基于DM642的高分辨率紅外熱像儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3 軟件設(shè)計(jì)
基于DM642的軟件設(shè)計(jì)有兩種主要方式，其中之一是類(lèi)似單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)方法，主程序是一個(gè)死循環(huán)，通過(guò)中斷和定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)的控制。這種方式在程序較大、任務(wù)較多并且任務(wù)間需要同步和通信時(shí)不太適合，難以發(fā)揮出處理器的性能。因此本文采用TI公司針對(duì)C6000芯片的BIOS操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，采用多線程技術(shù)，對(duì)硬件的訪問(wèn)都通過(guò)BIOS架構(gòu)的Mini-Driver方式，這就保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
3.1 驅(qū)動(dòng)程序
對(duì)硬件的訪問(wèn)都封裝成對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，并且需要用到TI的DDK和NDK開(kāi)放包，主要包括：(1)對(duì)VP1和VP0的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，在DDK中TI為了降低設(shè)計(jì)難度，已經(jīng)針對(duì)VP口提供了常用的編碼器和解碼器的驅(qū)動(dòng)模塊，如TVP5146 和TVP5150等，因此可以在現(xiàn)有的VPORT.lib庫(kù)上進(jìn)行修改。具體來(lái)說(shuō)就是把頭文件中的VPORTCAP_Params和VPORTDIS_Params結(jié)構(gòu)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(shù)中參數(shù)和實(shí)際用到的編碼器和解碼器對(duì)應(yīng)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(diào)用。(2)TI已經(jīng)在NDK中提供了TCP/IP協(xié)議棧的支持，但NDK要在自己設(shè)計(jì)的板子上運(yùn)行，還需要在用戶(hù)板級(jí)驅(qū)動(dòng)包中添加對(duì)EMAC和MDIO的初始化操作。這里在BIOS的全局初始化函數(shù)中首先對(duì)物理層芯片進(jìn)行復(fù)位，然后實(shí)現(xiàn)兩個(gè)回調(diào)函數(shù)_getConfig和_linkStatus，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)MAC地址配置和以太網(wǎng)鏈路狀態(tài)信息的讀取。
3.2 主程序設(shè)計(jì)
主程序流程如圖5所示。首先進(jìn)行硬件初始化，包括CACHE、VP口、EMAC、I2C、EDMA、中斷等；然后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)任務(wù)和熱圖采集任務(wù)；最后啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理任務(wù)和視頻顯示任務(wù)。各個(gè)任務(wù)的功能如下：(1)在熱圖采集任務(wù)中采集到一幀完整的640×480×16 bit的紅外圖像原始數(shù)據(jù)并通過(guò)雙緩沖模式通過(guò)EDMA把數(shù)據(jù)保存在SDRAM中，然后通過(guò)TI提供的RF5框架中的SCOM通信模塊，把地址指針和同步信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理任務(wù)。(2)數(shù)據(jù)處理任務(wù)把原始紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正、直方圖均衡、溫度計(jì)算等處理，并且同時(shí)生成具有字符疊加后的模擬視頻數(shù)據(jù)；然后數(shù)據(jù)處理任務(wù)把模擬視頻數(shù)據(jù)通過(guò)SCOM通信模塊發(fā)送到視頻顯示任務(wù)，通過(guò)ADV7179得到PAL格式的模擬紅外視頻。如果熱像傳輸任務(wù)已經(jīng)啟動(dòng)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)還需要把處理后的熱圖數(shù)據(jù)發(fā)送到熱像傳輸任務(wù)。(3)熱像傳輸任務(wù)和命令收發(fā)任務(wù)都是基于NDK提供的網(wǎng)絡(luò)通信，首先是初始化TCP SOCKET連接并監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)來(lái)的連接請(qǐng)求并通過(guò)鑒權(quán)后，再啟動(dòng)對(duì)應(yīng)傳輸和命令收發(fā)任務(wù)。其中熱像傳輸任務(wù)的輸入數(shù)據(jù)是來(lái)自數(shù)據(jù)處理任務(wù)，然后通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送到PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和進(jìn)一步處理。命令收發(fā)任務(wù)接收網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的命令信息，包括對(duì)探測(cè)器的配置、對(duì)熱像儀定標(biāo)數(shù)據(jù)的配置，以及通過(guò)該任務(wù)對(duì)FLASH進(jìn)行讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)熱像儀在線軟件更新功能。

這種基于BIOS操作系統(tǒng)的多線程、多任務(wù)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(wǎng)絡(luò)傳輸不受干擾的情況下，同時(shí)對(duì)機(jī)芯進(jìn)行有效的命令配置。并且在有多個(gè)PC的上位機(jī)程序同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接熱像儀時(shí)，只需要額外啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的熱像傳輸線程即可。
4 實(shí)驗(yàn)與總結(jié)
熱像儀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣确浅Ｖ匾?，這是由于紅外圖像通常不希望進(jìn)行有損壓縮，而高分辨率的熱像儀對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高。如FLIR公司的PHOTON640機(jī)芯的熱像數(shù)據(jù)輸出為9幀/s，每幀分辨率為640×480，每點(diǎn)14 bit。為了方便處理，在DM642和FPGA的處理中用16 bit存儲(chǔ)每點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這樣每秒在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膸捴辽傩枰?2 Mb/s。
為了測(cè)試DM642的傳輸速度并且和基于ARM9的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，在百兆局域網(wǎng)中通過(guò)PC和三種設(shè)計(jì)方案的熱像儀原理樣機(jī)直接連接，并用測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，其中包括本文的設(shè)計(jì)方案，以及文獻(xiàn)[3]中提出的ARM9+DM9000和ARM9+AX88180。LXT971ALC是物理層芯片，這是由于DM642內(nèi)嵌EMAC控制器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接外部只需要物理層芯片即可。而ARM9沒(méi)有內(nèi)嵌EMAC控制器，只能通過(guò)外部通用地址和數(shù)據(jù)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(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)由于處理器架構(gòu)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(dá)到80 Mb/s，能夠?qū)崿F(xiàn)640×480這樣的高清晰度熱像儀無(wú)損網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

基于DM642的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于其軟硬件的靈活剪裁，并且能充分利用BIOS的多任務(wù)機(jī)制，非常適合高性能的嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的紅外熱像儀可以作為獨(dú)立的手持設(shè)備，也可以方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集成到現(xiàn)有系統(tǒng)，因此已經(jīng)作為產(chǎn)品，批量地生產(chǎn)應(yīng)用在消防、醫(yī)療和邊防監(jiān)控中，并在甲型H1N1防疫工作中起到了關(guān)鍵作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 彭煥良.紅外焦平面熱成像技術(shù)的發(fā)展[J].激光與紅外，2006，36(12)：776-780.
[2] 劉國(guó)賀，李玉惠，李勃，等.基于FPGA的數(shù)字圖像水印實(shí)時(shí)嵌入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010(3)：27-30.
[3] 吳華，謝禮瑩，徐澤宇.基于ARM9的紅外熱像儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)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.