李志偉，鐵躍煥，寧新建

（空軍第一航空學(xué)院航空軍械工程系，河南信陽464000）

0 引 言

自然界中任何溫度高于絕對溫度零度的物體都會產(chǎn)生紅外輻射，紅外輻射是一種不可見光。紅外探測就是利用紅外輻射的特性，在其傳播的“大氣窗口”內(nèi)將目標(biāo)的不可見紅外光信息轉(zhuǎn)換為可見的視頻圖像信息，即通過探測設(shè)備將攜帶待測目標(biāo)信息的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號，供電子系統(tǒng)進(jìn)一步處理、檢測和輸出，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的有效探測和定位［1］。

對于紅外探測系統(tǒng)的設(shè)計，一方面中要解決光學(xué)信號的探測、轉(zhuǎn)換問題［2］，另一方面要解決信號的處理、輸出問題［3］。為此，根據(jù)任務(wù)要求對探測系統(tǒng)進(jìn)行性能設(shè)置和功能控制，對改善整個系統(tǒng)性能，提高探測效果具有至關(guān)重要的意義［4］。

1 紅外探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)對目標(biāo)紅外輻射圖像的信息采集和功能控制，設(shè)計了如圖1所示的紅外遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng):紅外圖像采集子系統(tǒng)、計算機(jī)處理與控制子系統(tǒng)。

圖1 紅外遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 紅外圖像采集子系統(tǒng)

主要組成是紅外相機(jī)和接口電路，主要作用是:

（1）將外界目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號進(jìn)行輸出；

（2）接收并執(zhí)行經(jīng)由RS232總線傳來的控制指令。

本系統(tǒng)選用的紅外相機(jī)為FLIR Commercial Systems公司生產(chǎn)的Tau系列產(chǎn)品，它提供了一個50針的Hirose外部接頭，主要提供5個方面的功能端口:4－6V（1W）電源、模擬視頻輸出、指令控制通道、低壓差分信號（low voltage differential signaling，LVDS）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通道、并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通道［5］。本系統(tǒng)設(shè)計主要采用了前三種功能端口。

模擬視頻輸出:具有NTSC和PAL兩種制式，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。信號輸出既可直接連接到通用的視頻顯示器（如電視）或視頻記錄設(shè)備（如錄像機(jī)），也可通過同軸電纜（需外接一個75歐姆的終端電阻）與計算機(jī)等設(shè)備相連。

指令控制通道:通過接收來自RS232總線的串行指令信號實現(xiàn)對紅外相機(jī)的遠(yuǎn)程控制。該總線只要具有RX（接收）、TX（發(fā)送）、GND（地）3條信號線即可，信號電平為3.3V。

1.2 計算機(jī)處理與控制子系統(tǒng)

主要組成是計算機(jī)、視頻圖像采集卡、控制軟件等，主要作用是:

（1）通過視頻圖像采集卡采集來自紅外相機(jī)的視頻圖像，并將其存儲、顯示；

（2）根據(jù)任務(wù)要求編寫并選取控制指令，通過COM端口經(jīng)由RS232總線發(fā)送至紅外相機(jī)。

為了實現(xiàn)對紅外相機(jī)輸出視頻信號的采集與處理，系統(tǒng)選用了一款由西安維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MV－810圖像采集卡，該卡提供了兩個BNC接頭，通過同軸電纜實現(xiàn)計算機(jī)與紅外相機(jī)的視頻傳輸。

在計算機(jī)中選取任意一個空閑的COM端口，通過RS232總線與紅外相機(jī)的指令控制通道相連。

2 紅外圖像采集與控制

從圖1所示的硬件組成結(jié)構(gòu)可以看出，系統(tǒng)主要由以紅外相機(jī)和計算機(jī)為核心部件的兩大子系統(tǒng)組成，其完成的主要功能可綜合為:紅外圖像的采集與輸出、采集功能的指令控制。工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

2.1 紅外圖像的采集與輸出

在紅外相機(jī)一端，目標(biāo)紅外輻射通過光學(xué)透鏡、光學(xué)帶通濾光片，分離出目標(biāo)紅外輻射的光波信號，然后入射到紅外探測器表面，紅外探測器將入射的光子流變換成電子流，其大小正比于光子流的瞬時強(qiáng)度。再經(jīng)過前置放大器對信號進(jìn)行放大、處理［6］，產(chǎn)生模擬視頻信號，通過電子控制部件將視頻電子信號傳送到模擬視頻輸出端。

在計算機(jī)一端，通過視頻圖像采集卡實時采集來自紅外相機(jī)模擬視頻輸出端口的視頻信號，經(jīng)由PCI總線傳入內(nèi)存，根據(jù)需要可利用視頻圖像采集卡提供的軟件處理功能對圖像做進(jìn)一步調(diào)節(jié)，再通過顯示器顯示輸出。

2.2 探測功能的指令控制

本系統(tǒng)紅外探測功能的控制是通過執(zhí)行來自RS232總線的遠(yuǎn)程控制指令實現(xiàn)的。

在計算機(jī)一端，根據(jù)紅外相機(jī)的編碼規(guī)則對系統(tǒng)中常用的控制指令進(jìn)行編碼，并保存到指令庫中［7］。系統(tǒng)應(yīng)用中，根據(jù)任務(wù)需要調(diào)取相應(yīng)的控制指令，發(fā)送至COM端口，經(jīng)由RS232總線傳遞到紅外相機(jī)。

在紅外相機(jī)一端，當(dāng)指令控制通道接收到一組來自RS232總線的控制指令后，首先根據(jù)指令編碼規(guī)則進(jìn)行代碼校驗，如果正確，則通過指令譯碼器對指令譯碼，根據(jù)指令功能由電子控制部件對探測功能實施控制。

本相機(jī)可以實現(xiàn)的指令控制功能主要有:狀態(tài)控制、系統(tǒng)設(shè)置、視頻控制、自動增益控制（automatic gain control，AGC）、熱量測量等。

3 控制指令編碼

3.1 串行通信協(xié)議

本系統(tǒng)所用紅外相機(jī)只能由指令控制通道接收外部控制信息，對任一合法信息均可產(chǎn)生一個外部響應(yīng)，相機(jī)本身不向外部發(fā)送任何信息。

所有控制和響應(yīng)信息都遵循如表1所示的串行包協(xié)議。

表1 串行包協(xié)議

表1中所有字節(jié)均按十六進(jìn)制編碼，在串行通信中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均采用十六進(jìn)制字符串格式。

其中，Status、Function、Data等字節(jié)均可根據(jù)任務(wù)需要查詢相機(jī)的技術(shù)說明書，Byte Count字節(jié)用于指示數(shù)據(jù)包中Data字節(jié)的總數(shù)量，CRC1和CRC2字節(jié)用于串行通信的數(shù)據(jù)校驗。

3.2 循環(huán)冗余校驗

在數(shù)據(jù)通信中，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，其中最有效的方法之一就是采用循環(huán)冗余校驗（cyclical redundancy check，CRC）。CRC的最大特點是檢錯能力強(qiáng)，開銷小，易于用編碼器及檢測電路實現(xiàn)，因而在數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與習(xí)慣的不同，CRC標(biāo)準(zhǔn)可分為CRC－12、CRC－16、CRC－CCITT、CRC－32等多種。其中，CRC－16是美國采用的16位編碼標(biāo)準(zhǔn)，它由兩個字節(jié)組成，用于傳送8位的二進(jìn)制字符串。本相機(jī)系統(tǒng)中，無論是接收信息還是響應(yīng)信息均采用CRC－16標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗。

3.3 CRC代碼求解

CRC編碼實際上是一種線性編碼，其基本思想是:

在發(fā)送端，對于要發(fā)送的k位二進(jìn)制信息碼序列，按照一定的規(guī)則產(chǎn)生一個具有r位的校驗監(jiān)督碼（即CRC碼），并附在信息碼后邊，構(gòu)成一個具有k＋r位的新的二進(jìn)制編碼序列，然后發(fā)送出去。

在接收端，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，需要重新計算CRC值并與收到的CRC值進(jìn)行比較，若二者不同，則說明數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)了錯誤［8］。

在代數(shù)編碼理論中，一個碼組可以表示為一個多項式，碼組中的各碼元可以看作是多項式的系數(shù)。例如1100010可以表示為1·x6＋1·x5＋0·x4＋0·x3＋0·x2＋1·x＋0，即x6＋x5＋x。CRC的基本原理是除法及余數(shù)原理，如果除數(shù)不同，那么CRC的類型也就不一樣。通常，CRC的除數(shù)用生成多項式來表示［9］。

若要發(fā)送或接收的二進(jìn)制原始信息共有k位，碼組多項式為P（x），其最高冪次即為k－1；設(shè)生成多項式為G（x），其最高冪次為r；并設(shè)CRC多項式為R（x），編碼后帶CRC的信息多項式為T（x）。

發(fā)送方編碼方法為:將P（x）乘以xr（即對應(yīng)的二進(jìn)制碼序列左移r位），再除以G（x），若所得余式為R（x），則T（x）＝xrP（x）＋R（x）。

例如，要傳送的信息碼為1100，生成多項式為1011，即P（x）＝x3＋x2，G（x）＝x3＋x＋1，則CRC的計算過程為

得R（x）＝x。由于G（x）最高冪次r＝3，因此R（x）對應(yīng)的CRC應(yīng)具有3位編碼，即010。

在接收端，將接收到的二進(jìn)制序列數(shù)（包括信息碼和CRC碼）除以生成多項式G（x），如果余數(shù)R（x）為0，則說明傳輸中無錯誤發(fā)生。本例中，若接收碼序為T（x），則

無余式，說明傳輸正確。

在CRC－16標(biāo)準(zhǔn)中，生成多項式為x16＋x12＋x2＋1，對于某一編碼的二進(jìn)制信息，其相應(yīng)的CRC求解可參上述方法進(jìn)行。

表1中，CRC1的值根據(jù)數(shù)據(jù)包的前6個字節(jié)計算得出，CRC2的值則根據(jù)其前面的所有字節(jié)（字節(jié)0－N）計算得出。

3.4 控制指令編碼

假設(shè)要控制相機(jī)的極性變化，即通過指令設(shè)置相機(jī)極性為“白熱”或“黑熱”，則根據(jù)表1所示的串行通信協(xié)議，控制指令代碼的第1個字節(jié)（Process Code）應(yīng)為6E；根據(jù)相機(jī)狀態(tài)字節(jié)的定義，第2個字節(jié)（Status）應(yīng)為00；第3個字節(jié)（Reserved）為保留字節(jié)，不妨設(shè)為00；第4個字節(jié)（Function）及之后的所有字節(jié)，除CRC字節(jié)之外均需查相機(jī)功能代碼表，經(jīng)查表得知［5］，對應(yīng)的Function代碼為10；Byte Count代碼為00 02，即指令對應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)總數(shù)為2；“白熱”對應(yīng)的數(shù)據(jù)位（Data）為00 00。至此，除了校驗位之外，指令代碼部分均已確定，“白熱”指令的代碼格式可確定為:

按照3.1描述的通信協(xié)議，采用3.3提供的CRC計算方法，求得“白熱”指令的CRC1和CRC2分別為BC 9A和00 00，因此，“白熱”控制指令的完整通信代碼為:

按照同樣的方法可求得“黑熱”控制指令的完整通信代碼為:

說明:代碼中各字節(jié)之間以一個英文空格隔開。

4 控制功能的實現(xiàn)

4.1 串行通信端口設(shè)置

由于紅外相機(jī)是通過串行指令控制的，因此要想實現(xiàn)對紅外相機(jī)的遠(yuǎn)程控制，在計算機(jī)一端，首先要按照通信要求對串行端口進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)設(shè)置如下:

波特率:57600

數(shù)據(jù)位:8

校驗位:None

停止位:1

4.2 指令發(fā)送

根據(jù)任務(wù)要求，從預(yù)先編制好的代碼庫中調(diào)取相應(yīng)的指令代碼，將包含CRC的指令代碼通過串口發(fā)送至RS232總線。

發(fā)送規(guī)則是:首先發(fā)送第1個字節(jié)，然后依次發(fā)送其余的所有字節(jié)。對于多字節(jié)參數(shù)均按高位優(yōu)先順序（即最高有效位MSB優(yōu)先）發(fā)送。

以“白熱”極性設(shè)置為例，信息發(fā)送功能的部分VC 6.0實現(xiàn)代碼如下:

4.3 指令接收

在接收端，當(dāng)指令控制通道接收到一條控制指令后，首先按照表1所示的指令規(guī)則對指令信息重新計算CRC，并與接收到的CRC比較，如果二者一致，說明指令接收正確，然后再對指令進(jìn)行譯碼，并由相機(jī)的電子控制部件控制相機(jī)執(zhí)行對應(yīng)的功能。

5 測試分析

5.1 控制效果測試

通過計算機(jī)控制系統(tǒng)向串行端口發(fā)送上例中的“白熱”、“黑熱”控制指令，探測效果分別如圖3、圖4所示。

圖3 “白熱”控制效果

圖4 “黑熱”控制效果

從圖3和圖4中可以看出，發(fā)出不同的控制指令，系統(tǒng)探測到的紅外圖像極性發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即白的地方變黑，黑的地方變?yōu)榘?。說明指令控制正確，實現(xiàn)了預(yù)期控制效果。

利用上述方法編寫并發(fā)送其它控制指令，如縮放、亮度調(diào)節(jié)等，均能達(dá)到預(yù)期的控制效果。反復(fù)實驗驗證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

5.2 控制距離測試

如圖1所示，計算機(jī)與紅外相機(jī)之間的通信連接主要通過兩條傳輸線路來完成:同軸電纜、RS232總線。

本系統(tǒng)采用的同軸電纜為帶有屏蔽層的細(xì)纜，其傳輸距離可達(dá)到200米以上，RS232總線的正常通信距離在15米以內(nèi)，因此限制系統(tǒng)控制距離的主要因素是RS232總線。實驗結(jié)果表明，當(dāng)RS232總線長度在15米以內(nèi)時，系統(tǒng)均能穩(wěn)定、可靠地工作。隨著距離的增加，通信傳輸可靠性逐漸降低。

為了解決整個系統(tǒng)的控制距離問題，可以對紅外相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示，在Hirose接頭處增加一個外部連接模塊，該模塊提供一個Mini USB接口，通過USB實現(xiàn)串行控制信號的傳輸。按照USB 2.0通信規(guī)范，配以傳輸距離延長設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)到100米左右，能夠滿足一般的遠(yuǎn)程控制需要［10］。

6 結(jié)束語

基于串行指令的紅外探測遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是控制指令的編碼，核心是指令編碼的校驗。通過RS232串行通信線路傳輸帶有校驗碼的控制指令，實現(xiàn)計算機(jī)對紅外探測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，可以有效改善控制質(zhì)量，提高指令控制的可靠性，適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。同時，還可以通過采用USB替代RS232信號傳輸?shù)姆绞?，延長信號傳輸距離，實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)控制，對提高紅外探測系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性具有重要意義。

由于紅外探測系統(tǒng)是利用目標(biāo)與背景之間紅外輻射的差異進(jìn)行工作的，具有全天候前視和夜視能力，因此不管是軍用還是民用都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

［1］FU Xiaoning，WANG Bingjian，WANG Di.Electro－optic ranging ＆countermeasure［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2012（in Chinese）.［付小寧，王炳健，王荻.光電定位與光電對抗［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.］

［2］YU Huijuan，LI Lan，LIU Xiangxin，et al.Design and realization of ground objects infrared scene simulator［J］.Infrared Technology，2013，35（1）:31－37（in Chinese）.［余慧娟，黎蘭，劉相新，等.地面目標(biāo)紅外成像仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.紅外技術(shù)，2013，35（1）:31－37.］

［3］ZHAO Fangzhou，LI Junshan，YANG Wei，et al.Infrared object tracking algorithm based on extended spatial histogram［J］.Microelctronics ＆Computer，2012，29（10）:81－84（in Chinese）.［趙方舟，李俊山，楊威，等.基于擴(kuò)展空間直方圖的紅外目標(biāo)跟蹤方法［J］.微電子學(xué)與計算機(jī)，2012，29（10）:81－84.］

［4］SHI Yanli.Choice and development of the third－generation infrared detectors［J］.Infrared Technology，2013，35（1）:1－8（in Chinese）.［史衍麗.第三代紅外探測器的發(fā)展與選擇［J］.紅外技術(shù)，2013，35（1）:1－8.］

［5］FLIR Commercial Systems Inc.Tau camera user's manual［OL］.http://www.flir.com，2011.

［6］LI Yunxia，MENG Wen，MA Lihua，et al.Theory ＆application of the electro－optic countermeasure［M］.Xi'an:Xidian University Press，2009（in Chinese）.［李云霞，蒙文，馬麗華，等.光電對抗原理與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.］

［7］LI Zhiwei，LI Yue.Security warning system design based on knowledge base of computer resources［J］.Computer Engineering and Design，2013，34（1）:55－58（in Chinese）.［李志偉，李岳.基于計算機(jī)資源知識庫的安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2013，34（1）:55－58.］

［8］XU Shang，HUANG Jianguo，LI Li.Realization method of CRC for mode S data－link［J］.Measurement ＆Control Technology，2012，31（2）:27－30（in Chinese）.［徐賞，黃建國，李力.S模式數(shù)據(jù)鏈CRC校驗實現(xiàn)方法［J］.測控技術(shù)，2012，31（2）:27－30.］

［9］DU Rui，ZHANG Weigong，DENG Zhe，et al.Parallel CRC algorithm design and implementation of new bus［J］.Computer Engineering and Design，2013，34（1）:131－135（in Chinese）.［杜瑞，張偉功，鄧哲，等.新型總線中并行CRC算法的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2013，34（1）:131－135.］

［10］ZHANG Xue，LIANG Xiaogeng.Development of and demands for infrared detectors［J］.Electronics Optics ＆Control，2013，20（2）:41－45（in Chinese）.［張雪，梁曉庚.紅外探測器發(fā)展需求［J］.電光與控制，2013，20（2）:41－45.］