一种基于ZynqSOPC架构的红外成像系统

一种基于zynq sopc架构的红外成像系统
技术领域
1.本技术属于光电成像和图像处理技术领域，具体是一种红外探测器驱动及成像处理技术与系统。


背景技术：

2.红外成像技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异形成图像场景。与雷达和可见光成像相比，它在隐藏能力、抗干扰能力和工作时间等方面具有优势。因此，在夜间和雨雾等恶劣的天气条件下，红外系统可以轻易探测到有红外辐射的物体。红外成像技术使人眼可以超越自身视觉限制，增强了人类获得信息的能力，已经广泛应用于导弹、夜视、监控、自动驾驶、公安、测温、工业监控等军事和民用领域，未来也具有广阔的业务需求和应用前景。
3.传统红外成像驱动电路采用单fpga架构或fpga+arm分立芯片的双架构。单fpga架构方案算法难以移植、串行处理不易实现；fpga+arm分立的芯片方案，实现多个芯片之间的数据传输是这类系统的主要难点和性能瓶颈，这使得完成的产品具有成本高、功耗大、体积过大、缺乏竞争力等特点。
4.因此，如何解决上述问题成为了重点关注对象。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，能够简化红外成像处理电路和提高电路的成像质量。
6.具体技术方案为：一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，包括数字信号处理单元，数字信号处理单元将红外探测器与信号调理电路、模数转换电路、tec温度控制电路、数字信号输出电路连接在一起；数字信号处理单元通过探测器驱动时钟与红外探测器连接；数字信号处理单元通过a/d转换芯片与模数转换电路连接；数字信号处理单元为红外探测器和a/d转换芯片提供数字驱动信号，红外探测器输出的两路模拟信号经过信号调理电路和模数转换电路转换为14bit的数字信号后输入到数字信号处理单元中；tec温度控制电路稳定的调节红外探测器的温度，维持探测器工作在设定值附近；探测器驱动时钟包括探测器电源和探测器数字信号驱动；探测器上的温度传感器提供模拟输出的电压vtemp，反馈给tec控制芯片来调节探测器的温度；信号调理电路和模数转换电路主要是运放和a/d转换芯片；所述信号调理电路为两路单端转差分运算放大器电路，单端转差分运算放大器接收探测器输出的两路模拟视频信号，并对所述的模拟信号进行放大处理转换为模拟差分信号，信号处理单元将数据组合成红外图像，完成必要的图像处理算法；所述信号处理单元为zynq内部的pl（programmable logic）和ps（programmable system）。
7.进一步，所述数字信号处理单元为zynq sopc主控芯片，主控芯片控制ddr3缓存图像数据，然后在内部完成非均匀性校正、动态压缩和图像增强算法处理。
8.进一步，数字信号处理单元通过数字信号输出电路与显示设备连接。
9.进一步，红外探测器配以光学镜头构成红外成像系统，数字信号传输电路通过千兆以太网的udp协议，将红外视频通过网络传输至远程pc端实时显示，实现在pc上截图、录像、日志查询功能。
10.进一步，探测器温控电路为max1978数字温控电路，为探测器提供恒定的温度，降低探测器的温度漂移。
11.进一步，模数转换电路为模拟差分信号转数字信号。
12.进一步，所述红外探测器驱动电路为探测器电源和时钟驱动。
13.进一步，所述数字信号传输电路为以太网信号传输。
14.本技术公开了一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其红外成像处理电路是以zynq sopc为主控芯片架构。处理电路包括分辨率640
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512红外探测器、探测器驱动电路、探测器温控电路、信号调理电路、模数转换电路、数字信号处理单元和数字信号输出电路。探测器驱动电路为探测器提供电源和时钟驱动；探测器温控电路为max1978数字温控电路，为探测器提供恒定的温度环境；信号调理电路为两路单端转差分运算放大器电路，将探测器输出的两路模拟视频信号转换为两路模拟差分信号；模数转换电路将模拟差分信号转为数字信号；数字信号处理单元为zynq，其主控芯片控制ddr3缓存图像数据，然后在内部完成非均匀性校正、动态压缩和图像增强等算法处理；红外探测器配以光学镜头构成红外成像系统；数字信号输出电路通过千兆以太网的udp协议将红外视频通过网络传输至远程pc端实时显示，可以实现pc上的软件支持截图、录像、日志查询等功能。本发明集成后的zynq芯片结合了两种架构的优点，实现了arm处理器便捷的串行控制和fpga强大的带宽和驱动能力。实验表明，该处理电路数据带宽充足，能适配长波红外焦平面探测器，串行处理易于实现，可拓展性强；fpga内嵌arm硬核可以减少传统红外成像电路中采用多处理器的电路复杂度。
附图说明
15.图1为本技术实施例的红外成像系统处理电路框架；图2为本技术实施例的红外成像系统处理电路的信号流向图；图3为本技术实施例的处理电路中tec温度控制电路示意图；图4为本技术实施例的处理电路中信号调理电路和模数转换电路；图5为本技术实施例的处理电路中pl设计框图；图6为本技术实施例的处理电路中ps设计框图；图7为本技术实施例的红外成像系统成像效果：(a)无热目标；(b)有热目标。
具体实施方式
16.一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，包括数字信号处理单元，数字信号处理单元将红外探测器与信号调理电路、模数转换电路、tec温度控制电路、数字信号输出电路连接在一起；数字信号处理单元通过探测器驱动时钟与红外探测器连接；数字信号处理单元通过a/d转换芯片与模数转换电路连接；数字信号处理单元为红外探测器和a/d转换芯片提供数字驱动信号，红外探测器输出的两路模拟信号经过信号调理电路和模数转换电路转换为14bit的数字信号后输入到数字信号处理单元中；tec温度控制电路稳定的调节红外探
测器的温度，维持探测器工作在设定值附近；探测器驱动时钟包括探测器电源和探测器数字信号驱动；探测器上的温度传感器提供模拟输出的电压vtemp，反馈给tec控制芯片来调节探测器的温度；信号调理电路和模数转换电路主要是运放和a/d转换芯片；所述信号调理电路为两路单端转差分运算放大器电路，单端转差分运算放大器接收探测器输出的两路模拟视频信号，并对所述的模拟信号进行放大处理转换为模拟差分信号，信号处理单元将数据组合成红外图像，完成必要的图像处理算法；所述信号处理单元为zynq内部的pl（programmable logic）和ps（programmable system）。
17.进一步，所述数字信号处理单元为zynq sopc主控芯片，主控芯片控制ddr3缓存图像数据，然后在内部完成非均匀性校正、动态压缩和图像增强算法处理。数字信号处理单元通过数字信号输出电路与显示设备连接。红外探测器配以光学镜头构成红外成像系统，数字信号传输电路通过千兆以太网的udp协议，将红外视频通过网络传输至远程pc端实时显示，实现在pc上截图、录像、日志查询功能。探测器温控电路为max1978数字温控电路，为探测器提供恒定的温度，降低探测器的温度漂移。信号调理电路为两路电路，将探测器输出的两路模拟视频信号转换为两路模拟差分信号。模数转换电路为模拟差分信号转数字信号。所述红外探测器驱动电路为探测器电源和时钟驱动。进一步，所述数字信号传输电路为以太网信号传输。
实施例
18.本发明提供一种基于zynq sopc架构的红外成像系统。系统使用的探测器是北方广微科技有限公司型号gwir 0318x2a非制冷红外探测器，分辨率640512，像元尺寸17m；红外镜头焦距42mm、f1；zynq sopc架构芯片是xilinx公司zynq-7000。以下结合附图对本发明技术方案进行详细描述，使其更易于理解和掌握。
19.正如背景所述，现有技术中的成熟的高速处理平台大多是单fpga架构方案和fpga+arm分立芯片的方案，这使得完成的产品具有算法难以移植、串行处理不易实现、成本高、功耗大、体积过大、缺乏竞争力等特点。
20.鉴于此，本技术提供了一种基于zynq sopc架构的红外成像系统。图1为本技术实施例所提供的一种红外成像处理电路的结构示意图，包括红外探测器驱动电路、探测器温控电路、信号调理电路、模数转换电路、数字信号处理单元和数字信号输出电路。
21.红外成像系统处理电路的核心是zynq，该芯片将模数转换电路、tec温度控制电路、数字信号输出电路和显示设备连接在一起。zynq为红外探测器和a/d转换芯片提供数字驱动信号，红外探测器输出的两路模拟信号经过信号调理电路和模数转换电路转换为14bit的数字信号后输入到zynq中，tec温度控制电路使其稳定的调节红外探测器的温度，维持探测器工作在设定值附近。集成后的zynq芯片结合了两种架构的优点，实现了arm处理器便捷的串行控制和fpga强大的带宽和驱动能力。
22.tec温度控制电路示意图参考图3，探测器上的温度传感器提供模拟输出的电压vtemp，可以反馈给tec控制芯片来调节探测器的温度。芯片上的fets和热控制回路最小化外部电路组件并且保持高效率，可选择的500khz/1mhz的开关频率和独特的波纹消除方案优化了组件的大小和效率，可以实现范围在
±
3a之间的双极性输出。ad5691数模转换芯片通过i2c协议设置寄存器输出不同的电压来设置max1978温度，ads1115也同样通过i2c协议
采集温度信息，最后max1978调节tec+和tec-的电流来设置热电制冷器的温度以及维持它的稳定。
23.信号调理电路和模数转换电路示意图参考图4，信号调理电路和模数转换电路主要是运放和a/d转换芯片，具体的，ad9240可以采用不同的电路设计获得不同的模拟输入范围。由于非制冷红外焦平面阵列的信号输出与ad9240转换电路的输入信号不匹配，所以需要进行信号的预处理，本技术的信号预处理电路是adi公司的ad8139高速差分放大器，该运放把红外探测器输出的0.5-4.5v单端模拟输出信号转换为ad9240的差分输入信号，之后ad9240以14bit并行输出的数字输入信号接入zynq芯片中。
24.pl设计示意图参考图5，根据非制冷红外焦平面的时序以及电路设计，设计了如下数据处理框架，系统将非均匀系数存储在sd卡中，由于sd卡存储芯片的读出速度不够快，所以当系统开机时，ps需要把sd卡内的数据读出，再经过dcache将数据刷新到ddr中以便有足够的速度写入到红外传感器内。红外探测器将图像数据的奇数行和偶数行分为两路输出，所以gwir_video_in模块用来将两路信号的奇数行和偶数行组合起来，经过fifo模块数据缓冲后缓存到ddr3中以便后续的算法处理。gwir_video_in模块在芯片内部的交互采用了axi4-lite和axi4-stream两种协议，axi4-lite可以控制该模块的复位以及是否写入occ数据，axi4-stream是用来传输组合完成的大量图像数据，通过该协议可以整体提升系统的带宽，fifo的功能主要是用来处理两个模块之间不同时钟频率时数据传输的问题，由于要提升数据处理的速度，所以dma工作时有着比gwir_video_in更高时钟频率，这样可以在ddr3内快速完成图片的缓存和算法，提升系统的实时性能。
25.ps设计如图6所示，ps由两个cortex-a9架构的arm核构成的，在本系统中ps主要用来初始化pl所用到的模块，由于红外传感器还有上电以及下电顺序的要求，这部分的控制就由arm核来完成控制。传感器所用的校正系数由arm从sd卡中读取出来通过dcache缓存到ddr3中，传感器输出的图像数据由pl优化后缓存到ddr3中，arm负责将这部分数据读取出来完成更复杂的算法处理以及采用udp协议将图像数据发送到客户端。其中arm还开启了串口通讯，用于响应专用的系统命令和外部中断的需求，为用户获得串口打印出来的重要信息以及反馈命令是否发送成功。
26.本技术提供一种红外探测系统，包括红外探测器和上述任一实施例所述的红外成像处理电路。
27.本系统采用基于zynq的红外相机方案，该方案综合考虑现有红外相机方案存在的短板，在系统设计中使用zynq解决了多芯片难以集成和单fpga芯片串行不易处理的问题，通过合理使用芯片内的资源，系统有着高速数据处理和灵活扩展系统功能的优势，方案中的红外焦平面探测器为640
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512，整个系统也可以支持更高的分辨率，成像效果如图7所示。图7(a)的成像场景内没有温差较大的物体，但是依然能分辨出图像里面温度相近的物体；图7(b)拍摄到人体的红外图像，可以清晰的看出人体特征。

技术特征：
1.一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，包括数字信号处理单元，数字信号处理单元将红外探测器与信号调理电路、模数转换电路、tec温度控制电路、数字信号输出电路连接在一起；数字信号处理单元通过探测器驱动时钟与红外探测器连接；数字信号处理单元通过a/d转换芯片与模数转换电路连接；数字信号处理单元为红外探测器和a/d转换芯片提供数字驱动信号，红外探测器输出的两路模拟信号经过信号调理电路和模数转换电路转换为14bit的数字信号后输入到数字信号处理单元中；tec温度控制电路稳定的调节红外探测器的温度，维持探测器工作在设定值附近；探测器驱动时钟包括探测器电源和探测器数字信号驱动；探测器上的温度传感器提供模拟输出的电压vtemp，反馈给tec控制芯片来调节探测器的温度；信号调理电路和模数转换电路主要是运放和a/d转换芯片；所述信号调理电路为两路单端转差分运算放大器电路，单端转差分运算放大器接收探测器输出的两路模拟视频信号，并对所述的模拟信号进行放大处理转换为模拟差分信号，信号处理单元将数据组合成红外图像，完成必要的图像处理算法；所述信号处理单元为zynq内部的pl和ps；红外探测器配以光学镜头构成红外成像系统。2.如权利要求1所述的一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，所述数字信号处理单元为zynq sopc主控芯片，主控芯片控制ddr3缓存图像数据，然后在内部完成非均匀性校正、动态压缩和图像增强算法处理。3.如权利要求1所述的一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，数字信号处理单元通过数字信号输出电路与显示设备连接。4.如权利要求1所述的一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，数字信号传输电路通过千兆以太网的udp协议，将红外视频通过网络传输至远程pc端实时显示，实现在pc上截图、录像、日志查询功能。5.如权利要求1所述的一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，探测器温控电路为max1978数字温控电路，为探测器提供恒定的温度，降低探测器温度。6.如权利要求1所述的一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，模数转换电路为模拟差分信号转数字信号。7.如权利要求1所述的一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，所述红外探测器驱动电路为探测器电源和时钟驱动。8.如权利要求1所述的一种基于zynq sopc架构的红外成像系统，其特征在于，所述数字信号传输电路为以太网信号传输。

技术总结
本发明涉及一种基于Zynq SOPC架构的红外成像系统，包括红外探测器前的光学镜头、红外探测器驱动电路、探测器温控电路、信号调理电路、模数转换电路、数字信号处理单元和数字信号输出电路。所述红外探测器驱动电路包括探测器电源和探测器数字信号驱动，所述信号调理电路单端转差分运算放大器接收探测器的模拟视频信号，并对所述的模拟信号进行放大处理，所述信号处理单元将数据组合成红外图像，完成必要的图像处理算法。本发明处理电路数据带宽充足，能适配长波红外焦平面探测器，串行处理易于实现，可拓展性强；FPGA内嵌ARM硬核可以减少传统红外成像电路中采用多处理器的电路复杂度。度。度。


技术研发人员：梁警 王华强 黄小乔 邰永航 石俊生
受保护的技术使用者：云南师范大学
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/5/25