韓紅霞，孫 航，曹立華

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引 言

光電跟蹤測量設(shè)備是能夠跟蹤空中飛行目標(biāo)，并給出目標(biāo)方位值和俯仰值的設(shè)備。紅外相機是根據(jù)物體的熱輻射成像的相機，目前在軍事、醫(yī)療、航天等很多領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用。光電跟蹤測量設(shè)備采用紅外相機跟蹤目標(biāo)，可以在目標(biāo)與背景亮度差值不大的情況下仍然穩(wěn)定跟蹤，然而紅外相機的使用壽命是有限的，大型紅外相機的使用壽命一般是2 000～5 000h，如果頻繁地開啟相機，必然會縮短設(shè)備的使用年限，同時大靶面紅外相機基本依賴進(jìn)口而且價格昂貴，更換相機不僅會增加成本而且會耗費很長的訂貨時間。為減少紅外相機的開機時間，節(jié)省項目開發(fā)成本，設(shè)計了紅外相機時序構(gòu)造系統(tǒng)，在進(jìn)行項目調(diào)試和實驗時，采用構(gòu)造的紅外相機輸出信號，提供給后續(xù)圖像處理等系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源，在進(jìn)行實際的跟蹤任務(wù)時再開啟紅外相機。設(shè)計的基于FPGA的紅外相機時序構(gòu)造系統(tǒng)輸出的信號時序與真實的紅外相機輸出時序保持一致，輸出的像素值數(shù)據(jù)采用漸變數(shù)，可以作為圖像傳輸系統(tǒng)、圖像處理等后續(xù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，以供其進(jìn)行編程和調(diào)試，調(diào)試成功之后直接將程序應(yīng)用到紅外相機信號的傳輸、處理等操作，這樣就省去了程序開發(fā)、調(diào)試和驗證時頻繁的啟動紅外相機的過程，節(jié)省了相機的開機時間，同時也延長了設(shè)備的使用年限，節(jié)約了項目的開發(fā)成本，因此基于FPGA的紅外相機時序構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計具有很強的工程實踐意義。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于FPGA的紅外相機時序構(gòu)造系統(tǒng)硬件平臺主要包括電平轉(zhuǎn)換單元、FPGA邏輯設(shè)計單元、時鐘處理單元以及串口數(shù)據(jù)收發(fā)單元等，其中FPGA邏輯設(shè)計單元是設(shè)計的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)的時序配置和邏輯控制，圖1給出系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計框圖。

圖1 紅外相機時序構(gòu)造系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計框圖Fig.1 Hardware structure diagram of the IR camera sequence construction design

如圖1所示，晶振時鐘OS＿CLK為系統(tǒng)提供輸入時鐘信號，由FPGA內(nèi)嵌的PLL對其進(jìn)行處理，產(chǎn)生系統(tǒng)的工作時鐘信號。串行數(shù)據(jù)輸入電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3071，將RS422電平格式信號轉(zhuǎn)為LVTTL電平格式信號，提供給FPGA。相機信號接收芯片采用DS90CR288，將相機輸出的CameraLink電平格式信號轉(zhuǎn)換為LVTTL電平格式信號，提供給FPGA進(jìn)行時序測量，時序測量完成之后FPGA編程構(gòu)造紅外相機信號，代替紅外相機作為數(shù)據(jù)源，提供給后續(xù)圖像處理等系統(tǒng)，這樣在調(diào)試過程中就可以不再啟動紅外相機了。FPGA邏輯設(shè)計單元是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，實現(xiàn)所有的時序配置和邏輯控制，通過FPGA編程可以實現(xiàn)紅外相機時序的詳細(xì)測量和記錄、時序構(gòu)造信號的輸出以及所有外圍芯片的邏輯控制等，F(xiàn)PGA芯片采用EP2C5－T144I8。相機構(gòu)造信號發(fā)送芯片采用DS90－CR287，將FPGA輸出的LVTTL電平格式信號轉(zhuǎn)換為CameraLink電平格式信號，提供給圖像處理等后續(xù)單元。串行數(shù)據(jù)輸入電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3071，將LVTTL電平格式信號轉(zhuǎn)為RS422電平格式信號，提供給后續(xù)系統(tǒng)。

2.2 FPGA邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于FPGA的相機時序構(gòu)造設(shè)計中，F(xiàn)PGA是整個設(shè)計的核心器件，如圖1所示，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計中包括PLL模塊、時序測量／記錄模塊、場同步信號FVAL產(chǎn)生模塊、行同步信號LVAL產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)有效信號DVAL產(chǎn)生模塊以及漸變數(shù)據(jù)信號DATA產(chǎn)生模塊。

PLL模塊對輸入的晶振時鐘OS＿CLK進(jìn)行倍頻／分頻等處理，得到構(gòu)造的像素時鐘信號CLK。時序測量／記錄模塊接收真實紅外相機的輸出信號，采用FPGA編程和SignalTap工具相結(jié)合的方法對相機的時序進(jìn)行詳細(xì)測量，并記錄形成相機時序文件，作為模擬時序產(chǎn)生的依據(jù)。場同步信號產(chǎn)生模塊（FVAL＿M(jìn)AKE MODULE）以時序記錄文件為依據(jù)，編程實現(xiàn)場同步信號輸出。行同步信號產(chǎn)生模塊（LVAL＿M(jìn)AKE MODULE）以時序記錄文件為依據(jù)，編程實現(xiàn)行同步信號的輸出。數(shù)據(jù)有效信號產(chǎn)生模塊（DVAL＿M(jìn)AKE MODULE）以時序記錄文件為依據(jù)，編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效信號的輸出。像素值信號即漸變數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊（DATA＿M(jìn)AKE＿M(jìn)ODULE）通過編程實現(xiàn)在行有效的情況下輸出漸變數(shù)據(jù)，代替真實的像素值。

3 軟件設(shè)計

基于FPGA的紅外相機時序構(gòu)造系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)了真實紅外相機時序的詳細(xì)測量及記錄，時鐘信號的處理以及根據(jù)測量得到的時序構(gòu)造與真實相機時序一致的時序信號。

3.1 時序測量及記錄

真實相機時序的測量是進(jìn)行基于FPGA的紅外相機時序構(gòu)造的前提，測量產(chǎn)生的時序記錄文件是進(jìn)行后續(xù)時序構(gòu)造程序的基礎(chǔ)。圖2以某紅外相機的時序測量為例，給出經(jīng)過時序測量后得到的時序記錄文件示意圖。

圖2 某紅外相機時序記錄文件Fig.2 Sequence record file of an IR camera

如圖2所示，相機的時序記錄文件包括了像素時鐘信號CLK、場同步信號FVAL、行同步信號LVAL以及數(shù)據(jù)有效信號DVAL的相關(guān)信息。像素時鐘信號CLK由示波器測量得到，圖中相機像素時鐘為頻率40MHz，占空比1∶1的連續(xù)信號。場同步信號FVAL包括場周期FT和場有效時間FV，場周期信號可以由示波器測得，圖中場周期時間FT＝20ms，場有效時間FV＝10.30ms。行同步信號LVAL的測量需要采用FPGA編程和SignalTap工具結(jié)合測得，需要給出的行同步信息包括一場圖像中包含的有效行數(shù)、行有效時間LV、行消隱時間LN、起始行信號距離場起始信號的時間P1以及結(jié)束行信號距離場結(jié)束信號的時間P2，圖2中可見一場包含512行有效數(shù)據(jù)，LV＝640×CLK，LN＝160×CLK，P1＝P2＝100×CLK。數(shù)據(jù)有效信號DVAL的測量也需要采用FPGA編程和SignalTap工具結(jié)合測得，DVAL時序一般與LVAL信號時序相同。

3.2 時序構(gòu)造

相機的時序構(gòu)造是在已知相機時序文件的基礎(chǔ)上，構(gòu)造與其時序一致的輸出信號，在進(jìn)行調(diào)試等工作時，作為數(shù)據(jù)源提供給圖像傳輸、圖像處理等后續(xù)系統(tǒng)，以節(jié)省紅外相機的實際開機時間。

圖3 基于FPGA的時序構(gòu)造流程圖Fig.3 Flow chart of the sequence conformation based on FPGA

時序構(gòu)造軟件設(shè)計中，首先采用FPGA內(nèi)嵌的鎖相環(huán)模塊PLL對輸入的晶振時鐘OS＿CLK進(jìn)行處理，得到構(gòu)造的像素時鐘信號CLK；接著根據(jù)時序記錄文件中場同步周期FT及場有效時間FV，對時鐘信號進(jìn)行計數(shù)處理，得到模擬的場同步信號FVAL；之后根據(jù)記錄文件中P1／P2／LV／LN的計數(shù)值以及一行中包含的有效行數(shù)，以FVAL為基準(zhǔn)，編程實現(xiàn)模擬的行同步信號LVAL的輸出；之后根據(jù)數(shù)據(jù)記錄文件構(gòu)造數(shù)據(jù)有效信號DVAL，一般情況下，DVAL信號與LVAL信號是相同的；最后在LVAL信號有效的情況下輸出漸變數(shù)，代替相機輸出的像素值。圖3給出基于FPGA的時序構(gòu)造軟件流程圖。

在時序構(gòu)造程序設(shè)計中，所有的測量值都以參數(shù)的形式在FPGA程序中體現(xiàn)，這樣對于不同的相機只要根據(jù)時序記錄文件修改相應(yīng)的參數(shù)值即可，不用修改程序段，因此程序具有很強的可移植性。

3.3 具體程序設(shè)計

根據(jù)圖3所示的時序構(gòu)造軟件流程圖，程序設(shè)計主要包括時鐘信號CLK產(chǎn)生模塊、場同步信號FVAL產(chǎn)生模塊、行同步信號LVAL產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)有效信號DVAL產(chǎn)生模塊、漸變數(shù)據(jù)DATA產(chǎn)生模塊以及SignalTap時序驗證模塊等。由于篇幅原因，這里以場同步信號FVAL產(chǎn)生模塊為例，給出程序的具體設(shè)計。

首先根據(jù)輸入時鐘信號產(chǎn)生像素時鐘信號，外部的輸入時鐘OS＿CLK頻率為50MHz，圖2所示時序文件中相機像素時鐘為40M，采用內(nèi)部鎖相環(huán)模塊PLL對OS＿CLK進(jìn)行除5乘4處理，產(chǎn)生40M的像素時鐘。圖2所示，場同步信號FVAL周期為20ms，場同步有效時間約10.3 ms，根據(jù)公式（1）和公式（2）可以得到FT包括的時鐘周期數(shù)K1和FV包括的時鐘周期數(shù)K2。

式中：K1為場同步周期FT包括的時鐘周期數(shù)，F(xiàn)T為場同步周期，TCLK為時鐘周期；K2為場同步有效FV包括的時鐘周期數(shù)，LV為行同步有效長度（及包括的時鐘個數(shù)），LN為行消隱長度，Lnum為一場包括的行數(shù)，P1為行起始距離場起始的長度，P2為行結(jié)束距離場結(jié)束的長度。這樣計算得到場信號FT包括（20×106）／25＝800000個時鐘周期，場同步有效FV包括（640＋160）×511＋640＋1000＋1 000＝411 440個時鐘周期。根據(jù)如上計算，可以通過編程對時鐘信號進(jìn)行精確計數(shù)，使得場同步信號持續(xù)800000個時鐘周期，場同步有效持續(xù)411 440個時鐘周期，場同步無效持續(xù)388 560個時鐘周期。以場同步FVAL構(gòu)造為例，給出如下程序段設(shè)計。

以上程序通過計數(shù)的方式實現(xiàn)了場同步信號FVAL的構(gòu)造，行同步LVAL、數(shù)據(jù)有效信號DVAL等信號的構(gòu)造程序與場同步信號FVAL的構(gòu)造程序結(jié)構(gòu)基本相同。

4 時序驗證及實驗

4.1 時序驗證

按圖3所示的流程圖進(jìn)行時序構(gòu)造程序設(shè)計，輸出模擬的相機時序信號，之后，要進(jìn)行時序驗證，若構(gòu)造的時序信號與時序文件一致，則證明輸出的信號時序正確，可以提供給后續(xù)的圖像傳輸、圖像處理等系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源。時序驗證的方法是對輸出的信號進(jìn)行實際測量，與時序文件進(jìn)行比較，場同步信號FVAL采用示波器測量，其他信號采用SignalTap工具回采的方法進(jìn)行測量。圖4給出采用SignalTap工具對構(gòu)造的時序信號進(jìn)行驗證的視頻截圖。

圖4 采用SignalTap工具驗證時序構(gòu)造信號Fig.4 Using SignalTap tool to validate the sequence construction signal

圖4給出采用SignalTap工具驗證時序構(gòu)造信號的效果圖，SignalTap文件以輸出的時鐘信號CLK為全局采樣時鐘，對輸出的場同步信號FVAL、行同步信號LVAL以及數(shù)據(jù)有效信號DVAL進(jìn)行測試。圖4（a）顯示出輸出的行同步信號起始位置距離場同步信號起始位置參數(shù)P1為1 000個時鐘周期；圖4（b）顯示出行同步信號有效參數(shù)LV為640個時鐘周期，行同步消隱參數(shù)LN為160個時鐘周期；圖4（c）顯示出行同步結(jié)束位置距離場同步信號結(jié)束位置參數(shù)P2為1 000個時鐘周期。由圖4可知，輸出的構(gòu)造信號時序與圖2的時序記錄文件完全一致，時序構(gòu)造程序設(shè)計正確。

4.2 實驗

在驗證了時序構(gòu)造程序正確的基礎(chǔ)上，對輸出的構(gòu)造相機信號進(jìn)行采集實驗，實驗組成框圖如圖5所示。如圖5所示，試驗中，相機信號輸入時序構(gòu)造板，進(jìn)行時序測量，根據(jù)紅外相機的真實時序構(gòu)造與其時序一致的信號，輸出給圖像采集卡，圖像采集卡對構(gòu)造的時序信號進(jìn)行采集，將圖像顯示在顯示器上。

圖5 構(gòu)造信號采集實驗結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Experiment structure map of the construction signal collection

圖6給出采集得到的顯示圖像。

時序構(gòu)造板卡輸出的場同步FVAL、行同步LVAL、數(shù)據(jù)有效DVAL及像素時鐘CLK信號與相機的時序完全一致，像素值用漸變數(shù)代替。

圖6（a）可以看出圖像穩(wěn)定顯示，由于像素值是漸變數(shù)據(jù)，因此圖像亮度也是漸變的，圖像幀頻顯示為50Hz，靶面尺寸顯示640×512；圖6（b）采用Pixel Viewer工具顯示虛線框區(qū)域的像素值，可以看出像素值為穩(wěn)定的漸變數(shù)值。實驗證明：基于FPGA的時序構(gòu)造板卡輸出時序與相機時序完全一致，可以作為數(shù)據(jù)源提供給后續(xù)系統(tǒng)，在調(diào)試時代替紅外相機，以減少其開機時間。

圖6 時序構(gòu)造板圖像輸出采集效果圖Fig.6 Collected image of the sequence construction board

5 結(jié) 論

基于FPGA的相機時序構(gòu)造設(shè)計按照測量所得的紅外相機時序文件，構(gòu)造與相機時序信號完全一致的信號，為圖像傳輸、圖像處理等后續(xù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源，以進(jìn)行調(diào)試和實驗工作。實驗以某紅外相機為例，構(gòu)造幀頻為50Hz，像素時鐘為40M，靶面尺寸為640×512，像素值為漸變數(shù)的輸出信號，并進(jìn)行圖像采集。實驗表明：采用構(gòu)造的相機信號作為信號源可以滿足圖像傳輸、圖像處理等系統(tǒng)的調(diào)試和實驗要求，效果良好。在調(diào)試實驗中采用構(gòu)造的信號源代替實際的紅外相機，大量減少了紅外相機的開機時間，為項目節(jié)約成本，因此設(shè)計具有實際的工程應(yīng)用價值。

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