基于DSP+FPGA的红外成像系统设计

基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现

基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现

摘要：随着红外技术的发展，红外图像的实时采集与处理成为了很多领域的研究热点。本文基于FPGA实现了一个红外图像实时采集系统。通过对系统的设计与实现，提高了红外图像的采集速度和准确性。

1. 引言

红外图像具有热成像、弱光成像等特点，在军事、安防、医疗等领域有着广泛应用。红外图像实时采集与处理对于实现智能化、自动化具有重要意义。FPGA作为一种可编程逻辑器件，具有高并行性和低延迟的特点，能够满足红外图像实时采集的需求。

2. 系统设计

2.1 红外图像采集模块设计

红外图像采集模块负责从红外传感器中采集图像数据。首先，需要对传感器进行初始化设置，并启动数据传输模式。然后，利用FPGA的高速IO接口，通过并行或串行方式将数据传输到FPGA中。采集到的图像数据会经过预处理模块进行去噪和增强操作。

2.2 系统控制模块设计

系统控制模块负责对整个系统进行控制和协调。它接收用户的指令，并根据指令对红外图像采集模块进行操作。同时，系统控制模块还负责与其他外设的连接和数据传输。

2.3 图像处理模块设计

图像处理模块负责对采集到的红外图像进行处理和分析。首先，需要对图像进行去噪处理，去除噪声干扰。然后，进行图像增强，以提高图像质量和细节清晰度。最后，通过算法实现目标检测、跟踪等功能。

3. 系统实现

本系统使用Xilinx的FPGA芯片作为硬件平台，开发环境为Vivado。首先，搭建红外图像采集模块，包括传感器接口电路和数据传输接口电路。然后，设计系统控制模块，并与红外图像采集模块进行连接。最后，实现图像处理算法，并将结果显示在屏幕上。

4. 实验结果与分析

经过实验测试，本系统能够实时采集红外图像，并进行处理和分析。通过对图像的增强处理，可以清晰地显示目标物体的热分布情况。系统具有较高的采样速度和准确性，满足了实时采集红外图像的需求。

６基于ＦＰＧＡ的红外图像处理技术

提供直流偏置电压，使其正常工作，并将探测单元产生的电信号传输到电荷储存

单元。电荷储存单元为一与ＭＯＳ工艺兼容的ＭＯＳ电容，该电容通过对电荷积分将微弱的光电流转换为相应的电压，即以时间为代价换取响应灵敏度的提高。因

而此积分电容的大小和积分时间（电容的充电时间）的长短决定了器件输出信号的动态范围。控制采样脉冲ＳＨｌ和ＳＨ２对积分信号进行采样读出，在采样完成

后通过控制复位脉冲Ｒｅｓｅｔ对电荷储存单元进行复位（电容放电），然后进行下一

次电荷积分。采样读出信号存放在下一级电荷储存单元（也是ＭＯＳ电容）内。通过水平移位寄存器完成对这些电荷储存储单元的扫描，使采样信号按照电路扫

描顺序串行地输出。为了消除器件的热噪声和复位开关噪声（ＫＩ℃），读出电路采用相关双采样技

术，对积分信号在不同时刻分别采样，将两个采样信号通过一个差动放大器进行噪声减除，就可以得到红外探测信号。其等效的原理图如图２．２所示，其中差动

放大器在读出电路外实现。

ＲＳ土

图Ｚ２读出电路的信号双采样原理图

所谓相关双采样（ＣｏｒｒｅｌａｔｅｄＤｏｕｂｌｅＳａｍｐｌｉｎｇ）就是在积分电容开始电荷积分时刻（ｔ１）和电荷积分快完成时刻（ｔ２）分别对积分电容上的信号量进行采样。这样在ｔ１时刻，采样咏冲ＳＨｌ对积分电容上的信号进行采样，得到的采样信号

图２．３信号相关暇采样示意图

主要是红外探测单元的热噪声（暗电流），而在ｔ２时刻，采样咏冲ＳＨ２得到第二章焦平面成原理与前端数据采集

的采样信号则是探测单元输出的光电信号和热噪声的叠加，如图２．３所示。因此这两个采样信号相减即可消除红外探测单元的热噪声，从而得到红外探测单元输

出的光电信号。

一个完整的面阵器件读出电路的原理框图如图２．４所示。图中，各方块通过铟柱与红外探测单元相连接。各方块表示焦平面阵列各探测单元输出信号的处理

电路，其作用是完成光电信号的积分和采样保持。水平扫描发生器和垂直扫描发生器都采用移位寄存器，完成对红外探测单元二维扫描，从而实现信号的串行输

FPGA与DSP的高速通信接口设计与实现 (发布时间：2010-03-10) FPGA与DSP的高速通信接口设计与实现

金鹏，邓欣，宋万杰，吴顺君

(西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室，陕西 西安)

在雷达信号处理、数字图像处理等领域中，信号处理的实时性至关重要。由于FPGA芯片在大数据量的底层算法处理上的优势及DSP芯片在复 杂算法处理上的优势，DSP+FPGA的实时信号处理系统的应用越来越广泛。ADI公司的TigerSHARC系列DSP芯片浮点处理性能优越，故基于这 类。DSP的DSP+FPGA处理系统正广泛应用于复杂的信号处理领域。同时在这类实时处理系统中，FPGA与DSP芯片之间数据的实时通信至关重要。

TigerSHARC系列DSP芯片与外部进行数据通信主要有两种方式：总线方式和链路口方式。链路口方式更适合于FPGA与DSP之间的实时通 信。随着实时信号处理运算量的日益增加，多DSP并行处理的方式被普遍采用，它们共享总线以互相映射存储空间，如果再与FPGA通过总线连接，势必导致 FPGA与DSP的总线竞争。同时采用总线方式与FPGA通信，DSP的地址、数据线引脚很多，占用FPGA的I／O引脚资源太多。而采用链路口通信不但 能有效缓解DSP总线上的压力，而且传输速度快，与FPGA之间的连线相对也少得多，故链路口方式更适合于FPGA与DSP之间进行实时数据通信。参考文献[3]给出TS201与TS101的性能比较，但没有针对两者的链路口进行详细介绍，本文对两者的链路口进行了细致的分析和比较。文献 [4]所设计的采集系统中，DSP与FGA的通信仅限于FPGA发、TS101收的单工通信；文献[5]给出了FPGA内部没计TS101链路口的框图， 但只给出了简单的介绍，无法给设计者以参考。本文采用Altera公司Cyclone系列芯片EP1C12实现了与TS101／TS201两种芯片的链路 口的双工通信，并给出了具体的设计实现方法。其中TS101的设计已经成功应用于某信号处理机中。1 TS101和TS201的链路口分析与比较TS101和TS210都是高性能的浮点处理芯片，目前两者都广泛应用于复杂的信号处理领域。TS201是继TS101之后推出的新型芯片，核时钟 最高可达600MHz，其各类性能也相对优于TS101，而且TS201的链路口采用了低压差分信号LVDS技术，功耗更低、抗噪声性能更好。表1列出了 两种芯片链路口性能的详细比较，其中TS101核时钟工作在250MHz，TS201核时钟工作在500MHz。

应用设计：军工／航空航天　

红外动目标识别跟踪系统的　

ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ实现　

与通用集成电路相比，ＡＳＩＣ芯片　

具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性　

高等几个方面的优势，而且在大批量应　

用时，可降低成本。现场可编程门阵列　（ＦＰＧＡ）是在专用ＡＳＩＣ的基础上发展　

出来的，它克服了专用ＡＳＩＣ不够灵活　

的缺点。与其他中小规模集成电路相　

比，其优点主要在于它有很强的灵活　

性，即其内部的具体逻辑功能可以根据　需要配置，对电路的修改和维护很方　

便。ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ结构最大的特点是结　

构灵活，有较强的通用性，适于模块化　

设计，从而能够提高算法效率；同时其　开发周期较短，系统易于维护和扩展，　

适合于实时数字信号处理。本文介绍的　

就是一种可以应用于军事侦察的红外动　

目标识别跟踪系统的设计。　

设计任务及要求　

红外动目标跟踪与识别系统的输入　

信号是红外摄像机提供的模拟或数字视　

频信号。该系统通过基于Ｃ６Ｘ系列高速　

ＤＳＰ的数字视频处理卡，实时的处理红　外数字视频序列，完成对运动目标的搜　

索、捕获、跟踪、记忆；并且在ＰＣ上实　

时显示红外视频图像，实时给出运动目　标的空间坐标，产生运动目标区域的特　

征数据，完成运动目标区域图像的实时　存储或远程传输。硬件模块需要为系统　

功能的实现提供硬件支持，即提供与系　

统功能相适应的底层物理支持，包括运　

算处理速度、存储容量等。　模拟视频数字化精度要求：ＡＤ精　

度为８　ｂｉｔ；数字视频通道的要求：按　

ＲＳ４２２传输协议接收数据，像素精度　

１４ｂｉｔ；每场图像处理时间＜４０ｍｓ；搜　索到捕获时间：０．２～１ｓ；捕获到跟踪时　

间＜１２０ｍｓｌ　２５帧／ｓ实时识别、跟踪运　

动目标（即当前场数据必须在下一场数　

据到来之前处理完毕，并由计算机输出　处理结果，显示视频图像），并给出目标　

位置及领域图像；与计算机的接口为　

ＰＣＩ接口。　

系统总体设计　根据设计任务和系统要求，本系统　

大致可分为四个模块（见图１）。