紅外成像技術早期在軍事領域有著廣泛的應用[1]，隨著非制冷紅外熱成像技術的生產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，該產品的應用目前已延伸到了電力、消防、工業、醫療、安防等各個領域。
    常見的熱像儀都是以FPGA、DSP、ARM為核心實現，其中以FPGA為核心的嵌入系統[2]具有并行處理和實時性強的優點，只是FPGA在任務調度、網絡協議等功能設計上處理起來較為復雜。以ARM為核心的嵌入系統[3]能夠輕松實現多任務調度、移植各種復雜的網絡協議及實現多種IO接口，但ARM的處理器架構在實時性和高吞吐量上能力較差。
    為實現更高性價比，滿足紅外圖像數據處理和傳輸要求，本文提出以TI公司的DM642處理器為核心設計紅外熱像儀。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，加上片內自帶的VP口、EMIF接口和EMAC控制器，能夠無縫連接外部設備，如FPGA、SDRAM、FLASH、網絡物理層芯片等。同時為了降低設計復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、DDK驅動開發包、NDK網絡協議棧開發包以及RF5程序框架等。利用DM642和TI達芬奇多核系列DSP處理器的軟硬件通用性，基于DM642設計的嵌入系統還可以很方便地移植到性能更強的達芬奇平臺。
1 設計總體框架
    總體設計如圖1所示。首先紅外探測器把熱輻射轉換為電信號數據；其次FPGA接收探測器串行輸出的數據并調整時序后加入行同步和場同步信號形成RAW格式的熱圖數據，這種RAW格式的數據可以直接通過DM642的采集VP口輸入到DSP中。當VP口采集到一幀以后就會給DM642產生輸入中斷，此時DM642就可以對熱圖數據進行非均勻性校正[4]、直方圖均衡、溫度計算，模擬視頻生成、數字視頻網絡傳輸等處理。由于選用的是處理性能強的DM642，結合TI公司的BIOS操作系統及DDK、NDK、RF5等開發軟件包，因此本設計可以選用價格較為低廉的FPGA芯片進行數據采集的時序處理，如EP1C6T144C8，從而把復雜的數據處理和傳輸等功能放到DM642芯片中，提高系統的穩定性和靈活性。

2 硬件設計
2.1 紅外探測器接口電路
    紅外探測器選用FILR公司的Photon 640機芯，該探測器實現熱輻射到電信號的轉換。機芯內置非制冷氧化釩(VOx)焦平面陣列，像素分辨率達到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行配置。由圖2所示，機芯提供8根引腳輸出，其中數據時鐘PH_DCLK+和PH_DCLK-、幀同步時鐘PH_FSYNC+和PH_FSYNC-、數據輸出PH_DATA+和PH_DATA-，均為LVDS信號格式，通過DS90LV032A芯片轉換為3 V CMOS信號，轉換后的數據信號和時鐘信號輸出到FPGA中對應引腳。TXD_PHOTON和RXD_PHOTON為串口發送和接收引腳，通過MAX3232CD芯片轉換為TTL信號后連接到DM642對應的引腳上。

2.2 FPGA的接口設計
    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。主要實現以下功能接口：(1)紅外探測器接口。根據機芯輸出的時鐘信號和幀同步信號把熱圖數據采集到FPGA，并且為了和DM642的VP采集口的RAW格式數據一致，還需要在采集的熱圖數據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模塊產生。(3)DM642接口。分別包括：16 bit的數據接口，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，FPGA在VP1CTL0為高電平時輸出一行數據，數據的采集時鐘為VP1CLK0。

2.3 DM642的接口設計
    DM642作為系統設計的核心，其主要接口如圖4所示，主要包括：(1)通過EMIF總線對SDRAM和FLASH進行數據讀寫。FLASH主要保存程序代碼、與熱像儀相關的配置和測溫系數等數據；SDRAM是程序運行中需要用到的外部存儲器，由于基于BIOS操作系統的代碼量都較大，無法把程序和數據都加載到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，但編碼器的輸入數據由DM642通過VP0提供，數據格式是8位寬的BT.656格式，內嵌同步信號，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接口設計時已經提到，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內嵌EMAC控制器，并且在片內由EDMA通道及通過專用的EMAC數據線和外部物理層芯片LXT971ALC連接，這種架構設計正是DM642網絡通信性能優異的保證，具體的測試結果在實驗與總結部分給出。EMAC控制器還可以通過MDIO接口對LXT971ALC芯片進行配置，獲取以太網連接狀態信息等。(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，并且獲取相關的配置信息，如探測器內部溫度、控制快門校正等。

3 軟件設計
    基于DM642的軟件設計有兩種主要方式，其中之一是類似單片機的程序設計方法，主程序是一個死循環，通過中斷和定時器來實現各個任務的控制。這種方式在程序較大、任務較多并且任務間需要同步和通信時不太適合，難以發揮出處理器的性能。因此本文采用TI公司針對C6000芯片的BIOS操作系統來進行軟件設計，采用多線程技術，對硬件的訪問都通過BIOS架構的Mini-Driver方式，這就保證了系統的穩定性和可靠性。
3.1 驅動程序
    對硬件的訪問都封裝成對應的驅動模塊，并且需要用到TI的DDK和NDK開放包，主要包括：(1)對VP1和VP0的驅動設計，在DDK中TI為了降低設計難度，已經針對VP口提供了常用的編碼器和解碼器的驅動模塊，如TVP5146 和TVP5150等，因此可以在現有的VPORT.lib庫上進行修改。具體來說就是把頭文件中的VPORTCAP_Params和VPORTDIS_Params結構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函數中參數和實際用到的編碼器和解碼器對應修改即可。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用。(2)TI已經在NDK中提供了TCP/IP協議棧的支持，但NDK要在自己設計的板子上運行，還需要在用戶板級驅動包中添加對EMAC和MDIO的初始化操作。這里在BIOS的全局初始化函數中首先對物理層芯片進行復位，然后實現兩個回調函數_getConfig和_linkStatus，分別實現對MAC地址配置和以太網鏈路狀態信息的讀取。
3.2 主程序設計
    主程序流程如圖5所示。首先進行硬件初始化，包括CACHE、VP口、EMAC、I2C、EDMA、中斷等；然后啟動網絡監聽任務和熱圖采集任務；最后啟動數據處理任務和視頻顯示任務。各個任務的功能如下：(1)在熱圖采集任務中采集到一幀完整的640×480×16 bit的紅外圖像原始數據并通過雙緩沖模式通過EDMA把數據保存在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送到數據處理任務。(2)數據處理任務把原始紅外數據進行非均勻性校正、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據；然后數據處理任務把模擬視頻數據通過SCOM通信模塊發送到視頻顯示任務，通過ADV7179得到PAL格式的模擬紅外視頻。如果熱像傳輸任務已經啟動，數據處理任務還需要把處理后的熱圖數據發送到熱像傳輸任務。(3)熱像傳輸任務和命令收發任務都是基于NDK提供的網絡通信，首先是初始化TCP SOCKET連接并監聽，當接收到網絡來的連接請求并通過鑒權后，再啟動對應傳輸和命令收發任務。其中熱像傳輸任務的輸入數據是來自數據處理任務，然后通過TCP協議發送到PC計算機進行顯示、存儲和進一步處理。命令收發任務接收網絡傳來的命令信息，包括對探測器的配置、對熱像儀定標數據的配置，以及通過該任務對FLASH進行讀寫，實現熱像儀在線軟件更新功能。

    這種基于BIOS操作系統的多線程、多任務處理方式，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絡傳輸不受干擾的情況下，同時對機芯進行有效的命令配置。并且在有多個PC的上位機程序同時通過網絡連接熱像儀時，只需要額外啟動對應的熱像傳輸線程即可。
4 實驗與總結
    熱像儀網絡傳輸的速度非常重要，這是由于紅外圖像通常不希望進行有損壓縮，而高分辨率的熱像儀對網絡帶寬要求較高。如FLIR公司的PHOTON640機芯的熱像數據輸出為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存儲每點的數據，這樣每秒在網絡中傳輸的帶寬至少需要42 Mb/s。
    為了測試DM642的傳輸速度并且和基于ARM9的設計方案進行比較，在百兆局域網中通過PC和三種設計方案的熱像儀原理樣機直接連接，并用測試數據進行網絡傳輸，其中包括本文的設計方案，以及文獻[3]中提出的ARM9+DM9000和ARM9+AX88180。LXT971ALC是物理層芯片，這是由于DM642內嵌EMAC控制器，實現網絡連接外部只需要物理層芯片即可。而ARM9沒有內嵌EMAC控制器，只能通過外部通用地址和數據總線和外部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。測試結果如表1所示。可見由于處理器架構限制，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卻可以達到80 Mb/s，能夠實現640×480這樣的高清晰度熱像儀無損網絡數據傳輸。

    基于DM642的嵌入式系統設計由于其軟硬件的靈活剪裁，并且能充分利用BIOS的多任務機制，非常適合高性能的嵌入式設備設計。本文設計的紅外熱像儀可以作為獨立的手持設備，也可以方便地通過網絡集成到現有系統，因此已經作為產品，批量地生產應用在消防、醫療和邊防監控中，并在甲型H1N1防疫工作中起到了關鍵作用。
參考文獻
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[2] 劉國賀，李玉惠，李勃，等.基于FPGA的數字圖像水印實時嵌入系統的設計與實現[J].電子技術應用，2010(3)：27-30.
[3] 吳華，謝禮瑩，徐澤宇.基于ARM9的紅外熱像儀設計與實現[J].計算機工程，2010，36(16)：234-236.
[4] 代少升.紅外焦平面陣列非均勻性非線性校正新方法[J].光電工程，2008，35(4)：121-125.