滿春

摘 要：紅外熱像儀在軍事和民用領域的應用越來越廣泛。鑒于紅外熱像儀在科研工作中的必要性及其自身的高消耗性，紅外熱像儀視頻輸出模擬器應運而生。本文主要就基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設計方案和難點加以闡述，然后對系統(tǒng)的軟硬件設計詳細探究。

關鍵詞：FPGA；嵌入式；紅外熱像儀

紅外熱像儀視頻輸出模擬器利用軟硬件結(jié)合的辦法，實現(xiàn)了對場景目標的紅外圖像模擬，它在軍事、航空航天、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象等多個領域，具有理論研究價值和實用價值。與外場試驗方法相比，使用紅外熱像儀視頻輸出模擬器不僅能節(jié)約大量的試驗費用，而且它還可以按照使用者的需求，合成模擬的紅外圖像。

1基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設計方案和難點

1.1基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設計方案

硬件設計方案。紅外熱像儀視頻輸出模擬系統(tǒng)可以被分成三個子系統(tǒng)，分別是：圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)，圖像傳輸子系統(tǒng)，視頻圖像輸出子系統(tǒng)。圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)的功能是重放已錄制的真實紅外圖像或者現(xiàn)場合成模擬紅外圖像。其中已錄制的真實紅外圖像被保存在PC機的硬盤中。而現(xiàn)場合成模擬紅外圖像需要其他系統(tǒng)通過網(wǎng)絡提供紅外小目標在世界坐標系中的三維坐標。圖像傳輸子系統(tǒng)的功能是將真實或模擬的紅外圖像以DMA的方式傳輸?shù)揭曨l輸出子系統(tǒng)。視頻圖像輸出子系統(tǒng)的功能是將紅外圖像按照紅外熱像儀的信號形式輸出。紅外熱像儀的信號形式是指并行或串行差分輸出像素時鐘信號、場同步信號、行同步信號以及圖像數(shù)據(jù)信號。

PC機操作軟件設計方案。PC機操作軟件是計算機操作界面的控制窗口。能實現(xiàn)讀取視頻數(shù)據(jù)，顯示圖像，存儲圖片和打開圖片，分析圖像像素點的灰度值等功能。具體功能有如下幾點：①設置有“打開設備”和“關閉設備”功能，操作軟件能與機芯設備建立連接，能控制設備的打開與關閉；②能將網(wǎng)口傳輸?shù)?bit視頻數(shù)據(jù)，在操作界面實時顯示成灰度圖像；③設置有“保存圖像”功能，能將獲取的某個時刻的灰度圖像保存為圖片；④設置有“打開圖像”功能，能將保存的灰度圖像進行打開操作；⑤設置有“溫度參數(shù)”功能，能將測溫系統(tǒng)標定的系數(shù)輸入到操作軟件中進行測溫的實時校正；六、能進行顯示灰度圖像的亮度和對比度的手動調(diào)節(jié)。

1.2基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)設計難點

Windows操作系統(tǒng)是一款微內(nèi)核、軟實時、搶占式多任務的操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)的應用程序運行在Windows的用戶模式下，而驅(qū)動程序運行在Windows的驅(qū)動模式下。顯然，包含了中斷的驅(qū)動程序線程的優(yōu)先級要高于應用程序線程的優(yōu)先級，二者處理數(shù)據(jù)的速度是不一致的。本系統(tǒng)的PCI擴展卡上集成的PCI芯片、FPGA芯片的輸入時鐘都是由同一晶振提供的，所以PCI擴展卡的速度是確定的。由于PC機的數(shù)據(jù)處理速度不定，而PCI擴展卡的數(shù)據(jù)處理速度一定，為了保證紅外熱像儀視頻輸出模擬器連續(xù)輸出視頻圖像幀，采用了硬件控制軟件的方法。

2基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統(tǒng)軟硬件設計

為了適應系統(tǒng)在特殊環(huán)境下的應用，此設計要求接口穩(wěn)定性好，抗震，抗高溫等干擾能力強，以適應野外高溫照射及復雜的電磁環(huán)境。對于電路板，為便于系統(tǒng)組裝，其尺寸也有具體要求。視頻輸出卡上集成了一塊PCI芯片PLX9054，一塊由ALTERA公司生產(chǎn)的型號為EP1C6Q240C8的FPGA芯片，兩塊大小為128K*16的RAM芯片ISSI-IS61LV12816L，五塊單端轉(zhuǎn)差分的芯片AM26LS31，一塊并行轉(zhuǎn)串行的芯片DS90CR215，以及相關配置芯片等。

紅外熱像儀視頻輸出模擬器系統(tǒng)中的圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)、圖像傳輸子系統(tǒng)均屬于軟件設計。將實現(xiàn)圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)的程序命名為應用程序，將實現(xiàn)圖像傳輸子系統(tǒng)的程序命名為驅(qū)動程序。由于Windows操作系統(tǒng)擁有豐富的WIN32應用程序接口，并且可以運行多種應用程序、支持多種開發(fā)工具，所以紅外熱像儀視頻輸出模擬器的軟件部分運用在Windows平臺上。

VisualStudio是微軟公司推出的目前最流行的Windows平臺應用程序開發(fā)環(huán)境。其中的VS2010是基于Windows操作系統(tǒng)的可視化編程工具，具有執(zhí)行速度快，封裝度高，功能強大，運行穩(wěn)定，對操作系統(tǒng)的訪問權(quán)限高等優(yōu)點，所以紅外熱像儀視頻輸出模擬器的應用程序采用了VS2010作為軟件開發(fā)工具。根據(jù)應用程序的功能模塊級流程圖可知，視頻合成線程可以被劃分為合成圖像模塊、圖像傳輸模塊和視頻播放模塊。

為了降低編程難度，合成圖像模塊運用了OpenCV庫。OpenCV是一個基于（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫（OpenSource Computer Vision Library）。OpenCV是由一系列C函數(shù)和C++類構(gòu)成的，它可以實現(xiàn)圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。

Windows驅(qū)動模型的英文縮寫是WDM（Windows Driver Model），它是Microsoft開發(fā)的一種驅(qū)動程序模型，用于Win32設備。WDM通過模塊化的、分層次類型的微型驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，降低了驅(qū)動程序開發(fā)時的復雜性。此外，WDM還擁有支持通用總線、協(xié)議或設備所需的功能性接口，這使得操作系統(tǒng)可以動態(tài)地配置不同的驅(qū)動程序模塊來支持特定的設備。當Windows用戶模式中的應用程序和內(nèi)核模式中的驅(qū)動程序通信時，應用程序會發(fā)出I/O請求，操作系統(tǒng)會將I/O請求轉(zhuǎn)化為相應的IRP，不同類型的IRP會被傳遞到不同的派遣函數(shù)中。

3結(jié)語

總而言之，目前該紅外熱像儀視頻輸出模擬器的幀頻是50Hz、紅外圖像大小是320*256，若試圖改變模擬器的幀頻、圖像大小，只需對應修改該系統(tǒng)的硬件或軟件部分的代碼即可，這不難實現(xiàn)。但是，在以后的設計中可以考慮，將幀頻、圖像大小等信息設置成可選擇的，從而使用戶可以在用戶界面中根據(jù)需求自行選擇。

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