基于FPGA的新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統

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設計方案和難點加以闡述，然后對系統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合的辦法，實現了對場景目標的紅外圖像模擬，它在軍事、航空航天、農業、地質、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設計方案

硬件設計方案。紅外熱像儀視頻輸出模擬系統可以被分成三個子系統，分別是：圖像產生子系統，圖像傳輸子系統，視頻圖像輸出子系統。圖像產生子系統的功能是重放已錄制的真實紅外圖像或者現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。而現場合成模擬紅外圖像需要其他系統通過網絡提供紅外小目標在世界坐標系中的三維坐標。圖像傳輸子系統的功能是將真實或模擬的紅外圖像以DMA的方式傳輸到視頻輸出子系統。視頻圖像輸出子系統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據信號。

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。能實現讀取視頻數據，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能將網口傳輸的8bit視頻數據，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”功能，能將測溫系統標定的系數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節。

1.2基于FPGA新型嵌入式紅外熱像儀模擬系統設計難點

Windows操作系統是一款微內核、軟實時、搶占式多任務的操作系統。本系統的應用程序運行在Windows的用戶模式下，而驅動程序運行在Windows的驅動模式下。顯然，包含了中斷的驅動程序線程的優先級要高于應用程序線程的優先級，二者處理數據的速度是不一致的。本系統的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機的數據處理速度不定，而PCI擴展卡的數據處理速度一定，為了保證紅外熱像儀視頻輸出模擬器連續輸出視頻圖像幀，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軟硬件設計

為了適應系統在特殊環境下的應用，此設計要求接口穩定性好，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境。對于電路板，為便于系統組裝，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，五塊單端轉差分的芯片AM26LS31，一塊并行轉串行的芯片DS90CR215，以及相關配置芯片等。

紅外熱像儀視頻輸出模擬器系統中的圖像產生子系統、圖像傳輸子系統均屬于軟件設計。將實現圖像產生子系統的程序命名為應用程序，將實現圖像傳輸子系統的程序命名為驅動程序。由于Windows操作系統擁有豐富的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平臺應用程序開發環境。其中的VS2010是基于Windows操作系統的可視化編程工具，具有執行速度快，封裝度高，功能強大，運行穩定，對操作系統的訪問權限高等優點，所以紅外熱像儀視頻輸出模擬器的應用程序采用了VS2010作為軟件開發工具。根據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）發行的跨平臺計算機視覺庫（OpenSource Computer Vision Library）。OpenCV是由一系列C函數和C++類構成的，它可以實現圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。

Windows驅動模型的英文縮寫是WDM（Windows Driver Model），它是Microsoft開發的一種驅動程序模型，用于Win32設備。WDM通過模塊化的、分層次類型的微型驅動程序結構，降低了驅動程序開發時的復雜性。此外，WDM還擁有支持通用總線、協議或設備所需的功能性接口，這使得操作系統可以動態地配置不同的驅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核模式中的驅動程序通信時，應用程序會發出I/O請求，操作系統會將I/O請求轉化為相應的IRP，不同類型的IRP會被傳遞到不同的派遣函數中。

3結語

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的硬件或軟件部分的代碼即可，這不難實現。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需求自行選擇。

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