基于SoC的實(shí)時(shí)紅外圖像高速通道設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、隨著紅外傳感器品質(zhì)及其應(yīng)用目標(biāo)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(shù)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(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同信息處理，充分發(fā)揮硬件實(shí)時(shí)處理和軟件功能靈活的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)整體性能。
　　 針對(duì)紅外圖像高速通道輸入、處理和輸出三個(gè)部分，設(shè)計(jì)了同步接口狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)處理邏輯和偽彩色顯示三大模塊。設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的用戶(hù)硬聯(lián)邏輯嵌入到So

2、C系統(tǒng)中，以Altera SOPC為原型實(shí)現(xiàn)了紅外圖像采集、處理與顯示。并在此基礎(chǔ)上提出紅外圖像高速通道模型描述，使紅外通道設(shè)計(jì)提高到設(shè)計(jì)學(xué)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(hào)，完成輸入的轉(zhuǎn)換與解碼。有兩種方式實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)同步采集：方式一為同步A/D采集，完全由用戶(hù)邏輯控制，特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活；另一方式則是利用視頻編解碼器的中間結(jié)果，通過(guò)狀態(tài)機(jī)提取同步數(shù)據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是兼容性好。編解碼器通過(guò)I2C總線(xiàn)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(yǔ)言)設(shè)計(jì)代碼維護(hù)更加容易。同步狀態(tài)機(jī)的四個(gè)核心進(jìn)程---水平消隱、垂直消隱、水平計(jì)數(shù)和垂直計(jì)數(shù)是整個(gè)高速通道數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)。
　　 數(shù)據(jù)處理邏輯接收同步接口狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行緩存、傳輸和處理，以期提高數(shù)據(jù)信噪比和改善圖像質(zhì)量。它包括數(shù)據(jù)緩存、總線(xiàn)膠合和特征數(shù)據(jù)處理三個(gè)主要模塊。數(shù)據(jù)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(jù)資源的一個(gè)有效且成熟的構(gòu)架，將用戶(hù)邏輯與雙口邏輯有機(jī)融合，與傳統(tǒng)雙口RAM相比具有更加靈活的總線(xiàn)協(xié)議接口。利用FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(gòu)成。采用PLD(Programmable Logic Device，可編程邏輯器件)技術(shù)的膠合邏輯能夠適配多種CPU總線(xiàn)，通過(guò)更新其

5、中的邏輯編程以滿(mǎn)足不同的系統(tǒng)構(gòu)架。十字線(xiàn)點(diǎn)溫測(cè)量硬聯(lián)邏輯作為數(shù)據(jù)測(cè)量的基本功能，是紅外檢測(cè)的基礎(chǔ)。
　　 熱像顯示是SoC實(shí)時(shí)紅外圖像高速通道最終輸出結(jié)果，一方面提供被測(cè)目標(biāo)客觀特征數(shù)據(jù)，同時(shí)也向用戶(hù)展示可視化溫度分布信息，直觀全面地了解對(duì)象，有助于現(xiàn)場(chǎng)診斷。采用偽彩色圖像增強(qiáng)SoC技術(shù)在功能上實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)可視化，在效率上做到了熱像實(shí)時(shí)顯示。設(shè)計(jì)分為兩個(gè)層次：底層由“數(shù)據(jù)位直聯(lián)”和“RAM調(diào)色板”邏輯模塊完成數(shù)據(jù)到色彩的基本映

6、射關(guān)系；然后通過(guò)Altera Nios嵌入式處理器和Avalon片上總線(xiàn)在SoC層實(shí)現(xiàn)了偽彩色顯示。用戶(hù)邏輯模塊封裝體現(xiàn)了IP Core(Intellectual Property Core，知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)再使用原則，充分保護(hù)設(shè)計(jì)投資。
　　 借鑒UML(Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語(yǔ)言)和Petri網(wǎng)建模理論，提出了紅外高速通道模型，據(jù)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(wǎng)模型HDL描述。
　　 研究概述了當(dāng)前主流設(shè)計(jì)模式，并給出作者研發(fā)的多個(gè)模型性能結(jié)果。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：采用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)紅外圖像高速通道，保證信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和信息顯示的實(shí)時(shí)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(jī)制的紅外圖像高速通道存儲(chǔ)構(gòu)架；運(yùn)用嵌入式處理器Nios“用戶(hù)定制指令”和“Avalon模塊”手段作為處理關(guān)鍵算法的有效手段，實(shí)現(xiàn)紅外圖像偽彩色實(shí)時(shí)顯示；借鑒U

8、ML與Petri網(wǎng)豐富的模型語(yǔ)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(jù)作者主持的研究課題列出三類(lèi)紅外高速通道的性能結(jié)果，揭示了各自特性。即(1)SoC技術(shù)采用HDL邏輯功能描述、片上處理器軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理；(2)PLD接口通過(guò)其強(qiáng)大的硬件功能作為接口或橋拓展CPU I/O，完成數(shù)據(jù)的采集與顯示；(3)集成電子在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，整合分散的電子硬件功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化、小