基于SoC的实时红外图像高速通道设计与研究

摘要

随着红外传感器品质及其应用目标的不断提高，要求热像仪中信息处理部件---红外图像高速通道性能与之匹配。信息技术的飞速发展为高速通道性能的提高提供了广阔前景。SoC(System on Chip，片上系统)强调软硬件协同信息处理，充分发挥硬件实时处理和软件功能灵活的优势，提高系统整体性能。
　　 针对红外图像高速通道输入、处理和输出三个部分，设计了同步接口状态机、数据处理逻辑和伪彩色显示三大模块。设计将传统的用户硬联逻辑嵌入到SoC系统中，以Altera SOPC为原型实现了红外图像采集、处理与显示。并在此基础上提出红外图像高速通道模型描述，使红外通道设计提高到设计学的高度。
　　 同步接口作为红外图像高速通道的前端，接收传感器输出信号，完成输入的转换与解码。有两种方式实现视频数据同步采集：方式一为同步A/D采集，完全由用户逻辑控制，特点是设计灵活；另一方式则是利用视频编解码器的中间结果，通过状态机提取同步数据，优点是兼容性好。编解码器通过I2C总线与配置文件，使得逻辑功能与配置参数分离，HDL(Hardware Description Language，硬件描述语言)设计代码维护更加容易。同步状态机的四个核心进程---水平消隐、垂直消隐、水平计数和垂直计数是整个高速通道数据处理基础。
　　 数据处理逻辑接收同步接口状态机转换的传感器数据，对其进行缓存、传输和处理，以期提高数据信噪比和改善图像质量。它包括数据缓存、总线胶合和特征数据处理三个主要模块。数据缓存采用了双口RAM和帧行FIFO两种形式。双口RAM是采集接口和CPU共享数据资源的一个有效且成熟的构架，将用户逻辑与双口逻辑有机融合，与传统双口RAM相比具有更加灵活的总线协议接口。利用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)片上RAM，提出了帧缓存和行缓存方式以适合不同的系统构成。采用PLD(Programmable Logic Device，可编程逻辑器件)技术的胶合逻辑能够适配多种CPU总线，通过更新其中的逻辑编程以满足不同的系统构架。十字线点温测量硬联逻辑作为数据测量的基本功能，是红外检测的基础。
　　 热像显示是SoC实时红外图像高速通道最终输出结果，一方面提供被测目标客观特征数据，同时也向用户展示可视化温度分布信息，直观全面地了解对象，有助于现场诊断。采用伪彩色图像增强SoC技术在功能上实现了检测数据可视化，在效率上做到了热像实时显示。设计分为两个层次：底层由“数据位直联”和“RAM调色板”逻辑模块完成数据到色彩的基本映射关系；然后通过Altera Nios嵌入式处理器和Avalon片上总线在SoC层实现了伪彩色显示。用户逻辑模块封装体现了IP Core(Intellectual Property Core，知识产权核)再使用原则，充分保护设计投资。
　　 借鉴UML(Unified Modeling Language，统一建模语言)和Petri网建模理论，提出了红外高速通道模型，据此建立了红外图像处理系统高速通道的双FIFO缓存工作模式状态图模型和Petri网模型HDL描述。
　　 研究概述了当前主流设计模式，并给出作者研发的多个模型性能结果。其主要创新点在于：采用SoC技术设计红外图像高速通道，保证信号采集、数据处理和信息显示的实时性；充分利用PLD片上可编程资源，建立了逻辑双口RAM和多FIFO行缓存灵活机制的红外图像高速通道存储构架；运用嵌入式处理器Nios“用户定制指令”和“Avalon模块”手段作为处理关键算法的有效手段，实现红外图像伪彩色实时显示；借鉴UML与Petri网丰富的模型语义提出红外图像高速通道模型规约，保证了较高的抽象层描述的正确性。
　　 最后，根据作者主持的研究课题列出三类红外高速通道的性能结果，揭示了各自特性。即(1)SoC技术采用HDL逻辑功能描述、片上处理器软硬件协同开发模式实现数据实时处理；(2)PLD接口通过其强大的硬件功能作为接口或桥拓展CPU I/O，完成数据的采集与显示；(3)集成电子在原有系统的基础上，整合分散的电子硬件功能，实现系统集成化、小型化。展望未来，掌握SoC设计理念，采用可执行模型描述设计方法学，将ADL(Architecture Description Language，系统结构描述语言)、ASIP(Application Specific Instruction Processor，专用指令集处理器)等先进技术融入系统实现，使红外高速通道性能产生质的飞跃！