一種基于FPGA的紅外探測器模擬器的設(shè)計

董常軍，王朝林

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009）

·圖像與信號處理·

一種基于FPGA的紅外探測器模擬器的設(shè)計

董常軍，王朝林

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009）

紅外探測器模擬器可以在多個場合代替探測器使用，可以減少價格高昂的紅外探測器不必要的損傷，因此具有很高的實用價值。本文介紹了一種以Xilinx公司FPGA芯片作為核心，配以D／A轉(zhuǎn)換器的紅外探測器模擬器的設(shè)計方法，給出了FPGA內(nèi)部的詳細(xì)設(shè)計，并對模數(shù)混合電路制版時的注意要點進(jìn)行介紹。

紅外探測器；FPGA；圖像生成；時序控制

1 引 言

在進(jìn)行紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)試與環(huán)境試驗過程中，需要紅外焦平面探測器提供圖像信息輸入。對紅外探測器長時間通電工作和多次重復(fù)進(jìn)行上電、下電操作，會對紅外探測器產(chǎn)生損傷，直接影響探測器的性能和使用壽命。因此有必要研制一種紅外探測器模擬器，可以模擬紅外探測器的輸出，生成滿足紅外制導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)試時需要的圖像，從而減少紅外探測器的通電時間和使用次數(shù)，延長其使用壽命。本文提出了一種基于FPGA的紅外探測器模擬的設(shè)計方法，單板即可模擬主流紅外焦平面探測器的基本功能。本紅外探測器模擬器對縮短紅外制導(dǎo)系統(tǒng)研制周期、降低成本以及提高效費比具有重要的作用，符合智能化、靈活、通用性的軍事電子裝備的發(fā)展潮流，具有很強的實用價值。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由單塊電路板實現(xiàn)。模式切換開關(guān)控制FPGA生成的圖像模式和模擬的探測器時序；FPGA在模式開關(guān)的控制下，模擬不同時序紅外探測器及不同紅外場景圖像生成功能，并根據(jù)D／A時序要求把數(shù)據(jù)發(fā)送給D／A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換；通過LVDS接口將圖像送到記錄設(shè)備用于調(diào)試與記錄分析。D／A芯片接收FPGA發(fā)送的數(shù)字圖像并轉(zhuǎn)換成模擬信號后送給后端的紅外成像信息處理系統(tǒng)。紅外探測器模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 FPGA內(nèi)部設(shè)計

FPGA是整個系統(tǒng)的核心部件，完成的功能有：時序控制、圖像生成、圖像模式切換選擇、LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送控制等。

2.2.1 時序控制模塊

典型紅外探測器的時序圖如圖2所示。時序控制模塊的功能是模擬探測器的時序，生成相應(yīng)的幀信號、行信號。探測器主時鐘由FPGA系統(tǒng)時鐘分頻得到。整個模塊的設(shè)計基于一個計數(shù)長度可調(diào)的計數(shù)器，根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果輸出行列時序信號，從而產(chǎn)生行列地址信號和幀信號。在該模塊的設(shè)計中，時序電路的主要參數(shù)如幀頻、主時鐘頻率、積分時間下降沿到圖像輸出的延遲時間、探測器有效行列數(shù)等都可以根據(jù)圖像模式切換控制模塊的輸入進(jìn)行配置，從而實現(xiàn)模擬多種探測器。積分時間信號由后端的紅外成像信息處理系統(tǒng)給出，并作為時序控制模塊計數(shù)器的復(fù)位信號，從而保證紅外探測器模擬器的時序與后端紅外成像信息系統(tǒng)的時序始終保持一致。

圖2 典型探測器時序圖

2.2.2 圖像模式切換控制模塊

為了提高紅外探測器模擬器系統(tǒng)的適應(yīng)性，模擬不同探測器的不同時序，設(shè)計了圖像模式切換控制模塊。不同時序的主要區(qū)別是幀頻、主時鐘頻率、積分時間長度、積分時間下降沿到數(shù)據(jù)輸出中間等待時間、有效圖像行列數(shù)（128×128或是320× 256）、行正程行逆程時間、探測器模擬數(shù)據(jù)輸出電平高低等。此模塊的設(shè)計有兩部分，一是外部的選擇控制信號，由一個8位的撥碼開關(guān)實現(xiàn)，高4位和低4位用來分別進(jìn)行時序選擇和圖像內(nèi)容選擇。撥碼開關(guān)高4位和時序選擇器相聯(lián)，可以譯出16種狀態(tài)，區(qū)分16種時序；低4位和圖像內(nèi)容選擇器相聯(lián)，也可以譯出16種狀態(tài)，區(qū)分16種不同圖像內(nèi)容。第二部分設(shè)計是FPGA內(nèi)部的選擇控制電路，由一個4位譯碼器和16選1選擇器組成。撥碼開關(guān)撥到不同的位置，就可以選擇不同的配置參數(shù)，即可實現(xiàn)不同時序、不同圖像內(nèi)容的切換，高效而簡潔。

2.2.3 圖像生成模塊

為了驗證紅外圖像處理軟件和制導(dǎo)系統(tǒng)的功能，紅外模擬探測器除了能給出一個穩(wěn)定的目標(biāo)及背景圖像之外，還要可以模擬一個或多個目標(biāo)在一定背景條件下的簡單運動的圖像，以此來驗證圖像截獲和跟蹤算法，以及制導(dǎo)回路的整體功能，因此設(shè)計了圖像生成模塊。因為圖像生成和探測器時序密切相關(guān)，因此圖像生成模塊和時序控制電路一起，受圖像模式切換控制模塊控制。在此模塊中，圖像的主要參數(shù)：目標(biāo)個數(shù)、目標(biāo)位置、目標(biāo)大小、目標(biāo)灰度、背景灰度、目標(biāo)的運動速度和軌跡等也都設(shè)計成可配置參數(shù)模式。根據(jù)模式切換控制模塊的選擇，選擇不同的目標(biāo)參數(shù)，就可以實現(xiàn)完成目標(biāo)位置、大小、灰度及運動特征等的設(shè)置，根據(jù)時序控制電路產(chǎn)生的圖像行列地址信息在相應(yīng)的位置根據(jù)需要進(jìn)行賦值處理即可。

2.2.4 D／A控制模塊

FPGA通過SPI串口與D／A轉(zhuǎn)換芯片MAX5201進(jìn)行通信。MAX5201有四個控制輸入端：SCLK（時鐘）、CS（單片選，低有效）、DIN（數(shù)據(jù)輸入）、LDAC（多片選，低有效），由于本設(shè)計只有一片DA芯片，因此設(shè)計片選信號（LDAC）始終為低，SCLK信號始終保持，由片選通CS信號控制操作。SPI的時序要求參見MAX5201器件手冊。

SPI串口實現(xiàn)的功能框圖如圖3所示。

圖3 SPI功能框圖

2.2.5 LVDS傳輸控制模塊

為了方便系統(tǒng)調(diào)試過程中圖像數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計了LVDS傳輸電路，將圖像數(shù)據(jù)傳輸給外置的圖像采集記錄設(shè)備。LVDS傳輸電路的設(shè)計，參考Xilinx公司參考設(shè)計手冊XAPP233的設(shè)計方法，16位數(shù)據(jù)通過并轉(zhuǎn)串移位寄存器進(jìn)行移位處理，通過DDR，將偶數(shù)位鎖存于傳送時鐘的上升沿，奇數(shù)位鎖存于傳送時鐘的下降沿。

LVDS電路功能框圖如圖4所示。

圖4 LVDS功能框圖

3 PCB制版與模擬電路設(shè)計

本系統(tǒng)雖然采用單板方式實現(xiàn)，系統(tǒng)并不復(fù)雜，但由于采用了FPGA及高速D／A，也是一個數(shù)模混合電路，并且頻率也較高，因此，在進(jìn)行PCB布線的時候，也有很多需要特別注意的地方。首先，在元器件布局時，考慮到將模擬電路器件和數(shù)字電路器件分開放置，模擬信號在在模擬區(qū)內(nèi)布線，數(shù)字信號在數(shù)字電路區(qū)域布線，這樣可以避免數(shù)字信號返回電流流入模擬信號的地。對于D／A轉(zhuǎn)換后的模擬信號，考慮到噪聲及干擾的影響，可以用一個AD8138進(jìn)行差分化處理。高頻的數(shù)字信號線盡可能的遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件。對于D／A、晶振這樣的混合器件，器件內(nèi)部同時有數(shù)字電路和模擬電路兩部分。推薦將AGND和DGND引腳在外部都連接到同一低阻的模擬地平面，而且引線要盡量短，任何DGND額外的阻抗都會通過寄生電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到器件內(nèi)部的模擬電路中。這樣會比把轉(zhuǎn)換器件的DGND管腳接到數(shù)字接地平面帶來的干擾要小得多。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在信號與地線之間并聯(lián)電容可以起到對高頻噪聲的旁路作用。一般旁路推薦使用0.01～0.1μF的陶瓷片電容，不僅能使芯片存儲能量，提供和吸收該芯片的電路關(guān)斷瞬間的充放能量，還能旁路過濾掉該器件的高頻噪聲成分。在電源輸入端加上一個10～100 μF的電解電容，可以抑制電源的噪聲干擾。使用電容器時應(yīng)該注意電容的引線盡量短，即讓電容盡可能地靠近芯片。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到某紅外成像系統(tǒng)的研制中，有效降低了價格高昂的紅外探測器的使用頻率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。采用該設(shè)計的紅外探測器模擬器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低、體積小等諸多優(yōu)點，在外圍電路不作任何改動的情況下，僅通過外置撥碼開關(guān)來就可以改變探測器模擬器的時序和圖像內(nèi)容，基本上能夠模擬多個廠家生產(chǎn)的主流紅外探測器。

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Design of infrared focal p lane array detector simulator based on FPGA

DONG Chang-jun，WANG Chao-lin
（China Airbornemissile academy，Luoyang 471009，China）

The infrared detector simulator can replace the detector onmany occasions，it can avoid unnecessary damage of the high cost infrared detectors，so it is of high practical value.Infrared detector simulator design is described，the simulator uses a Xilinx FPGA chip as the core together with the D／A converter.The detailed design of the FPGA is given，the keys of the hybrid circuit design and the layout are introduced.

infrared detectors；FPGA；image generation；timing control

TN216

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0204-03

董常軍（1981－），男，碩士，工程師，研究方向為紅外信息處理與FPGA設(shè)計。E-mail：changjund＠163.com

2013-06-27；

2013-07-09