式。雙口RAM是采集接口和CPU共享數(shù)據資源的一個有效且成熟的構架，將用戶邏輯與雙口邏輯有機融合，與傳統(tǒng)雙口RAM相比具有更加靈活的總線協(xié)議接口。利用FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)片上RAM，提出了幀緩存和行緩存方式以適合不同的系統(tǒng)構成。采用PLD(Programmable Logic Device，可編程邏輯器件)技術的膠合邏輯能夠適配多種CPU總線，通過更新其

5、中的邏輯編程以滿足不同的系統(tǒng)構架。十字線點溫測量硬聯(lián)邏輯作為數(shù)據測量的基本功能，是紅外檢測的基礎。
　　 熱像顯示是SoC實時紅外圖像高速通道最終輸出結果，一方面提供被測目標客觀特征數(shù)據，同時也向用戶展示可視化溫度分布信息，直觀全面地了解對象，有助于現(xiàn)場診斷。采用偽彩色圖像增強SoC技術在功能上實現(xiàn)了檢測數(shù)據可視化，在效率上做到了熱像實時顯示。設計分為兩個層次：底層由“數(shù)據位直聯(lián)”和“RAM調色板”邏輯模塊完成數(shù)據到色彩的基本映

6、射關系；然后通過Altera Nios嵌入式處理器和Avalon片上總線在SoC層實現(xiàn)了偽彩色顯示。用戶邏輯模塊封裝體現(xiàn)了IP Core(Intellectual Property Core，知識產權核)再使用原則，充分保護設計投資。
　　 借鑒UML(Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言)和Petri網建模理論，提出了紅外高速通道模型，據此建立了紅外圖像處理系統(tǒng)高速通道的雙FIFO緩存工作模式狀態(tài)圖

7、模型和Petri網模型HDL描述。
　　 研究概述了當前主流設計模式，并給出作者研發(fā)的多個模型性能結果。其主要創(chuàng)新點在于：采用SoC技術設計紅外圖像高速通道，保證信號采集、數(shù)據處理和信息顯示的實時性；充分利用PLD片上可編程資源，建立了邏輯雙口RAM和多FIFO行緩存靈活機制的紅外圖像高速通道存儲構架；運用嵌入式處理器Nios“用戶定制指令”和“Avalon模塊”手段作為處理關鍵算法的有效手段，實現(xiàn)紅外圖像偽彩色實時顯示；借鑒U

8、ML與Petri網豐富的模型語義提出紅外圖像高速通道模型規(guī)約，保證了較高的抽象層描述的正確性。
　　 最后，根據作者主持的研究課題列出三類紅外高速通道的性能結果，揭示了各自特性。即(1)SoC技術采用HDL邏輯功能描述、片上處理器軟硬件協(xié)同開發(fā)模式實現(xiàn)數(shù)據實時處理；(2)PLD接口通過其強大的硬件功能作為接口或橋拓展CPU I/O，完成數(shù)據的采集與顯示；(3)集成電子在原有系統(tǒng)的基礎上，整合分散的電子硬件功能，實現(xiàn)系統(tǒng)集成化、小