一種USB接口的非制冷紅外機芯設計

白龍溫，賈 銘

(1.天津機電職業技術學院 電氣學院，天津 300401；2.河北工業大學 電信學院，天津 300401)

非制冷紅外焦平面探測器憑借價格低、體積小、操作方便等優勢在民用紅外成像領域應用越來越廣泛[1]。特別是以紅外成像為基礎的非接觸紅外測溫方法，相對于傳統的電子體溫計或者紅外體溫槍，具有速度快，精準度高，結合在PC機的人工智能算法可實現人群快速測溫，在新冠疫情防控中得到了廣泛關注[2]。本文結合USB總線傳輸速度快、應用廣、支持熱插拔等優點，設計了一種基于USB接口的非制冷紅外成像機芯，使用ULIS公司Pico384非制冷紅外焦平面探測器，以FPGA和USB3.0接口芯片作為核心，給出了總體設計圖。并針對紅外探測器要求低噪聲的特點，設計了關鍵硬件和USB接口相關軟件的設計。

1 總體設計

整機系統包括探測器控制模塊、信息處理模塊和電源接口模塊三部分，分別位于3塊獨立的電路板上，板間通過高速連接器進行信號傳輸。整體框圖如圖1所示。

紅外焦平面探測器Pico384的像素分辨率為384*288，像素尺寸17 μm，采用IIC接口通信，總功耗<65 mW[3]。FPGA為Altera公司CycloneV系列 5CEFA4F17I7，內嵌DDR硬件控制器，USB芯片為Cypress公司EZ-USB FX3系列CYUSB3014，內部集成AMR9處理器和高度靈活的可編程數據接口GPIF II，支持USB3.0并向下兼容USB2.0，其傳輸速度達5 Gbps。

紅外探測器供電后，接收到主時鐘和FPGA發出的IIC配置信號開始啟動，并輸出原始模擬視頻信號以及像素時鐘(PSYNC)、行同步(HSYNC)和幀(VSYNC)同步等數字信號。同步數字信號直接進入FPGA，而原始模擬視頻信號則經低噪聲信號調理電路濾波放大轉成差分信號，經高精度高速低噪聲ADC完成數據轉換成數字量后進入FPGA內部處理緩存，FPGA根據同步信號對該緩存數據調整接收并存儲為一幀圖像數據.隨后圖像數據經過非均勻性矯正、壞元替代等處理算法后，向USB芯片的GPIF II口傳輸數據，USB芯片打包數據并向PC端傳輸，PC端解碼后獲取圖像數據。

2 關鍵硬件設計

紅外成像過程中過多的噪聲將直接影響紅外圖像質量，大大減少紅外圖像測量的精度。ADC采樣電路之前的模擬部分更容易引入噪聲，為此設計合理的低噪聲探測器供電電路、信號調理和ADC電路將顯得尤為重要。

2.1 探測器低噪聲供電設計

Pico384焦平面需要數字電壓VDD 1.5 V、模擬電壓VCC 3.6 V、模擬偏置電壓VSK固定3.6 V(最大電流1 mA)輸入，以及可調的模擬偏置電壓GSK(調整范圍：1.7～3.6 V)和GFID(調整范圍：1～2.9 V)[3]。傳統方法為DC/DC或LDO直接供電，這種方法易引入開關噪聲或輸出噪聲無法達到很低的水平，本文采用高輸出電流的運算放大器供電，運算放大器具有較高電源抑制比和較低的輸出噪聲。GSK和模擬電壓VCC 3.6V設計電路如圖2所示。

2.2 低噪聲信號調理和ADC電路設計

Pico384輸出的模擬視頻信號易受干擾以及幅值不在ADC的輸入范圍以內，需要通過信號調理進行濾波、調幅、轉換等。根據系統性能以及成本等綜合考慮，ADC選擇AD6645-80，其具有14位采樣精度，2.4 V參考源輸出，80 MSPS(Million Samples per Second，每秒采樣百萬次)的采樣速率，信噪比75 dB。整個電路分為如圖3所示兩個部分[5]。

模擬視頻信號的頻率為13.5 MHz，幅值為0.5～2.9 V (電壓峰峰值為2.4 Vpp)，而ADC芯片AD6645-80的差分輸入范圍為2.2 Vpp，故信號調理模塊完成單端信號轉換成差分信號的功能，并縮小放大倍數為0.916倍。配置增益電阻值如圖2中RF和RG所示，其中R1為單端匹配電阻用以減少信號反射引起的失真，R2為補償環路增益電阻[3]。差分信號經直流耦合輸入ADC差分輸入管腳，其中RF和CF構成低通濾波器.

下邊考慮信號調理模塊中運放ADA4937的輸入噪聲和ADC輸入時鐘的時鐘抖動對ADC信噪比的影響.

式中：FSR為ADC芯片AD6645滿量程輸入[4]。SNR為ADC芯片AD6645的信噪比。

運放ADA4937和ADC芯片AD6645本身噪聲疊加后為146 μV，可得最終信噪比為74.5 dB，則信號調理電路選用運放ADA4937，對ADC的噪聲影響是很小的。

ADC的信噪比還受輸入ADC的時鐘抖動(Jitter)的影響，分析過程如下所示。

SNR=-20log10(2×pi×fin×JitterTotal)

(1)

(2)

式中：SNR為ADC芯片AD6645的信噪比；fin為被采樣信號的輸入頻率；JitterTotal為對ADC芯片AD6645信噪比產生影響的時鐘總體抖動；JitterApeture為ADC芯片AD6645的孔徑抖動；JitterExt_clock為外部時鐘發生器提供的時鐘抖動。

據上文數據知：fin=13.5 MHz，SNR=74.5 dB，孔徑抖動取JitterApeture=0.1 ps，根據上述公式計算的外部輸入時鐘Jitterext_clock<2.09 ps，則外部時鐘發生器提供的采樣時鐘要滿足此要求[8]。

3 USB接口相關的軟件設計

USB接口相關的軟件根據功能分工分為三個部分：FPGA固件設計、CYUSB3014的固件設計以及上位機驅動軟件設計。FPGA 固件在Altera公司的Quartus II 13.1開發環境中編譯和調試，采用Verilog語言編寫，實現了圖像數據幀頭打包傳輸和USB接口控制。CYUSB3014的固件是USB設備開發中的最重要的部分，就是對CYUSB3014內部的ARM芯片編程進行各種寄存器的配置過程，在Eclipse開發環境中進行編譯和調試，采用C語言編寫，實現了GPIF II和DMA通道的開發設計.上位機驅動軟件在開發環境為QT，采用C++編寫，實現USB傳輸圖像數據的接收解碼和顯示。

3.1 FPGA固件設計

如圖4所示為CYUSB3014的GPIF II接口和FPGA的硬件連接，CYUSB3014配置成Slave FIFO模式，與普通FIFO功能一樣，有讀寫控制、線程地址以及“讀空”“寫滿”標志位等信號，FPGA檢查和控制這些信號與GPIF II接口進行數據交互。

FPGA內USB接口控制狀態機的設計如圖5所示，狀態數為6個，分為讀取上位機指令和寫數據兩部分，包括讀取線程0(線程地址為ADDR=′00′)的指令到對應的控制器寄存器組，以及FPGA內部FIFO中的數據寫入線程1(線程地址為ADDR=′01′)當中，工作流程如下：

1)狀態機復位后進入IDLE狀態，清零各個使能位。

2)判斷線程0有上位機指令(Read_Empty=′0′)后，進入READ_0準備讀取控制指令，并在READ_1中讀取指令存儲到控制器中，回到IDLE狀態。當線程0沒有指令并且FPGA內部 FIFO緩沖的數據大于n時，進入WRITE_0準備向線程1寫入數據.此時若線程1沒有寫滿(Write_Full=′0′)，進入WRITE_1并讀取FPGA內部FIFO 的n個數據，寫入GPIF II接口，否則進入WRITE_2，清零使能位并返回IDLE狀態[7]。

為保證圖像數據準確識別，FPGA在每幀圖像數據的幀頭和行頭添加標識符，以表示每幀和每行的起始點，然后和圖像數據打包成新圖像數據傳到PC，以便PC根據標識符正確解析圖像數據顯示[9]。

3.2 CYUSB3014固件設計

CYUSB3014的固件程序主要包括系統初始化、應用程序初始化等，通過配置GPIF II接口和DMA通道開發，實現了FPGA和PC的高速數據傳輸和PC端控制指令下發。GPIF II接口配置為SLAVE FIFO模式與FPGA實現無縫銜接，為實現管理USB和GPIF II口之間的數據傳輸的DMA通道的功能，引入了P Socket(生產插座)和C Socket(消耗插座)可方便配置DMA傳輸。

固件初始化流程包括：器件初始化，包括器件Cache配置，IO管腳配置，初始化OS并開始OS定時，函數CyFxApplicationDefine()會被FX3庫自動調用來開始應用程序。

應用程序初始化主要包括兩部分：GPIF II和USB初始化，其中USB初始化包括Endpoint初始化、P Socekt和U Socekt、DMA配置、FLAG標志位設置等。

固件中主要完成2個數據通道的配置工作：

1)圖像上傳的通道，USB配置成C Socket，對應Endpoint3，GPIF II配置成P Socket，對應線程01。

2)指令下發通道，USB配置成P Socket，對應Endpoint1，GPIF II配置成S Socket，對應線程00。

3.3 上位機驅動軟件設計

Cypress公司的CyAPI提供了簡單又功能強大的調用接口，只需在QT上位機應用程序中加入頭文件CyAPI.h和庫文件CyAPI.Lib即可調用相應控制函數，大大減少了開發周期。上位機的驅動流程如圖6。

PC端在獲取圖像數據后，通過檢查幀頭和行頭的標識符確定每幀和每行的開始，并將每行的圖像數據放到緩沖區相應位置，當獲取一整幅圖像轉成8 bit并調用QPixmap顯示.由于各行獨立，當某行數據丟失后，該行將不能正確顯示，但不會影響整體顯示效果[11].在上位機添加偽彩色處理后整體的顯示效果如圖7所示。

4 結論

USB接口應用廣泛，尤其是CYPRESS公司的FX3系列USB3.0控制器CYUSB3014，接口簡單，開發方便，極大地提高了系統可靠性.本文研制的非制冷紅外機芯實現了384*288分辨率、25幀的圖像傳輸，并通過實驗驗證了機芯的穩定性和可靠性。由于本機芯采用模塊化設計，修改探測器控制模塊可適應不同探測器，具有很強的擴展性，可作為一種通用USB接口的非制冷紅外機芯平臺。