基于DM642的高分辨率紅外熱像儀設(shè)計與實現(xiàn)

  紅外成像技術(shù)早期在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]，隨著非制冷紅外熱成像技術(shù)的生產(chǎn)成本大幅度降低以及紅外成像和測溫具有非接觸、無損等特點，該產(chǎn)品的應(yīng)用目前已延伸到了電力、消防、工業(yè)、醫(yī)療、安防等各個領(lǐng)域。
    常見的熱像儀都是以FPGA、DSP、ARM為核心實現(xiàn)，其中以FPGA為核心的嵌入系統(tǒng)[2]具有并行處理和實時性強(qiáng)的優(yōu)點，只是FPGA在任務(wù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等功能設(shè)計上處理起來較為復(fù)雜。以ARM為核心的嵌入系統(tǒng)[3]能夠輕松實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度、移植各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及實現(xiàn)多種IO接口，但ARM的處理器架構(gòu)在實時性和高吞吐量上能力較差。
    為實現(xiàn)更高性價比，滿足紅外圖像數(shù)據(jù)處理和傳輸要求，本文提出以TI公司的DM642處理器為核心設(shè)計紅外熱像儀。從硬件上看，該處理器主頻能夠工作在600 MHz以上，并且片內(nèi)具有多總線、多處理器單元，具有多種IO總線和多通道EDMA，加上片內(nèi)自帶的VP口、EMIF接口和EMAC控制器，能夠無縫連接外部設(shè)備，如FPGA、SDRAM、FLASH、網(wǎng)絡(luò)物理層芯片等。同時為了降低設(shè)計復(fù)雜性和更好地利用處理器硬件資源，TI公司還針對6000系列的高性能DSP處理器，提供BIOS操作系統(tǒng)、DDK驅(qū)動開發(fā)包、NDK網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)包以及RF5程序框架等。利用DM642和TI達(dá)芬奇多核系列DSP處理器的軟硬件通用性，基于DM642設(shè)計的嵌入系統(tǒng)還可以很方便地移植到性能更強(qiáng)的達(dá)芬奇平臺。
1 設(shè)計總體框架
    總體設(shè)計如圖1所示。首先紅外探測器把熱輻射轉(zhuǎn)換為電信號數(shù)據(jù)；其次FPGA接收探測器串行輸出的數(shù)據(jù)并調(diào)整時序后加入行同步和場同步信號形成RAW格式的熱圖數(shù)據(jù)，這種RAW格式的數(shù)據(jù)可以直接通過DM642的采集VP口輸入到DSP中。當(dāng)VP口采集到一幀以后就會給DM642產(chǎn)生輸入中斷，此時DM642就可以對熱圖數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正[4]、直方圖均衡、溫度計算，模擬視頻生成、數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍幚?。由于選用的是處理性能強(qiáng)的DM642，結(jié)合TI公司的BIOS操作系統(tǒng)及DDK、NDK、RF5等開發(fā)軟件包，因此本設(shè)計可以選用價格較為低廉的FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時序處理，如EP1C6T144C8，從而把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)裙δ芊诺紻M642芯片中，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。

2 硬件設(shè)計
2.1 紅外探測器接口電路
    紅外探測器選用FILR公司的Photon 640機(jī)芯，該探測器實現(xiàn)熱輻射到電信號的轉(zhuǎn)換。機(jī)芯內(nèi)置非制冷氧化釩(VOx)焦平面陣列，像素分辨率達(dá)到640×480，提供8 bit或14 bit的串行低電壓差分信號LVDS（Low Voltage Differential Signaling）圖像輸出，并且可以方便地通過串口進(jìn)行配置。由圖2所示，機(jī)芯提供8根引腳輸出，其中數(shù)據(jù)時鐘PH_DCLK+和PH_DCLK-、幀同步時鐘PH_FSYNC+和PH_FSYNC-、數(shù)據(jù)輸出PH_DATA+和PH_DATA-，均為LVDS信號格式，通過DS90LV032A芯片轉(zhuǎn)換為3 V CMOS信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號和時鐘信號輸出到FPGA中對應(yīng)引腳。TXD_PHOTON和RXD_PHOTON為串口發(fā)送和接收引腳，通過MAX3232CD芯片轉(zhuǎn)換為TTL信號后連接到DM642對應(yīng)的引腳上。

2.2 FPGA的接口設(shè)計
    FPGA采用Altera Cyclone系列的EP1C6T144C8，包含5 980個邏輯單元，價格低廉、處理性能適中。主要實現(xiàn)以下功能接口：(1)紅外探測器接口。根據(jù)機(jī)芯輸出的時鐘信號和幀同步信號把熱圖數(shù)據(jù)采集到FPGA，并且為了和DM642的VP采集口的RAW格式數(shù)據(jù)一致，還需要在采集的熱圖數(shù)據(jù)中添加行同步和幀同步信號。(2)ADV7179編碼器配置和時鐘接口。為了降低DM642 I2C控制的復(fù)雜度，對編碼器的配置和初始化通過FPGA完成，并且為了顯示PAL格式的紅外模擬視頻，編碼器還需要一個27 MHz的時鐘信號，該信號也是通過FPGA的PLL模塊產(chǎn)生。(3)DM642接口。分別包括：16 bit的數(shù)據(jù)接口，輸入用VP1，因此需要和VP1的DATA[9:2]以及 DATA[19:12]連接；采集使能接口 VP1CTL0；采集時鐘接口VP1CLK0。具體如圖3所示，H為行同步，V為幀同步，F(xiàn)PGA在VP1CTL0為高電平時輸出一行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采集時鐘為VP1CLK0。

2.3 DM642的接口設(shè)計
    DM642作為系統(tǒng)設(shè)計的核心，其主要接口如圖4所示，主要包括：(1)通過EMIF總線對SDRAM和FLASH進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。FLASH主要保存程序代碼、與熱像儀相關(guān)的配置和測溫系數(shù)等數(shù)據(jù)；SDRAM是程序運行中需要用到的外部存儲器，由于基于BIOS操作系統(tǒng)的代碼量都較大，無法把程序和數(shù)據(jù)都加載到DM642的L2緩存中，因此必須合理使用SDRAM，并且將其配置為L2的外部CACHE，通過EDMA通道和L2對應(yīng)一致。(2)編碼器接口。ADV7179的時鐘信號和初始化由FPGA提供，但編碼器的輸入數(shù)據(jù)由DM642通過VP0提供，數(shù)據(jù)格式是8位寬的BT.656格式，內(nèi)嵌同步信號，因此這里不再需要提供額外的行同步和幀同步信息。(3)FPGA接口。這部分在介紹FPGA接口設(shè)計時已經(jīng)提到，DM642需要把VP1配置為RAW格式的采集模式，采集寬度為16位，采集時鐘和采集使能信號都由FPGA提供。(4)EMAC接口。DM642內(nèi)嵌EMAC控制器，并且在片內(nèi)由EDMA通道及通過專用的EMAC數(shù)據(jù)線和外部物理層芯片LXT971ALC連接，這種架構(gòu)設(shè)計正是DM642網(wǎng)絡(luò)通信性能優(yōu)異的保證，具體的測試結(jié)果在實驗與總結(jié)部分給出。EMAC控制器還可以通過MDIO接口對LXT971ALC芯片進(jìn)行配置，獲取以太網(wǎng)連接狀態(tài)信息等。(5)I2C接口，該接口主要用來配置探測器，使得探測器工作在合適的模式，并且獲取相關(guān)的配置信息，如探測器內(nèi)部溫度、控制快門校正等。

3 軟件設(shè)計
    基于DM642的軟件設(shè)計有兩種主要方式，其中之一是類似單片機(jī)的程序設(shè)計方法，主程序是一個死循環(huán)，通過中斷和定時器來實現(xiàn)各個任務(wù)的控制。這種方式在程序較大、任務(wù)較多并且任務(wù)間需要同步和通信時不太適合，難以發(fā)揮出處理器的性能。因此本文采用TI公司針對C6000芯片的BIOS操作系統(tǒng)來進(jìn)行軟件設(shè)計，采用多線程技術(shù)，對硬件的訪問都通過BIOS架構(gòu)的Mini-Driver方式，這就保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
3.1 驅(qū)動程序
    對硬件的訪問都封裝成對應(yīng)的驅(qū)動模塊，并且需要用到TI的DDK和NDK開放包，主要包括：(1)對VP1和VP0的驅(qū)動設(shè)計，在DDK中TI為了降低設(shè)計難度，已經(jīng)針對VP口提供了常用的編碼器和解碼器的驅(qū)動模塊，如TVP5146 和TVP5150等，因此可以在現(xiàn)有的VPORT.lib庫上進(jìn)行修改。具體來說就是把頭文件中的VPORTCAP_Params和VPORTDIS_Params結(jié)構(gòu)中位寬定義字段修改為需要的位寬格式，然后把編碼器和解碼器的OPEN、CLOSE、CTRL函數(shù)中參數(shù)和實際用到的編碼器和解碼器對應(yīng)修改即可。修改完后需要重新編譯VPORT工程，把編譯得到的VPORT.lib文件保存到新工程目錄下調(diào)用。(2)TI已經(jīng)在NDK中提供了TCP/IP協(xié)議棧的支持，但NDK要在自己設(shè)計的板子上運行，還需要在用戶板級驅(qū)動包中添加對EMAC和MDIO的初始化操作。這里在BIOS的全局初始化函數(shù)中首先對物理層芯片進(jìn)行復(fù)位，然后實現(xiàn)兩個回調(diào)函數(shù)_getConfig和_linkStatus，分別實現(xiàn)對MAC地址配置和以太網(wǎng)鏈路狀態(tài)信息的讀取。
3.2 主程序設(shè)計
    主程序流程如圖5所示。首先進(jìn)行硬件初始化，包括CACHE、VP口、EMAC、I2C、EDMA、中斷等；然后啟動網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽任務(wù)和熱圖采集任務(wù)；最后啟動數(shù)據(jù)處理任務(wù)和視頻顯示任務(wù)。各個任務(wù)的功能如下：(1)在熱圖采集任務(wù)中采集到一幀完整的640×480×16 bit的紅外圖像原始數(shù)據(jù)并通過雙緩沖模式通過EDMA把數(shù)據(jù)保存在SDRAM中，然后通過TI提供的RF5框架中的SCOM通信模塊，把地址指針和同步信號發(fā)送到數(shù)據(jù)處理任務(wù)。(2)數(shù)據(jù)處理任務(wù)把原始紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正、直方圖均衡、溫度計算等處理，并且同時生成具有字符疊加后的模擬視頻數(shù)據(jù)；然后數(shù)據(jù)處理任務(wù)把模擬視頻數(shù)據(jù)通過SCOM通信模塊發(fā)送到視頻顯示任務(wù)，通過ADV7179得到PAL格式的模擬紅外視頻。如果熱像傳輸任務(wù)已經(jīng)啟動，數(shù)據(jù)處理任務(wù)還需要把處理后的熱圖數(shù)據(jù)發(fā)送到熱像傳輸任務(wù)。(3)熱像傳輸任務(wù)和命令收發(fā)任務(wù)都是基于NDK提供的網(wǎng)絡(luò)通信，首先是初始化TCP SOCKET連接并監(jiān)聽，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)來的連接請求并通過鑒權(quán)后，再啟動對應(yīng)傳輸和命令收發(fā)任務(wù)。其中熱像傳輸任務(wù)的輸入數(shù)據(jù)是來自數(shù)據(jù)處理任務(wù)，然后通過TCP協(xié)議發(fā)送到PC計算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲和進(jìn)一步處理。命令收發(fā)任務(wù)接收網(wǎng)絡(luò)傳來的命令信息，包括對探測器的配置、對熱像儀定標(biāo)數(shù)據(jù)的配置，以及通過該任務(wù)對FLASH進(jìn)行讀寫，實現(xiàn)熱像儀在線軟件更新功能。

    這種基于BIOS操作系統(tǒng)的多線程、多任務(wù)處理方式，充分利用了DM642的高效和并行處理能力，能在保證紅外熱像網(wǎng)絡(luò)傳輸不受干擾的情況下，同時對機(jī)芯進(jìn)行有效的命令配置。并且在有多個PC的上位機(jī)程序同時通過網(wǎng)絡(luò)連接熱像儀時，只需要額外啟動對應(yīng)的熱像傳輸線程即可。
4 實驗與總結(jié)
    熱像儀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣确浅Ｖ匾?，這是由于紅外圖像通常不希望進(jìn)行有損壓縮，而高分辨率的熱像儀對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高。如FLIR公司的PHOTON640機(jī)芯的熱像數(shù)據(jù)輸出為9幀/s，每幀分辨率為640×480，每點14 bit。為了方便處理，在DM642和FPGA的處理中用16 bit存儲每點的數(shù)據(jù)，這樣每秒在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膸捴辽傩枰?2 Mb/s。
    為了測試DM642的傳輸速度并且和基于ARM9的設(shè)計方案進(jìn)行比較，在百兆局域網(wǎng)中通過PC和三種設(shè)計方案的熱像儀原理樣機(jī)直接連接，并用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，其中包括本文的設(shè)計方案，以及文獻(xiàn)[3]中提出的ARM9+DM9000和ARM9+AX88180。LXT971ALC是物理層芯片，這是由于DM642內(nèi)嵌EMAC控制器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接外部只需要物理層芯片即可。而ARM9沒有內(nèi)嵌EMAC控制器，只能通過外部通用地址和數(shù)據(jù)總線和外部MAC控制器連接，這里分別選用16位寬的百兆DM9000和32位寬的千兆AX88180 MAC控制器。測試結(jié)果如表1所示?？梢娪捎谔幚砥骷軜?gòu)限制，ARM9即使搭配32位寬的千兆MAC芯片，其傳輸速度才33 Mb/s，而DM642卻可以達(dá)到80 Mb/s，能夠?qū)崿F(xiàn)640×480這樣的高清晰度熱像儀無損網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

    基于DM642的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計由于其軟硬件的靈活剪裁，并且能充分利用BIOS的多任務(wù)機(jī)制，非常適合高性能的嵌入式設(shè)備設(shè)計。本文設(shè)計的紅外熱像儀可以作為獨立的手持設(shè)備，也可以方便地通過網(wǎng)絡(luò)集成到現(xiàn)有系統(tǒng)，因此已經(jīng)作為產(chǎn)品，批量地生產(chǎn)應(yīng)用在消防、醫(yī)療和邊防監(jiān)控中，并在甲型H1N1防疫工作中起到了關(guān)鍵作用。
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