基于USB2.0的非制冷紅外熱像儀圖像處理系統(tǒng)
摘要:采用基于USB2.0總線技術(shù)和視頻解碼芯片SAA7114完成對紅外圖像的采集,利用FPGA實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流的收發(fā)時序,通過USB接口芯片Ez-USB FX2 CY7C68013與主機進行通信。系統(tǒng)具有靈活性、即插即用、自動配置資源、應(yīng)用廣泛。
關(guān)鍵詞:SAA7114;CY7C68013;I2C;USB2.0;固件
目前,紅外熱像儀在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但市面多數(shù)紅外熱像儀隨機附帶的圖像處理功能較單一,不能進行復(fù)雜運算,而具有多功能的熱像儀價格昂貴。因此,文中提供了另一種解決方案,采用FPGA和USB2.0技術(shù)完成紅外視頻圖像的采集,再利用通用微型計算機完成圖像存儲及復(fù)雜圖像處理,此方法較靈活、方便,可建立起圖像數(shù)據(jù)庫為后續(xù)的研究工作提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)包括圖像采集、存儲及提取模塊,其體積小、功耗低、速度快、適應(yīng)性強,能夠滿足日常紅外圖像處理應(yīng)用。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理
硬件平臺首先要考慮數(shù)據(jù)的吞吐率,市面上大部分的紅外熱像儀均支持PAL制式的視頻圖像輸出,幀頻為25幀/s,以720列×576行×25幀/s為例,720列×520行×16 bit×25幀/s≈166 Mbit/s,約為20 MB/s。據(jù)此指標初步設(shè)定方案,如圖l所示。
1.1 視頻解碼芯片SAA7114
SAA7114是Philips公司生產(chǎn)的可編程視頻處理器,該芯片集A/D與解碼功能于一身,片內(nèi)附有鎖相、自動鉗位、自動增益控制、時鐘產(chǎn)生、多制式解碼等電路。而且SAA7114還可對亮度、對比度和飽和度進行控制,既支持PAL電視制式又支持NTSC和SECAM電視制式。該芯片主要有以下特點:
(1)具有六路模擬輸入和內(nèi)部模擬信號源選擇,如6×CVBS或者(2×Y/C和2×CVBS)或者(1×Y/C和4×CVBS);(2)具有兩路模擬預(yù)處理通道和兩路模擬抗混疊濾波器;(3)對選擇的CVBS或Y/C通道可編程為靜態(tài)增益控制或自動增益控制;(4)可進行白峰控制;(5)內(nèi)含兩個9位的A/D轉(zhuǎn)換器,數(shù)字CVBS或Y/C信號可通過擴展接口輸入;(6)片內(nèi)行鎖定時鐘發(fā)生器符合“ITU 60l”標準;(7)具有數(shù)字PLL,可用來對所有的標準和非標準制式的視頻源(例如消費級磁帶錄像機)進行同步處理和時鐘發(fā)生;(8)所有的制式標準只需要同一頻率的晶振32.1l MHz或者24.576 MHz;(9)可進行行場同步信號的探測;(10)自動進行50/60 Hz場頻的檢測,自動進行標準PAL制式和NTSC制式之間的轉(zhuǎn)換;(11)可對各種制式的視頻信號的亮度和色度進行處理,這寫制式包括PAL BGDHIN,PAL N,PAL M,NTSC M,NTSC-Japan,NTSC4.43和SECAM;(12)自適應(yīng)的2/4路梳狀濾波器進行二維的亮度或色度的分離,——增加了亮度和色度的帶寬以支持所有的PAL和NTSC制式標準,——減少了串色和亮度失真;(13)PAL行延遲校正了相位錯誤;(14)獨立的亮度對比度和飽和度調(diào)節(jié);(15)用戶可編程銳度調(diào)節(jié);(16)獨立的可對原始數(shù)據(jù)進行獲取和偏移調(diào)節(jié);(17)可進行行場縮放以適應(yīng)窗口大??;(18)支持4:2:2,4:1:1,4:2:0,4:1:0 YUV格式的輸出;(19)支持8位灰度圖像和原始CVBS數(shù)據(jù)的輸出;(20)支持軟件控制省電待機模式;(21)可通過I2C總線接受外部控制器的控制,速率可達400 kB/s。
本設(shè)計采用一路模擬輸入,輸入是PAL制式信號,輸出是16位寬度的數(shù)字視頻圖像,可兼容8位寬度的數(shù)字視頻圖像,圖像尺寸大小可縮放。SAA7114通電后并非立即對輸入的視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換,輸出數(shù)字視頻信號,而是要對其內(nèi)部的寄存器進行設(shè)置才能夠進行正常工作。本設(shè)計采用I2C總線對片內(nèi)的寄存器進行設(shè)置。
1.2 存儲單元
經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化過的數(shù)字視頻圖像,采用YUV格式輸出時,需用2 bit表示,在圖像處理領(lǐng)域,通常只用1 bit表示黑白圖像,為了兼容彩色圖像采集模式,數(shù)據(jù)存儲空間按照彩色圖像的數(shù)據(jù)量進行設(shè)計。每幀圖像為720×576×16=405 000 bit×16 bit,存儲器可采用雙口FIFO、雙口SRAM,但考慮到圖像的數(shù)據(jù)量及成本,采用兩片SRAM構(gòu)成乒乓式存儲結(jié)構(gòu)。雙緩存結(jié)構(gòu)常用于高速大容量數(shù)據(jù)傳輸中。因此采用兩片容量為512 kbit×16 bit的SRAM構(gòu)成乒乓存儲單元。這里只截取640×480像素圖像,因此采用512 000 bit×16 bit的SRAM是可以完成圖像的存儲與傳輸。
1.3 數(shù)據(jù)傳輸
本設(shè)計采用Cypress公司的USB2.O控制器芯片CY7C68013,該片集成有包含8.5 kB RAM增強型8051微處理器,4 kB的FIFO存儲器,通用可編程接口(GPIF),串行接口引擎(SIE)和USB2.0收發(fā)器。
芯片工作在Slave FIFO的接口方式下,在該模式下外部邏輯直接控制接口芯片內(nèi)部的FIFO。其工作過程是,當(dāng)USB設(shè)備接入計算機時,計算機和USB設(shè)備之間產(chǎn)生枚舉過程,計算機檢測到有設(shè)備接入,自動發(fā)出查詢請求,USB設(shè)備回應(yīng)請求,返回設(shè)備的Verdor ID和Product ID,計算機據(jù)此裝載相應(yīng)的驅(qū)動程序,完成重枚舉過程。計算機通過USB發(fā)出采集指令后,啟動A/D和FPGA,紅外圖像的一幀經(jīng)過SAA7114處理送到SRAM,然后通過USB芯片上傳給計算機。在上傳過程中,兩片SRAM分別存儲一幀圖像的奇偶場,當(dāng)一片用于存儲時,另一片用于傳輸已存儲的圖像,如此往復(fù)完成實時視頻圖像采集。
1.3 現(xiàn)場可編程門陣列單元
FPGA完成的邏輯功能包括:對SAA7114進行配置,將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字視頻流變換成固定分辨率的圖像視頻流及行場使能信號,控制USB芯片及SRAM存儲芯片的讀寫時序。采用FPGA實現(xiàn)這些功能降低了PCB板的復(fù)雜程度,而且提高了系統(tǒng)的靈活性。
2 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件由以下3部分組成。
2.1 固件程序設(shè)計
開發(fā)USB接口的應(yīng)用系統(tǒng)最重要的是USB驅(qū)動程序和固件程序的編制。Cypress公司的開發(fā)包中提供專門的開發(fā)系統(tǒng),為開發(fā)固件提供了便利條件。在Cypress的主頁上有。EZ-USB開發(fā)工具包下載,提供了控制面板程序(ControlPanel)和KeilC51套裝軟件。在Keil uVision2環(huán)境下在Periph.c和Dscr.a(chǎn)5l文件中加入用戶代碼程序即可實現(xiàn)特定的功能,加快開發(fā)進度。固件程序設(shè)計主要包括初始化、處理標準USB設(shè)備請求以及USB掛起時的電源管理,初始化FIFO及USB端點。CY7C68013具有軟配置的特性,當(dāng)設(shè)備與主機連接后,可裝載不同的固件使設(shè)備呈現(xiàn)不同的特性,方便外設(shè)固件的在線升級。
設(shè)置CY7C68013內(nèi)部相應(yīng)的寄存器,使其工作在USB2.0方式下,由固件程序應(yīng)答USB的傳輸,而不是USB內(nèi)核。芯片工作在Slave FIF0接口模式下。
框架函數(shù)分為3大類:任務(wù)分配器(以TD為字首)、標準設(shè)備請求分析(以DR為字首)和USB中斷處理(以ISR為字首)。
void TD_Init(void)
該函數(shù)在框架初始化期間調(diào)用,函數(shù)中可設(shè)置整體狀態(tài)變量的初始值,規(guī)定各種資源的使用及配置外圍接口的輸入/輸出等。
Void TD_poll(void)
設(shè)備工作期間,該函數(shù)重復(fù)調(diào)用,包含一個執(zhí)行外設(shè)功能的狀態(tài)機。
BOOL TD_Suspend(void)
該函數(shù)包含使設(shè)備進入低功耗狀態(tài)的程序,然后返回True。返回False時,阻止設(shè)備進入掛起狀態(tài)。
void TD_Resume(void)
此函數(shù)使設(shè)備恢復(fù)到正常操作方式。
設(shè)備請求主要完成的任務(wù)是確定新的配置接口和端點。USB中斷完成用戶定義的中斷請求服務(wù)。本設(shè)計中使用的是SLAVE FIFO工作模式。
2.2 FPGA的程序設(shè)計
SAA7114不僅輸出了數(shù)字視頻流,還輸出了場同步信號、行同步信號、奇偶場信號和像素時鐘信號,F(xiàn)PGA根據(jù)這些同步信號以及SRAM的片選、寫選通信號等來控制視頻數(shù)據(jù)流的時序,完成圖像采集、緩存和上傳。
2.3 上位機驅(qū)動程序設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計
利用VC++6.O對Cypress提供的GPD重新擴充生成定制的驅(qū)動程序。應(yīng)用程序是通過I/O控制調(diào)用訪問USB設(shè)備完成紅外視頻的采集、處理、顯示及存儲。
3 結(jié)束語
該系統(tǒng)能夠完成圖像的采集、傳輸、存儲等要求,達到了設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸要求。系統(tǒng)具有集成度高、靈活性好、即插即用與自動配置等優(yōu)點。但圖像在高分辨率的情況下數(shù)據(jù)量較大,當(dāng)PC連接有多個USB高速設(shè)備時對帶寬的要求較高,可先將數(shù)據(jù)壓縮后再上傳。