基于FPGA的非制冷型红外热像仪系统硬件设计

摘要

非制冷型红外焦平面具有体积小，功耗低，价格低，不需要制冷机系统的特点，非制冷型的小型化红外热成像仪已经广泛应用于军事，工业和民用的各个领域，迅速成为国内外研究的热点。
　　本课题以法国ULIS公司17um工艺的UL04472非制冷型红外焦平面探测器作为核心器件，以altera公司的带硬核处理器的Cyclone V SoC作为主芯片，设计了整机功耗<2.5W，电路板面积仅为28x28(单位mm)，接口和功能模块可扩展的硬件平台。通过大量方案的比较，确定了FPGA+HPS+MCP的核心架构。首次将带有硬核处理器（HPS）的SOC方案应用于设计，有效提升了整机性能，使得本平台可以运行 linux系统，实现TF卡存储、网络传输、智能分析等高级功能。以前这些功能需要很复杂的后续处理系统才能完成，而本设计在机芯中就能实现。MCP结构作为手机中常用的存储方案被应用于本设计，极大的节省了电路板面积和降低了系统功耗。针对探测器偏置电源小电流，低 Rms纹波噪声的特点，设计了全新的偏置电路，具有极低的纹波噪声，有力的保证了探测器输出的信噪比。探测器输出的模拟视频，经过阻抗转换、信号调理、单端转差分、有源滤波等电路送到ADC中进行模数转换，再送给FPGA采集逻辑，FPGA内部再进行一序列的非均匀性校正，图像增强等处理，最终通过视频编码器以模拟（CVBS）和数字（HDMI）两种方式输出。PCB设计将整个系统分成3个单板，按功能依次划分为探测器驱动板，核心处理板，电源和接口板。硬件层次结构合理划分，针对不同探测器和后续接口变更，只需要单独修改探测器驱动板或者接口板，而最复杂的核心处理板可以继续利用。根据探测器的时序要求，设计了探测器驱动逻辑，串行控制器逻辑，视频采集逻辑，模块内部的控制逻辑时钟独立于总线时钟，减小了整个逻辑设计资源开销，降低了系统功耗，参数化的设计，保证了逻辑模块的可移植性。
　　最终通过评估，本课题开发的红外热像仪硬件平台具有体积小、功耗低、质量轻、性能强、易于功能拓展、软硬件可升级的特点，在整体方案、性能和功能上上优于业内同行一到两代。

目录

声明

第一章 绪论

1.1红外热成像技术发展概况

1.2国内外非制冷型热成像技术发展现状

1.3 非制冷红外热成像技术的发展优势与应用前景

1.4 本课题主要研究内容

第二章 红外辐射基本理论和处理技术介绍

2.1 红外辐射基本定律

2.2 红外热成像处理技术

2.3 本章小结

第三章 系统和模块电路方案设计

3.1 系统总体方案设计

3.2 最小系统方案设计

3.3 探测器偏置电路方案设计

3.4 视频采集方案设计

3.5 视频输出方案设计

3.6 通信方案设计

3.7 本章小结

第四章 详细电路设计

4.1 最小系统电路设计

4.2 探测器偏置电路设计

4.3 视频采集电路设计

4.4 通信电路设计

4.5 视频输出电路设计

4.6 本章小结

第五章 PCB及信号完整性设计

5.1 信号完整性介绍

5.2 单板功能划分

5.3 PCB布局布线

5.4 本章小结

第六章 逻辑设计

6.1 Avalon总线介绍

6.2整体设计简介

6.3 探测器驱动逻辑设计

6.4 探测器串行控制器逻辑设计

6.5 视频采集和温度采集逻辑设计

6.6 本章小结

第七章 系统测试与功能验证

7.1 电源测试

7.2 最小系统调试

7.3 逻辑测试

7.4 外设的调试

7.5 系统测试

第八章 总结与展望

参考文献

符号与标记（附录1）

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文