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(duì)紅外圖像的采集，利用FPGA實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流的收發(fā)時(shí)序，通過(guò)USB接口芯片Ez-USB FX2 CY7C68013與主機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)具有靈活性、即插即用、自動(dòng)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(jī)附帶的圖像處理功能較單一，不能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，而具有多功能的熱像儀價(jià)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(jì)算機(jī)完成圖像存儲(chǔ)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(kù)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(chǔ)及提取模塊，其體積小、功耗低、速度快、適應(yīng)性強(qiáng)，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(tái)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(biāo)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(dòng)鉗位、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式解碼等電路。而且SAA7114還可對(duì)亮度、對(duì)比度和飽和度進(jìn)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(diǎn)：
(1)具有六路模擬輸入和內(nèi)部模擬信號(hào)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(duì)選擇的CVBS或Y／C通道可編程為靜態(tài)增益控制或自動(dòng)增益控制；(4)可進(jìn)行白峰控制；(5)內(nèi)含兩個(gè)9位的A／D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字CVBS或Y／C信號(hào)可通過(guò)擴(kuò)展接口輸入；(6)片內(nèi)行鎖定時(shí)鐘發(fā)生器符合“ITU 60l”標(biāo)準(zhǔn)；(7)具有數(shù)字PLL，可用來(lái)對(duì)所有的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)制式的視頻源(例如消費(fèi)級(jí)磁帶錄像機(jī))進(jìn)行同步處理和時(shí)鐘發(fā)生；(8)所有的制式標(biāo)準(zhǔn)只需要同一頻率的晶振32．1l MHz或者24．576 MHz；(9)可進(jìn)行行場(chǎng)同步信號(hào)的探測(cè)；(10)自動(dòng)進(jìn)行50／60 Hz場(chǎng)頻的檢測(cè)，自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)PAL制式和NTSC制式之間的轉(zhuǎn)換；(11)可對(duì)各種制式的視頻信號(hào)的亮度和色度進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，――減少了串色和亮度失真；(13)PAL行延遲校正了相位錯(cuò)誤；(14)獨(dú)立的亮度對(duì)比度和飽和度調(diào)節(jié)；(15)用戶可編程銳度調(diào)節(jié)；(16)獨(dú)立的可對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和偏移調(diào)節(jié)；(17)可進(jìn)行行場(chǎng)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(jī)模式；(21)可通過(guò)I2C總線接受外部控制器的控制，速率可達(dá)400 kB／s。
本設(shè)計(jì)采用一路模擬輸入，輸入是PAL制式信號(hào)，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(duì)輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字視頻信號(hào)，而是要對(duì)其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置才能夠進(jìn)行正常工作。本設(shè)計(jì)采用I2C總線對(duì)片內(nèi)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。
1．2 存儲(chǔ)單元
經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)化過(guò)的數(shù)字視頻圖像，采用YUV格式輸出時(shí)，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(chǔ)空間按照彩色圖像的數(shù)據(jù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。每幀圖像為720×576×16=405 000 bit×16 bit，存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)與傳輸。