基于红外焦平面探测器的红外监控系统设计＊

吴伟，黄俊，曹阳

（重庆邮电大学信号与信息处理重庆市重点实验室，重庆400065）

引 言

红外成像技术在军事和民用方面都得到广泛的应用［1]。红外成像过程可以描述为目标和背景的红外辐射通过大气传输和光学系统后到达红外焦平面阵列（IRFPA－Infrared Focal Plane Array），红外探测器把IRFPA上接收到的辐射信号转换为电信号，然后经电路输出和图像处理系统处理，最后送至显示终端系统显示的过程。

红外监控系统应用领域非常广泛，它具有自身反应迅速、准确、便捷、安全等特性，在一些特殊环境中能发挥其重要作用。

本文主要介绍一种高速红外监控系统—基于ARM和FPGA的红外监控系统［2]。系统采用ARM和FPGA的组合，FPGA的数据处理速度快，对原始图像数据进行算法处理有很大的优势；ARM有很好的控制能力，对后台设备有良好的操控性。本系统具有设计成本低、易于开发等优点，是一个可靠实用的红外监控系统，主要用于变电站设备实时监控。

1 系统设计整体架构

本系统根据实际应用环境、图像采集分析和图像传输控制的需要，采用ARM和FPGA的组合构成系统。整个系统中操作系统、应用程序、显示模块及外围电路应用了ARM处理器，红外图像处理算法由FPGA完成。

首先通过IRFPA将监控的变电站设备光信号变换为电信号，通过FPGA的A／D模块将电信号转换为16位的数字信号，暂存入双端SRAM芯片；当SRAM内采集图像满一帧时，FPGA通过中断方式通知ARM模块，ARM模块响应中断后，触发内部片选信号，数据以DMA方式从片选地址移至内存地址中；可以将数据在终端LCD模块显示或者通过网口模块上传到PC机，通过PC软件显示。系统整体设计框图如图1所示。

图1 系统整体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 探测器接口电路设计

前端图像数据采集探测器选用由法国ULIS公司生产的384×288像素红外焦平面探测器UL03191，它由一个二维微测辐射热计阵列（UFPA）和一个内部集成的热电制冷器（TEC）组成。探测器接口电路模块主要包括TEC温控电路、A／D转换电路、电源模块、外围电路模块。探测器接口电路如图2所示。

图2 探测器接口电路

TEC温控电路的功能是保证红外焦平面能在稳定的温度条件下工作，从而提高整个热像仪的精度和性能，本系统温控电路选用ADI公司的ADN8830控制芯片，此芯片具有高集成度、高输出效率、高性能的特点。TEC驱动模块用于设定和稳定IRFPA的温度，在典型应用中，最大温漂电压低于250mV，能够使目标温度误差低于±0.01℃［3]。

A／D转换电路的功能是对焦平面输出的模拟视频信号进行模数转换处理。首先，对UFPA输出的模拟视频信号进行A／D转换，再传送数字信号到图像处理模块，便于FPGA对图像信号进行处理。本设计选用亚德诺公司的3通道模拟前端（AFE）芯片AD9826［5]，它是一款适合成像应用的完整模拟信号处理芯片。它采用三通道架构，可对三线彩色CCD阵列的输出进行采样和调理。

2.2 FPGA模块电路设计

FPGA模块是整个系统中的核心部件，主要功能是为UFPA和A／D转换芯片提供驱动时序，对经过模数转换的红外图像数据进行相应的算法处理，实现与ARM芯片的交互。根据这些功能要求，本系统设计的FPGA模块的总体结构如图3所示。

图3 FPGA内部模块图

在本电力监控系统中，红外热成像仪处理的数据是二维红外数字图像数据，数据量非常大。因此对处理器的传输、存储、处理速度等环节提出了较高要求。其特点为：参与运算的数据量大，数据需多次重复使用，算法简单而且规则，图像中所有元素均可施以同样的操作，存在固有的并行性，通信需要高带宽数据交换。

该环节对整个系统速度影响较大，但这些运算非常适合在FPGA架构中用硬件并行算法实现。根据以上需求和项目实际要求，FPGA处理芯片选用Actel公司推出的A3P1000－PQG208芯片，具有可反复编程修改、处理速度快、并行性等优点，特别适合于图像处理。此芯片栅极数量为1000K，最大工作频率为350MHz，可编程输入、输出端数量为300个，数据RAM大小为147 456位，延迟时间为11.1ns。

2.3 ARM模块电路设计

ARM处理器是整个硬件处理的核心单元，完成对各个硬件单元模块的初始化、控制及管理。根据上面的要求和项目具体需要，ARM处理器选用Samsung公司推出的16／32位RISC微处理器S3C2440A，它具有32根地址线，支持4GB存储空间。其中地址空间0～40000000的1G空间被分为8块128M空间，分别由nGCS0～nGCS7片选组成［4]。S3C2440A为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能的解决方案，能够满足设计要求。ARM模块内部结构框图如图4所示。

图4 ARM模块内部结构图

ARM核心板上包括时钟电源模块、SDRAM模块、Flash模块、LCD接口、FPGA通信接口。外部晶振源选择12MHz，针对实时监控系统ARM模块选择主频（FLCK）为400MHz，设定FLCK、HCLK和PCLK比例为1：4：8；根据项目实际处理需求选择两片32M的SDRAM芯片，内存地址映射到ARM地址空间为0x30000000的BANK6上；NAND FLASH选用256M的K9F2G08U0A来存储系统代码、程序代码和图像数据。

底板上包括电源模块、网口模块、串口模块、SD卡模块、USB主从口模块、JTAG模块、温湿度传感器模块、音频模块。电源模块将外部的5V直流电压通过芯片AS1117AR－3.3转化为3.3V为整个系统供电；串口选择SP3232芯片进行电平转换；网口模块选用16位的以太网控制芯片DM9000，数据通过隔离器连接水晶头（RJ45）。

网口模块DM9000与S3C2440A通过16条数据线（DATA0～DATA15）、1条地址线（ADDR2），中断（EINT7）进行连接［6]，16条数据线为数据和地址复用，而唯一的一条地址线用于判断数据线传输的是地址还是数据。片选信号如果使用Bank4，则访问0x2000 0000～0x27FF FFFF这个范围的地址时会激活片选使能信号nGCS4。

2.4 FPGA与ARM接口电路设计

FPGA与ARM之间缓存数据需要选择存储容量大、高性能、低功耗的器件。本系统SRAM数据缓存芯片选用ISSI公司的IS61LV51216，其具有高性能CMOS制造工艺，内部8M容量，结构为512K×16位字长。存取时间最低可达8ns，全静态操作不需要时钟或刷新，输入／输出兼容TTL标准，高字节数据和低字节数据可分别控制［7]。ARM与FPGA接口电路如图5所示。

图5 ARM与FPGA接口设计图

当前端红外图像采集模块将采集的一帧数据传入FPGA后，FPGA模块对图像进行滤波、非均匀校正等处理，将处理后的图像数据存入双端SRAM芯片，当存入一帧数据后FPGA向ARM模块发出中断信号；ARM模块获取中断后，触发片选信号（nGCS1），将地址映射到中断的BANK1上，通过16位地址线在0x08000000～0x08010000地址空间内将SRAM芯片中一帧图像数据通过16位数据线取出，ARM模块通过软件触发DMA通道3方式，将BANK1地址空间的红外图像数据拷贝至BANK6内存地址中。

3 系统软件设计

ARM模块选用Linux系统，它具有开源、免费、安全、稳定、高性能等优点，本系统选用Linux－2.6.30稳定版本。

3.1 FPGA与ARM接口驱动程序

在整个系统中，驱动程序主要工作为：响应中断信号，软件触发DMA通道3，将Bank1中的数据转移到SDRAM（Bank6）地址空间中，获取红外图像信号。驱动设计的主要流程如图6所示。

图6 ARM驱动设计流程图

驱动初始化：包括地址映射、中断设置、申请DMA通道等。首先总线宽度和等待控制寄存器（BWSCON）对Bank1进行设置；中断初始化包括注册中断以及设置中断为触发方式，初始化等待队列；S3C2440A一共具有4个DMA总通道，采用软件中断触发DMA通道3方式，初始化设定源地址为0x08000000，dma＿alloc＿writecombine（）获取DMA目的地址。对数据进行读取时，数据不经过CPU在不同地址区域直接进行存取。

数据处理流程：当FPGA模块SRAM芯片存满一帧处理后的图像数据时，对EINT4产生一个下降沿，触发驱动中的EINT4中断和DMA中断。在中断响应子程序中，设置wait＿event＿interruptible（）中的第二个参数满足响应需求，最后将采集的一帧数据调用copy＿to＿user（）函数，将图像数据拷贝至用户空间。

3.2 应用程序设计

根据电力监控中的图像传输数据，应用程序总体采用UDP协议如图7所示。UDP不要求保持一个连接，没有因接收方认可收到数据包而带来的开销，需要的网络带宽比TCP更小。

图7 网口数据传输协议

在PC端应用程序中打开IP监听端口，ARM发送端获取一帧图像信号，开始向PC监听端发送图像数据，PC应用程序接收到数据并进行伪色彩处理，最后在两个窗口进行显示。

4 实验结果分析

前端红外图像采集模块在整个项目中起到关键作用。图像采集时，对非均匀焦平面阵列图像采集积分时间有很强的控制，必须根据后端实际图像的灰度值分布进行修订，才能选择合适的精度和量程范围。在FPGA中需要对原始图像作相应的盲元补偿、滤波、非均匀校正处理。每帧图像分辨率为384×288，每点的图像数据位16位，但显示时只取高8位，即取8位进行显示即可满足使用要求，传输速度为4.5FPS，网口模块需要在系统中达到3.8 Mbps的带宽，经过测试本系统网口模块能达到传输要求，PC机接收灰度数据经过编码显示图像。系统实物图和PC机接收到烙铁红外图像如图8所示。测试表明，本文设计的各组模块均能达到红外监控系统的要求。

图8 系统实物图和PC机接收到烙铁红外图像

结 语

本文设计的基于ARM和FPGA的红外监控系统，充分利用嵌入式软硬件可裁剪的灵活性，最大化地利用各个组件功能。红外监控系统可作为独立的手持终端，也可组建为一个监控平台。系统具有设计成本低、易于开发等优点，可应用于化工、冶炼、铁路运输等领域，在钢铁、玻璃、水泥、塑料的生产过程中能对设备温度等进行监控，能提前排除安全隐患，防止重大事故发生。

［1] 李云红，孙晓刚，廉继红.红外热像测温技术及其应用研究［J] .现代电子技术，2009，32（1）：112－115.

［2] 张维力.红外热像仪在电力工业中的应用［J] .激光与红外，1996，26（2）：105－106.

［3] 郑兴等.基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计［J] .现代电子技术，2009（24）：154－156.

［4] 吴华，谢礼莹，徐泽宇.基于ARM9的红外热像仪设计与实现［J] .计算机工程，2010，36（16）：234－236.

［5] 邱虹云，刘阳，孙利群，等.1400万像素CMOS传感器高速读出及信号采集的研究［J] .红外技术，2006，28（6）：356－360.

［6] 陈朋，牛军浩，胡聪.基于S3C2440的LXI总线高速数据采集模块的设计［J] .大众科技，2012，14（150）：50－52.

［7] 潘冬宁，刘新宝，靳贝贝.基于DSP的电气平台硬件设计［J] .变频器世界，2009（7）：118－119.