基于嵌入式技術(shù)的紅外信號實時處理系統(tǒng)研究

張鵬濤

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

在對紅外參數(shù)進行探測時，可以應(yīng)用相關(guān)的紅外設(shè)備，它是一種參數(shù)傳感器，人們對其非常的重視。在這個科技迅速發(fā)展的時代，對紅外設(shè)備的應(yīng)用也在逐漸的擴大，同時，紅外信號的處理數(shù)據(jù)與紅外信號采樣速率息息相關(guān)，紅外信號的處理數(shù)據(jù)隨著采樣速率的提升在不斷增加，最終使得紅外信號的處理數(shù)據(jù)逐漸變得復(fù)雜。所以，在對紅外信號軟件的設(shè)計上就要嚴(yán)格要求，不僅要求相關(guān)數(shù)據(jù)的處理性能良好，在抗干擾性能方面也要加強。

1 嵌入式技術(shù)的紅外信號實時處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 紅外信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計

通過對紅外信號的轉(zhuǎn)換器進行設(shè)計，對紅外信號的處理能力有所提高。在嵌入式技術(shù)背景下，紅外信號以0.983Gb/s的串行方式傳輸，對紅外信號解碼之后，將5位差分的信號發(fā)送至嵌入式設(shè)備中[1]。在紅外信號轉(zhuǎn)換器接收后，將5位轉(zhuǎn)換為20位的紅外信號。經(jīng)過處理后，它會生成一系列的紅外信號數(shù)據(jù)，通過紅外信號模塊對紅外信號進行檢測后，再對其進行處理。

為了能夠?qū)t外信號進行處理，系統(tǒng)中必須將紅外信號處理成20bit，輸入到嵌入式設(shè)備的紅外信號解碼芯片為5bit。利用嵌入式技術(shù)設(shè)計紅外信號轉(zhuǎn)換器，才可以將紅外信號從5bit轉(zhuǎn)換為20bit。

紅外信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計有采樣時鐘、計數(shù)器設(shè)計。紅外信號解碼芯片以150.2MHz的頻率傳輸?shù)角度胧皆O(shè)備中，因此，在時鐘周期內(nèi)，通過上升及下降沿對紅外信號所發(fā)射的數(shù)據(jù)進行收集[2]。在對紅外信號轉(zhuǎn)換器進行設(shè)計時，紅外信號在上升沿進行收集，采樣頻率為301MHz，差分時鐘在發(fā)送紅外信號的同時被發(fā)送到嵌入式設(shè)備。因此，紅外信號轉(zhuǎn)換器的時鐘可以利用幀時鐘進行獲取。

1.2 紅外信號預(yù)處理電路設(shè)計

因紅外信號的轉(zhuǎn)換電壓在-10V至+10V之間，所以要對紅外信號的幅度進行有效的調(diào)整并做預(yù)處理，滿足紅外信號預(yù)處理電路設(shè)計的相關(guān)要求，在一定程度上提高紅外信號預(yù)處理的效率。紅外信號之間的分壓、運算放大器和多路開關(guān)的選擇功能可以通過紅外信號預(yù)處理電路進行實現(xiàn)。

為了提高紅外信號的處理能力，通過轉(zhuǎn)換器的設(shè)計提高紅外信號的處理能力，將紅外信號從5bit轉(zhuǎn)換為20bit對紅外信號進行轉(zhuǎn)換設(shè)計，在紅外信號預(yù)處理之前，控制紅外信號電路的電壓，根據(jù)運算放大器電路的原理，對紅外信號的傳輸途徑分析，使得紅外信號預(yù)處理電路的設(shè)計以及相關(guān)硬件的優(yōu)化得以實現(xiàn)。

2 基于嵌入式技術(shù)的紅外信號實時處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 識別紅外信號

在紅外信號處理前要對紅外信號進行識別，并將其存儲在模板庫中，以防止信號丟失，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，獲得原始的數(shù)據(jù)[3]。信號采集系統(tǒng)在識別中獨立完成紅外目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)到讀取的全過程。

信號采集系統(tǒng)具有速度快和容量大以及精度高的特點。在對紅外信號的狀態(tài)進行分析時，手動輸入紅外信號的相對參數(shù)[4]。紅外信號的識別有三個階段，即對紅外信號的本身屬性進行區(qū)分，對紅外信號的種類進行區(qū)分以及對紅外信號的區(qū)分。

在紅外信號識別的初級階段要對紅外信號預(yù)處理，加快紅外信號的處理速度，在對強度進行歸一化處理后存儲在數(shù)據(jù)庫中，并在數(shù)據(jù)庫中提取的信號特征存儲在模板庫中。

2.2 實時處理紅外信號

要想獲得信號反射能量，就要充分利用嵌入式技術(shù)對紅外信號進行多個處理，以此提升紅外信號處理能力。回波幅度以及回波的相位信息都是紅外信號的處理信息，以N來表示紅外信號發(fā)射的脈沖數(shù)，在特定的時間區(qū)域內(nèi)，可以利用式（1）對紅外信號的N個脈沖進行累加。紅外信號為動態(tài)狀態(tài)時，此公式不能用于信號反射發(fā)生頻移情況中：

當(dāng)紅外信號的距離出現(xiàn)變化時，式（1）將不在適用，而紅外信號產(chǎn)生的頻率也在變化，如式（2）所示：

式中，λ是紅外信號的波長，v表示紅外信號運動速度，fd為紅外信號的頻移。

通過對頻移值的符號來判斷紅外信號的移動方向。因為紅外信號的頻移較之紅外信號的發(fā)送頻率小，所以對脈沖的反射數(shù)據(jù)不能進行有效的區(qū)分。通過脈沖相位變化的規(guī)律性提升紅外信號的分辨效率，在一定程度上也可以對脈沖相移進行監(jiān)視。

總之，通過嵌入式技術(shù)對紅外信號預(yù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中紅外信號的不同特征存儲在模板庫，對紅外信號進行有效的識別[5]。紅外信號在對N個紅外信號脈沖累加處理后得到了頻率，在紅外信號處理的過程中對紅外信號也進行了實時處理，紅外信號處理系統(tǒng)的軟件的得到了進一步的完善。

3 仿真測試

3.1 實驗環(huán)境部署

測試環(huán)境集成平臺為嵌入式仿真平臺，通過抵抗惡劣環(huán)境對中央處理單元、主機和平臺下的處理器板進行加固。使用Inteli8－964387MR中央處理器，總內(nèi)存為32G，視頻內(nèi)存為2G。

3.2 測試過程分析

仿真測試對紅外信號的實時處理能力進行評估。使用中央處理器平臺對紅外信號進行處理，將處理結(jié)果與傳統(tǒng)的處理系統(tǒng)進行比較，從整體上完成對系統(tǒng)的評估。過程如下：

第一步：對紅外信號壓縮和特征識別以及處理模塊進行實時處理及切割；

第二步：利用嵌入式技術(shù)預(yù)先在中央處理器平臺上實現(xiàn)紅外信號處理流程，將每個模塊的結(jié)果保存為文本文件并存儲；

第三步：在紅外信號處理時加入驗證模塊，對測試的結(jié)果與傳統(tǒng)的處理結(jié)果進行比較，在模塊通過后進入下一個模塊；

第四步：將最終的處理信號與傳統(tǒng)的處理信號進行比較；

第五步：將比較的結(jié)果進行記錄，并對結(jié)果進行統(tǒng)計與分析。

3.3 測試結(jié)果分析

如圖1。通過對圖進行分析，當(dāng)紅外信號小于200Hz時，文獻［1］與嵌入式處理系統(tǒng)的耐壓值基本相同，但是，耐壓值在紅外信號識別頻率增加時，其上升的幅度在緩慢增加，在識別頻率為700Hz時，紅外信號的耐壓值變化的幅不大[6-7]。紅外信號由嵌入式技術(shù)處理系統(tǒng)處理后，紅外信號耐壓值隨識別頻率的增加而持續(xù)上升，在達到1000Hz識別頻率時，文獻［1］處理系統(tǒng)的紅外信號耐壓值為23V，嵌入式處理系統(tǒng)的紅外信號耐壓值達到了48V，由此可知，嵌入式處理系統(tǒng)的處理能力更強。

圖1 紅外信號耐壓值對比曲線

在信號處理量與處理時間下，將本文中的方法和文獻［1］方法進行比較。比較結(jié)果見圖2。

圖2 處理速度對比結(jié)果

從圖2可以看出，在100至600的信號處理量下，本文方法較之文獻［1］方法的處理時間更長，由此可知本文方法在信號處理方面效果更佳，可以在實踐中應(yīng)用。為使實驗的迭代次數(shù)能夠增加，實驗的數(shù)據(jù)能夠精準(zhǔn)，對本文方法和文獻［1］方法的處理精度進行比較，即處理點擬合，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過本文方法和文獻［1］方法的處理精度對比結(jié)果，在100至300個擬合點下，文獻［1］中的擬合度相對于本文方法的擬合程度低，由此可知，本文方法在不同的擬合點數(shù)量中的處理效果更好，并且嵌入式技術(shù)的作用是顯著的。

4 結(jié)語

紅外設(shè)備是可以檢測紅外目標(biāo)參數(shù)的重要參數(shù)傳感器。科技的發(fā)展推動了紅外設(shè)備的應(yīng)用，而通過紅外信號處理的數(shù)據(jù)隨采樣率的提高而增加，這就對紅外信號實時處理系統(tǒng)提出了更高的要求。在嵌入式技術(shù)的背景下對紅外信號實時處理進行研究，通過對硬件與軟件的設(shè)計完成紅外信號處理設(shè)計，達到嵌入式技術(shù)應(yīng)用于紅外信號處理的目的。