吳偉，黃俊，曹陽

（重慶郵電大學(xué)信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(biāo)和背景的紅外輻射通過大氣傳輸和光學(xué)系統(tǒng)后到達(dá)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(zhǔn)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(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理有很大的優(yōu)勢；ARM有很好的控制能力，對(duì)后臺(tái)設(shè)備有良好的操控性。本系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)成本低、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)可靠實(shí)用的紅外監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于變電站設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)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(gè)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(hào)變換為電信號(hào)，通過FPGA的A／D模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號(hào)，暫存入雙端SRAM芯片；當(dāng)SRAM內(nèi)采集圖像滿一幀時(shí)，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(hào)，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(jī)，通過PC軟件顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 探測器接口電路設(shè)計(jì)

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(gè)二維微測輻射熱計(jì)陣列（UFPA）和一個(gè)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(gè)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(diǎn)。TEC驅(qū)動(dòng)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(biāo)溫度誤差低于±0.01℃［3]。

A／D轉(zhuǎn)換電路的功能是對(duì)焦平面輸出的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。首先，對(duì)UFPA輸出的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再傳送數(shù)字信號(hào)到圖像處理模塊，便于FPGA對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)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(hào)處理芯片。它采用三通道架構(gòu)，可對(duì)三線彩色CCD陣列的輸出進(jìn)行采樣和調(diào)理。

2.2 FPGA模塊電路設(shè)計(jì)

FPGA模塊是整個(gè)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(dòng)時(shí)序，對(duì)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的紅外圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，實(shí)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(jì)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(duì)處理器的傳輸、存儲(chǔ)、處理速度等環(huán)節(jié)提出了較高要求。其特點(diǎn)為：參與運(yùn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)速度影響較大，但這些運(yùn)算非常適合在FPGA架構(gòu)中用硬件并行算法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上需求和項(xiàng)目實(shí)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(diǎn)，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(gè)，數(shù)據(jù)RAM大小為147 456位，延遲時(shí)間為11.1ns。

2.3 ARM模塊電路設(shè)計(jì)

ARM處理器是整個(gè)硬件處理的核心單元，完成對(duì)各個(gè)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(xiàng)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(chǔ)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(jià)格、低功耗、高性能的解決方案，能夠滿足設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)實(shí)時(shí)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(xiàng)目實(shí)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(chǔ)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(gè)系統(tǒng)供電；串口選擇SP3232芯片進(jìn)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(jìn)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(hào)如果使用Bank4，則訪問0x2000 0000～0x27FF FFFF這個(gè)范圍的地址時(shí)會(huì)激活片選使能信號(hào)nGCS4。

2.4 FPGA與ARM接口電路設(shè)計(jì)

FPGA與ARM之間緩存數(shù)據(jù)需要選擇存儲(chǔ)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(shí)間最低可達(dá)8ns，全靜態(tài)操作不需要時(shí)鐘或刷新，輸入／輸出兼容TTL標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)圖

當(dāng)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(duì)圖像進(jìn)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(dāng)存入一幀數(shù)據(jù)后FPGA向ARM模塊發(fā)出中斷信號(hào)；ARM模塊獲取中斷后，觸發(fā)片選信號(hào)（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(jì)

ARM模塊選用Linux系統(tǒng)，它具有開源、免費(fèi)、安全、穩(wěn)定、高性能等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)程序

在整個(gè)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序主要工作為：響應(yīng)中斷信號(hào)，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(hào)。驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主要流程如圖6所示。

圖6 ARM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖

驅(qū)動(dòng)初始化：包括地址映射、中斷設(shè)置、申請(qǐng)DMA通道等。首先總線寬度和等待控制寄存器（BWSCON）對(duì)Bank1進(jìn)行設(shè)置；中斷初始化包括注冊(cè)中斷以及設(shè)置中斷為觸發(fā)方式，初始化等待隊(duì)列；S3C2440A一共具有4個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取時(shí)，數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU在不同地址區(qū)域直接進(jìn)行存取。

數(shù)據(jù)處理流程：當(dāng)FPGA模塊SRAM芯片存滿一幀處理后的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)EINT4產(chǎn)生一個(gè)下降沿，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jì)

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(gè)連接，沒有因接收方認(rèn)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(hào)，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(jìn)行偽色彩處理，最后在兩個(gè)窗口進(jìn)行顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

前端紅外圖像采集模塊在整個(gè)項(xiàng)目中起到關(guān)鍵作用。圖像采集時(shí)，對(duì)非均勻焦平面陣列圖像采集積分時(shí)間有很強(qiáng)的控制，必須根據(jù)后端實(shí)際圖像的灰度值分布進(jìn)行修訂，才能選擇合適的精度和量程范圍。在FPGA中需要對(duì)原始圖像作相應(yīng)的盲元補(bǔ)償、濾波、非均勻校正處理。每幀圖像分辨率為384×288，每點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)位16位，但顯示時(shí)只取高8位，即取8位進(jìn)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(dá)到3.8 Mbps的帶寬，經(jīng)過測試本系統(tǒng)網(wǎng)口模塊能達(dá)到傳輸要求，PC機(jī)接收灰度數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼顯示圖像。系統(tǒng)實(shí)物圖和PC機(jī)接收到烙鐵紅外圖像如圖8所示。測試表明，本文設(shè)計(jì)的各組模塊均能達(dá)到紅外監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖和PC機(jī)接收到烙鐵紅外圖像

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)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(gè)組件功能。紅外監(jiān)控系統(tǒng)可作為獨(dú)立的手持終端，也可組建為一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)成本低、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于化工、冶煉、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，在鋼鐵、玻璃、水泥、塑料的生產(chǎn)過程中能對(duì)設(shè)備溫度等進(jìn)行監(jiān)控，能提前排除安全隱患，防止重大事故發(fā)生。

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