胡仕明，陳益新

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PICO384非制冷紅外焦平面驅動成像方案研究

胡仕明，陳益新

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院 南京 210094）

非制冷紅外焦平面熱像儀可用于將人眼不可見的紅外光信號轉化為可見光圖像，具有無需制冷、便攜式和成本低的優(yōu)點。對法國ULIS公司在2012年推出的帶I2C標準片內接口的17mm像元尺寸型號為PICO384的非晶硅焦平面探測器進行了驅動成像研究，主要工作包括硬件電路板的設計和基于FPGA的驅動成像程序開發(fā)，最終達到了預期結果獲得了清晰的紅外圖像。文中詳細介紹了硬件系統(tǒng)的組成，對驅動程序核心模塊的設計進行了說明和給出仿真驗證結果，并就軟硬件設計過程中的幾個重要問題進行了探討。

PICO384；非制冷；紅外焦平面；紅外成像

0 引言

PICO384為法國ULIS公司生產的一款非制冷凝視型紅外焦平面探測器，并首次做到將在許多電子器件中廣泛使用的I2C（Inter Integrated Circuit bus）接口集成到探測器內部，從而更便于器件的開發(fā)應用。凝視型紅外焦平面[1-3]的優(yōu)點有：①熱靈敏度高：凝視紅外焦平面探測器通過提高積分時間可獲得畫質優(yōu)良的熱或紅外圖像；②幀頻高：凝視紅外焦平面探測器采用電子掃描讀出信號，速度比光機掃描快；③體積小、重量輕。ULIS公司是基于非晶硅技術的非制冷紅外焦平面生產的領導者，專注于設計和制造高性能紅外成像探測器并用于熱成像儀、安防、交通和軍事應用等領域，使得消費電子和紅外器件生產廠家能夠大批量生產便攜式、低功耗和低成本的紅外相機[4]。

目前國產熱像儀的核心器件紅外焦平面大部分依賴國外進口，而國產的紅外焦平面探測器在分辨率、像元間距和靈敏度等方面性能與國外相比還有一定差距。在成本上，由于ULIS公司的PICO384焦平面已實現量產，其單片價格也比國產相同分辨率類型產品價格要低，且由于在片上集成了I2C通信接口，其驅動開發(fā)也更容易實現。為此本文將展開對PICO384型紅外焦平面的具體研究。

1 PICO384紅外焦平面介紹

該探測器是法國ULIS公司生產的一款先進的、高可靠性、體積小、重量輕、功耗低的非制冷紅外焦平面探測器，采用非晶硅（-Si）微測輻射熱計技術將紅外輻射轉化為電信號來用于熱像儀成像[5]。探測器內部采用了硅讀出集成電路，像素陣列集成在一個專門設計的真空陶瓷封裝中。其外形封裝如圖1所示。

圖1 ULIS PICO384型非制冷紅外焦平面外形封裝

主要技術參數如下：

? 光譜響應：長波紅外（8～14mm）

? 工作溫度范圍：－40℃～＋85℃

? 像素分辨率：384×288

? 像素尺寸：17mm

? 總功耗：＜65mW（模擬功率）

? 供給電壓：數字1.5V，模擬3.6 V

? 讀出方式：逐行讀出

? 模擬視頻輸出動態(tài)范圍：0.5～2.9V

? 靈敏度：14.8 mV/℃

? 標稱幀頻：50 Hz

? 輸入時鐘：主時鐘（MC），最大14 MHz

? 輸出時鐘：像素時鐘（PSYNC），行同步信號（HSYNC），幀同步信號（VSYNC）。

PICO384紅外焦平面與ULIS公司以往推出的焦平面的不同之處在于它是通過I2C對內部的寄存器進行配置來驅動焦平面工作的，這樣就節(jié)約了芯片外圍的配置引腳，簡化了芯片的驅動操作。焦平面內部總共用來讀寫的寄存器數目有20多個，通過I2C通信對相應寄存器寫入數值，就可以設定焦平面的積分時間、窗口大小、掃描方式、行間間隔、幀間間隔、偏置電壓等參量。正確配置好內部寄存器后，在復位信號和時鐘信號的控制下，焦平面輸出模擬視頻信號，像素時鐘同步信號，行同步信號和幀同步信號。然后就可以以此為基礎開始后續(xù)的模數轉換，數字圖像處理顯示等工作。

2 焦平面驅動成像設計

2.1 系統(tǒng)整體結構設計

PICO384非制冷紅外焦平面陣列（IRFPA）驅動成像系統(tǒng)結構如圖2所示。該系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、FPGA芯片、A/D轉換器、D/A轉換器和數據/程序存儲器等組成，可實現對IRFPA的數據通信和程序控制以及對其輸出的模擬視頻信號進行采集、數字圖像處理和視頻合成等功能。

2.2 電源系統(tǒng)模塊

PICO384焦平面所需的供電電壓主要有：模擬電壓輸入3.6V，數字電壓輸入1.5 V，偏置電壓VSK固定3.6V輸入以及兩個可調偏壓GSK和GFID。其中GSK涵蓋的可調電壓范圍需滿足1.7～3.6V，GFID涵蓋的可調電壓范圍需滿足1～2.9V。另外，CTIA（Capacitance Trans-Impedance Amplifier）參考電壓VBUS無需外部提供，可通過配置內部寄存器產生2.3V固定電壓，所有電壓輸入管腳端口都必須并聯(lián)100nF和10mF的兩個解耦電容。

本系統(tǒng)中選用的電源芯片均為Linear公司出產，所選的芯片型號有：LT1086-3.6，LT1963-1.5，LT1129-5，LT1963-3.3，LT1963-2.5，LT3021-1.2和LT1762。其中LT1086-3.6和LT1963-1.5分別產生固定3.6V和1.5V電壓用于給焦平面提供固定電壓輸入；LT1762為可調電源芯片，通過外接電位器調節(jié)可提供給焦平面連續(xù)可調的偏置電壓輸入；LT1129-5，LT1963-3.3，LT1963-2.5和LT3021-1.2分別產生固定5V，3.3V，2.5V和1.2V來用于給FPGA芯片，A/D轉換器和D/A轉換器等供電。

圖2 PICO384 非制冷IRFPA驅動成像系統(tǒng)結構

2.3 FPGA硬件平臺及外圍模塊

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列[6]，具有靈活性和并行性的特點，適應于邏輯設計，邏輯粘連，數字信號處理和實時控制等領域。本系統(tǒng)選用Altera公司Cyclone Ⅲ系列型號為EP3C55F484的FPGA芯片作為主處理器，其邏輯資源[7]介紹如表1所示。FPGA完成的功能主要有：①時鐘管理。將晶振輸入的24M時鐘通過FPGA芯片內部鎖相環(huán)進行分頻輸出，供給焦平面，A/D轉換器和D/A轉換器使用。②驅動控制。完成對PICO384 IRFPA的程序控制和數據通信，以及驅動電機控制擋板進行非均勻校正等。③信號處理。將A/D轉換器采集的數字圖像信號依據焦平面輸出的同步時鐘時序要求進行處理和緩存等。④視頻合成。將經過處理緩存的圖像數據根據電視PAL制協(xié)議輸出，然后再經過外部D/A芯片編碼即可送到顯示器顯示。

外圍模塊主要包括A/D轉換器、SRAM、EPCS和D/A轉換器等。其中A/D轉換器選用ADI（Analog Devices，Inc.）公司的AD9240模數轉換芯片，用于將PICO384輸出的模擬視頻信號轉化為14位的數字信號輸送給FPGA。SRAM選用Cypress公司型號為CY7C1061AV33產品，容量為1M×16bit，用于緩存非均勻校正時存儲的一幀背景圖像數據。EPCS可用于上電時對FPGA的數據配置。D/A轉換器選用ADI公司的ADV7123芯片，可用于將FPGA處理后的圖像數據進行PAL制編碼輸出。

2.4 PICO384驅動程序設計

PICO384紅外焦平面驅動程序設計的關鍵部分主要是對I2C通信模塊的程序編寫。I2C為內部IC控制的雙向串行總線，是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準[8]。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在設計時需要依據焦平面的I2C讀寫通信協(xié)議和內部讀出集成電路控制寄存器各項參數設定的意義，編寫FPGA程序來配置焦平面內部寄存器，從而使得焦平面按照設定的參數值進入預期的工作狀態(tài)。

焦平面I2C通信的寫時序和讀時序分別如圖3和圖4所示。執(zhí)行寫操作時FPGA先向PICO384發(fā)送器件地址和寫命令，等待焦平面返回一個低電平應答信號，隨后FPGA再分別發(fā)送16位寄存器地址的高8位和低8位地址數據，之后就可以將8位的寄存器設定值數據寫入到指定的控制寄存器當中了，在此過程中，每次從FPGA向PICO384成功寫入一個8位數據后，PICO384會向FPGA返回一個低電平應答信號。執(zhí)行讀操作時前一部分與寫時序類似，也是先從FPGA向PICO384發(fā)送器件地址和寫命令，隨后發(fā)送地址數據，只是在發(fā)送完地址數據和接收到應答信號后就停止，然后再重新開始并發(fā)送器件地址和讀命令，就可以讀出和接收指定寄存器中的數據了。

PICO384 IRFPA內部單個寄存器的位寬指定為8位，可通過I2C串行接口與外部進行通信。所有的寄存器大體分為兩類：一類是只讀寄存器，其內部數據在出廠時已設定好，不能再次通過程序更改；另一類為可讀寫寄存器，可由用戶通過編程讀取和重新配置。其中只讀寄存器有：DACGFID，DACGSK_A，DACGSK_B，FEEDBACK，READ_ ONLY_A，READ_ONLY_B和READ_ONLY_C。讀取DACGFID寄存器內的數據就可用于計算GFID輸入端的偏壓設定值，讀取DACGSK_A和DACGSK_B寄存器內的數據則可用于計算GSK輸入端的偏壓設定值，相應的計算公式分別如式(1)、式(2)所示。其余的寄存器均為可讀寫寄存器，通過I2C通信對相應寄存器寫入數值，就可以設定焦平面的積分時間，窗口大小，掃描方式，行間間隔，幀間間隔，VBUS偏壓等參量。

表1 EP3C55F484器件邏輯資源

圖3 PICO384 I2C寫時序

GFID(V)＝0.01025 [DACGFID]＋0.777V (1)

GSK(V)＝0.00254×[DACGSK]＋0.416V (2)

在本設計中通過參照焦平面的I2C讀寫時序，完成了對I2C通信模塊的程序編寫，實現了對PICO384內讀出集成電路控制寄存器的讀寫操作。使用ModelSim仿真軟件對I2C程序模塊進行仿真，得到的波形如圖5所示。其中RD_WR_STATE為I2C讀寫狀態(tài)機，數值為1代表空閑狀態(tài)，數值為27代表停止狀態(tài)，表明對焦平面內部寄存器的配置操作已完成。當RD_WR_STATE數值為2～26時，表明當前正處于對焦平面內部各寄存器的讀或寫狀態(tài)。RD為高電平代表正對當前寄存器進行讀操作，WR為高電平代表正對當前寄存器進行寫操作。圖6為對圖5進行波形放大后顯示對單個寄存器的寫時序，此時RD_WR_STATE數值為7，RD為0，WR為1，正對寄存器地址為0×0050的 INTEGRATION_B寄存器寫入數據0111_0011，由波形圖可以驗證此程序模塊的功能得到了正確實現。

3 紅外成像結果

在正確配置好PICO384 IRFPA內部寄存器后，焦平面開始進入正常的工作狀態(tài)，在同步時鐘的時序約束下輸出模擬視頻信號，再經過AD9240采集轉化為14位寬的數字信號輸送給FPGA，FPGA依據焦平面輸出的3個同步時鐘：PSYNC，HSYNC和VSYNC對AD9240傳送過來的數據進行選擇性地接收并緩存連續(xù)的一幀圖像數據到內部雙口RAM中。如果此刻是處于電機帶動擋板進行單點非均勻校正模式下，還會同時將該情形下的一幀背景圖像數據存儲到外部SRAM中，以便之后用于實時的校正處理。之所以采用單點非均勻校正而不是兩點校正，是因為此種方式對FPGA的處理資源占用較低，且只需一片外部SRAM芯片，比較容易實現，同時也能獲得較好的圖像質量。

圖4 PICO384 I2C讀時序

圖5 I2C通信程序模塊的ModelSim仿真波形

圖6 圖5中單個寄存器的寫時序經放大后的波形

為了將緩存的紅外圖像數據以PAL制輸出顯示，需要依據PAL制協(xié)議在FPGA內編寫視頻合成模塊，產生時鐘信號，復合同步信號、復合消隱信號和有效數據輸出，并控制好各信號間的時序關系，然后經過ADV7123編碼成PAL制視頻流輸出，就可以連接到外部顯示器上顯示。在完成整個硬件系統(tǒng)的設計和軟件程序的開發(fā)后，最終獲得了清晰的紅外成像結果，如圖7所示。

圖7 PICO384 IRFPA成像顯示

4 幾個重要問題的探討

1）負載阻抗的匹配。根據PICO384用戶手冊要求，VIDEO模擬視頻輸出端的負載電阻要大于1MW，負載寄生電容要小于20 pF。為此，設計時在VIDEO模擬輸出端連接了一個由有源放大器構成的電壓跟隨器，滿足了參數要求。

2）積分時間的設定。由于一行的像素數為384個，行與行之間的間隔至少為17個PSYNC，總共有288行，幀頻50Hz，并且主時鐘MC頻率為像素時鐘頻率的2倍，所以MC的最小頻率值為：（384＋17）×288×50×2＝11.5488MHz，本系統(tǒng)設計中選擇的主時鐘頻率為11.56MHz，基本滿足每秒50幀的設計要求。此時的積分時間，當TINT（Integration time）≤(384－13)＝371個PSYNC時，最大為(371×2)/11.56＝64.2ms。當TINT＞371時，如果主時鐘不變，則此時破壞了每秒50幀的時序要求，不可行；如果提高主時鐘頻率（最大14MHz），則在各項約束下通過計算可獲得的最大積分時間為65.16ms。本系統(tǒng)在設計時設定TINT值為371，積分時間為64.2ms。

3）乒乓操作的棄用。本系統(tǒng)設計中，在FPGA內緩存了一幀紅外圖像數據，用于解決數據接收處理與外部PAL制讀出顯示不同步的問題。如果采用乒乓操作，在一個數據緩存模塊中緩存一行數據的同時讀取另一個數據緩存模塊中已緩存的一行數據，兩個緩存模塊交替進行讀寫，以流水線的方式工作，就可以大量節(jié)省FPGA內部的存儲空間，總共只需要緩存2行數據就可以替代緩存一幀共384行所占用的存儲空間。只是由于乒乓操作對焦平面工作時序和PAL制協(xié)議兩者協(xié)同工作有時序同步的要求，焦平面輸出一行數據的時間要與PAL制一行顯示的時間相同（為64ms），焦平面輸出幀間間隔也要對應于PAL制式的場消隱時間，在經過改變行間間隔和幀間間隔并進行計算推導后，排除了這種方案的可行性。

5 結論

通過對法國ULIS公司PICO384非制冷紅外焦平面進行研究，我們完成了整個硬件系統(tǒng)的設計和軟件程序的開發(fā)，實現從焦平面到熱像儀的完整的設計成型過程，并獲得了清晰的紅外成像結果。整個系統(tǒng)具有便攜式和低功耗的優(yōu)點，對熱像儀生產廠商而言具有一定的借鑒和實用價值。

[1] 蔡毅, 王嶺雪. 紅外成像技術中的9個問題[J]. 紅外技術, 2013, 35(11): 678-679.

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[3] Jean-Luc Tissot, Sébastien Tinnes, Alain Durand et al. High -performance uncooled amorphous silicon video graphics array and extended graphics array infrared focal plane arrays with 17-mm pixel pitch[J].,., 2011, 50(6): 061006.

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[6] 王誠. Altera FPGA/CPLD設計(基礎篇)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2005.

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[8] 夏宇聞. Verilog數字系統(tǒng)設計教程[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2008.

Research on Driving and Imaging Project of PICO384 Uncooled Infrared Detector

HU Shi-ming，CHEN Yi-xin

(&,,210094,)

Uncooled infrared focal plane thermal imager can be used to convert the human eye invisible infrared light signals into visible light images which has the advantages of eliminating the need for a cooling system, portable structure and low cost. A research is made on driving and imaging of PICO384 amorphous silicon（-Si） infrared detector which is a new product launched by the French company ULIS in 2012 with I2C interface and 17mm pixel pitch. The main work includes the hardware design and driver and imaging development based on FPGA, and ultimately achieves the expected goal of obtaining clear infrared images. This paper introduces the constitution of the hardware system in detail. The core module of driver program is described and verified by simulation. And finally several important problems in the process of software and hardware design are discussed.

PICO384，uncooled，infrared focal plane array，infrared imaging

TN215

A

1001-8891(2015)08-0680-05

2015-01-28；

2015-02-28.

胡仕明（1991-），男，湖南衡陽人，碩士，主要從事紅外成像、差分視頻傳輸技術的研究。E-mail：hsmnjust@sina.com。