基于FPGA的新型嵌入式红外热像仪模拟系统

满春

摘 要：红外热像仪在军事和民用领域的应用越来越广泛。鉴于红外热像仪在科研工作中的必要性及其自身的高消耗性，红外热像仪视频输出模拟器应运而生。本文主要就基于FPGA新型嵌入式红外热像仪模拟系统设计方案和难点加以阐述，然后对系统的软硬件设计详细探究。

关键词：FPGA；嵌入式；红外热像仪

红外热像仪视频输出模拟器利用软硬件结合的办法，实现了对场景目标的红外图像模拟，它在军事、航空航天、农业、地质、气象等多个领域，具有理论研究价值和实用价值。与外场试验方法相比，使用红外热像仪视频输出模拟器不仅能节约大量的试验费用，而且它还可以按照使用者的需求，合成模拟的红外图像。

1基于FPGA新型嵌入式红外热像仪模拟系统设计方案和难点

1.1基于FPGA新型嵌入式红外热像仪模拟系统设计方案

硬件设计方案。红外热像仪视频输出模拟系统可以被分成三个子系统，分别是：图像产生子系统，图像传输子系统，视频图像输出子系统。图像产生子系统的功能是重放已录制的真实红外图像或者现场合成模拟红外图像。其中已录制的真实红外图像被保存在PC机的硬盘中。而现场合成模拟红外图像需要其他系统通过网络提供红外小目标在世界坐标系中的三维坐标。图像传输子系统的功能是将真实或模拟的红外图像以DMA的方式传输到视频输出子系统。视频图像输出子系统的功能是将红外图像按照红外热像仪的信号形式输出。红外热像仪的信号形式是指并行或串行差分输出像素时钟信号、场同步信号、行同步信号以及图像数据信号。

PC机操作软件设计方案。PC机操作软件是计算机操作界面的控制窗口。能实现读取视频数据，显示图像，存储图片和打开图片，分析图像像素点的灰度值等功能。具体功能有如下几点：①设置有“打开设备”和“关闭设备”功能，操作软件能与机芯设备建立连接，能控制设备的打开与关闭；②能将网口传输的8bit视频数据，在操作界面实时显示成灰度图像；③设置有“保存图像”功能，能将获取的某个时刻的灰度图像保存为图片；④设置有“打开图像”功能，能将保存的灰度图像进行打开操作；⑤设置有“温度参数”功能，能将测温系统标定的系数输入到操作软件中进行测温的实时校正；六、能进行显示灰度图像的亮度和对比度的手动调节。

1.2基于FPGA新型嵌入式红外热像仪模拟系统设计难点

Windows操作系统是一款微内核、软实时、抢占式多任务的操作系统。本系统的应用程序运行在Windows的用户模式下，而驱动程序运行在Windows的驱动模式下。显然，包含了中断的驱动程序线程的优先级要高于应用程序线程的优先级，二者处理数据的速度是不一致的。本系统的PCI扩展卡上集成的PCI芯片、FPGA芯片的输入时钟都是由同一晶振提供的，所以PCI扩展卡的速度是确定的。由于PC机的数据处理速度不定，而PCI扩展卡的数据处理速度一定，为了保证红外热像仪视频输出模拟器连续输出视频图像帧，采用了硬件控制软件的方法。

2基于FPGA新型嵌入式红外热像仪模拟系统软硬件设计

为了适应系统在特殊环境下的应用，此设计要求接口稳定性好，抗震，抗高温等干扰能力强，以适应野外高温照射及复杂的电磁环境。对于电路板，为便于系统组装，其尺寸也有具体要求。视频输出卡上集成了一块PCI芯片PLX9054，一块由ALTERA公司生产的型号为EP1C6Q240C8的FPGA芯片，两块大小为128K*16的RAM芯片ISSI-IS61LV12816L，五块单端转差分的芯片AM26LS31，一块并行转串行的芯片DS90CR215，以及相关配置芯片等。

红外热像仪视频输出模拟器系统中的图像产生子系统、图像传输子系统均属于软件设计。将实现图像产生子系统的程序命名为应用程序，将实现图像传输子系统的程序命名为驱动程序。由于Windows操作系统拥有丰富的WIN32应用程序接口，并且可以运行多种应用程序、支持多种开发工具，所以红外热像仪视频输出模擬器的软件部分运用在Windows平台上。

VisualStudio是微软公司推出的目前最流行的Windows平台应用程序开发环境。其中的VS2010是基于Windows操作系统的可视化编程工具，具有执行速度快，封装度高，功能强大，运行稳定，对操作系统的访问权限高等优点，所以红外热像仪视频输出模拟器的应用程序采用了VS2010作为软件开发工具。根据应用程序的功能模块级流程图可知，视频合成线程可以被划分为合成图像模块、图像传输模块和视频播放模块。

为了降低编程难度，合成图像模块运用了OpenCV库。OpenCV是一个基于（开源）发行的跨平台计算机视觉库（OpenSource Computer Vision Library）。OpenCV是由一系列C函数和C++类构成的，它可以实现图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

Windows驱动模型的英文缩写是WDM（Windows Driver Model），它是Microsoft开发的一种驱动程序模型，用于Win32设备。WDM通过模块化的、分层次类型的微型驱动程序结构，降低了驱动程序开发时的复杂性。此外，WDM还拥有支持通用总线、协议或设备所需的功能性接口，这使得操作系统可以动态地配置不同的驱动程序模块来支持特定的设备。当Windows用户模式中的应用程序和内核模式中的驱动程序通信时，应用程序会发出I/O请求，操作系统会将I/O请求转化为相应的IRP，不同类型的IRP会被传递到不同的派遣函数中。

3结语

总而言之，目前该红外热像仪视频输出模拟器的帧频是50Hz、红外图像大小是320*256，若试图改变模拟器的帧频、图像大小，只需对应修改该系统的硬件或软件部分的代码即可，这不难实现。但是，在以后的设计中可以考虑，将帧频、图像大小等信息设置成可选择的，从而使用户可以在用户界面中根据需求自行选择。

参考文献：

[1]刑素霞.红外热成像与信号处理[M].北京：国防工业出版社，2015：6-23.

[2]王春勇，周建勋，胡江华.红外图像特征分析与模拟[J].红外技术，1996（5）：103-107.

[3]周方方，司斌，王晖，张喜涛.红外图像仿真的发展综述[J].航空兵器，2013（6）：58-62.

[4]吴厚航，宁改娣.博客藏经阁丛书：深入浅出玩转FPGA[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：65-85.

[5]江国强.EDA技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2010：85-103.