基于光纖通信的紅外數(shù)字圖像采集和傳輸系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及紅外數(shù)字圖像的傳輸和顯示，具體來(lái)說(shuō)是一種基于光纖通信的紅外數(shù)字圖像采集和傳輸系統(tǒng)及方法。它主要用于紅外成像探測(cè)設(shè)備產(chǎn)生數(shù)字圖像的遠(yuǎn)程采集、傳輸和實(shí)時(shí)顯不。
【背景技術(shù)】
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[0002]紅外成像探測(cè)器可將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后電信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換并經(jīng)過(guò)預(yù)處理后即為紅外數(shù)字圖像。通常紅外成像探測(cè)器需要有全向空域的實(shí)時(shí)探測(cè)能力，因此紅外探測(cè)器需要360度的旋轉(zhuǎn)，而數(shù)據(jù)采集、接收裝置為固定體，因此需要實(shí)時(shí)地將旋轉(zhuǎn)體上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)高速高可靠地傳輸?shù)焦潭w上。而最初采用的電刷和導(dǎo)電環(huán)的實(shí)現(xiàn)方式，會(huì)引入很大的信號(hào)噪聲，不適合傳輸高速的數(shù)據(jù)信號(hào)。
[0003]以往數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)緩存設(shè)計(jì)多采用乒乓緩存，這需要兩片SDRAM，這無(wú)形中增加了采集、傳輸系統(tǒng)設(shè)備的體積和復(fù)雜度。同時(shí)以往的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用PCI總線與主機(jī)連接。但其不支持熱插拔，也不利于做成便攜式設(shè)備，應(yīng)用普及程度遠(yuǎn)不及USB接口那么廣泛。
[0004]因此，設(shè)計(jì)一種高速率、高可靠性，便攜式紅外數(shù)字圖像采集系統(tǒng)、傳輸非常必要。采用光纖傳輸旋轉(zhuǎn)體和固定體間數(shù)據(jù)可避免引入信號(hào)噪聲，同時(shí)用一片SDRAM模擬一個(gè)大容量FIFO以及用USB接口與主機(jī)連接可簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種基于光纖通信的紅外數(shù)字圖像采集和傳輸系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)字圖像的高速、高可靠性傳輸、處理和顯示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工程中不僅要求電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又要求高速、可靠地的傳輸數(shù)據(jù)的目標(biāo)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的硬件平臺(tái)主要包括:主機(jī)，光纖接收端和光纖發(fā)送端。
[0007]各個(gè)硬件部分需要滿足:所述的主機(jī)為具有USB2.0接口的計(jì)算機(jī)。所述的光纖接收端包括一片F(xiàn)PGA，一片USB2.0控制器芯片，一片SDRAM，一個(gè)光纖接收模塊以及外圍電路；其中，所述的FPGA具有塊存儲(chǔ)器模塊；所述的USB2.0控制器芯片具有一個(gè)連接主機(jī)的USB2.0接口、一個(gè)連接外部設(shè)備的從器件FIFO接口和兩個(gè)可設(shè)置輸入輸出方向的1引腳；所述的SDRAM具有SM字節(jié)存儲(chǔ)容量和8位數(shù)據(jù)總線；所述的光纖接收模塊為一個(gè)光纖接插件和一片串并轉(zhuǎn)換芯片組成的光纖接收電路模塊；USB2.0控制器芯片、SDRAM和光纖接收模塊均和FPGA直接連接。所述的光纖發(fā)送端包括一片F(xiàn)PGA，一個(gè)光纖發(fā)送模塊以及外圍電路接口 ；其中，所述的FPGA具有塊存儲(chǔ)器模塊；所述的光纖發(fā)送模塊為一個(gè)光纖接插件和一片并串轉(zhuǎn)換芯片組成的光纖發(fā)送電路模塊；所述的外圍電路接口為L(zhǎng)VDS接口 ；光纖發(fā)送模塊和外圍電路接口均和FPGA直接連接；
[0008]各個(gè)硬件組成的連接關(guān)系是:主機(jī)和光纖接收端通過(guò)USB2.0傳輸線纜連接；光纖接收端和光纖發(fā)送端通過(guò)光纖連接；光纖發(fā)送端和紅外探測(cè)器通過(guò)LVDS接口連接。
[0009]本發(fā)明具體實(shí)施的流程如下:
[0010]步驟1:光纖發(fā)送端FPGA配置光纖發(fā)送模塊時(shí)鐘，并將檢測(cè)到的圖像數(shù)據(jù)打包后存入內(nèi)建FIFO緩存；
[0011]步驟2:光纖發(fā)送端FPGA從內(nèi)建FIFO緩存中讀取數(shù)據(jù)并通過(guò)光纖發(fā)送模塊發(fā)送；
[0012]步驟3:光纖接收端FPGA配置光纖接收模塊時(shí)鐘，接收光纖數(shù)據(jù)并檢測(cè)其圖像幀頭;
[0013]步驟4:按照采集窗口命令，將接收到的圖像數(shù)據(jù)裁剪后存入內(nèi)建輸入FIFO緩存中；
[0014]步驟5:SDRAM控制單元按照優(yōu)先級(jí)算法輪換機(jī)制決定對(duì)SDRAM的讀寫(xiě)操作，不斷將內(nèi)建的輸入FIFO緩存中數(shù)據(jù)依次讀出并寫(xiě)入到SDRAM中，或者將SDRAM中數(shù)據(jù)依次讀出并寫(xiě)入到內(nèi)建輸出FIFO緩存中，使得SDRAM與內(nèi)建輸入FIFO緩存和輸出FIFO緩存組合成一個(gè)大容量FIFO ；
[0015]步驟6:圖像數(shù)據(jù)發(fā)送模塊讀內(nèi)建輸出FIFO緩存中數(shù)據(jù)并寫(xiě)入到USB2.0控制器芯片的從器件FIFO中；
[0016]步驟7:通過(guò)固件程序設(shè)計(jì)將USB2.0控制芯片配置成從器件FIFO、控制傳輸模式，建立一個(gè)DMA傳輸通道同時(shí)可將主機(jī)發(fā)送的控制命令通過(guò)1 口模擬IIC協(xié)議方式發(fā)給光纖接收端FPGA ；
[0017]步驟8:主機(jī)通過(guò)USB2.0接口讀USB2.0控制器芯片的從器件FIFO中數(shù)據(jù)，并可通過(guò)USB2.0接口發(fā)送采集窗口等控制命令；
[0018]步驟9:光纖接收端FPGA內(nèi)的IIC從設(shè)備接口模塊，根據(jù)IIC協(xié)議，接收USB2.0控制器芯片發(fā)送的控制命令，并將其存入命令寄存器。
[0019]在步驟5中所述的優(yōu)先級(jí)算法輪換機(jī)制具體步驟如下:
[0020](5-1):初始化對(duì)SDRAM寫(xiě)具有高優(yōu)先級(jí)；
[0021](5-2):檢查讀或者寫(xiě)SDRAM是否完成，完成轉(zhuǎn)到(5_3)；
[0022](5-3):若SDRAM有多于127個(gè)字節(jié)容量且輸入FIFO緩存內(nèi)有多于127個(gè)字節(jié)，則轉(zhuǎn)到(5-4)，否則轉(zhuǎn)到(5-6)；
[0023](5-4):若寫(xiě)SDRAM具有高優(yōu)先級(jí)或者輸出FIFO緩存有少于128字節(jié)容量，則轉(zhuǎn)到(5-5)，否則轉(zhuǎn)到(5-6)；
[0024](5-5):對(duì)SDRAM進(jìn)行寫(xiě)操作，完成后置讀SDRAM具有高優(yōu)先級(jí)并轉(zhuǎn)到(5_2)；
[0025](5-6):若SDRAM有多于127個(gè)字節(jié)且輸出FIFO緩存有多于127個(gè)字節(jié)容量，則轉(zhuǎn)到(5-7)，否則轉(zhuǎn)到(5-2)；
[0026](5-7):若讀SDRAM具有高優(yōu)先級(jí)或者輸入FIFO緩存有少于128字節(jié)，則轉(zhuǎn)到(5-8)，否則轉(zhuǎn)到(5-2)；
[0027](5-8):對(duì)SDRAM進(jìn)行讀操作，完成后置寫(xiě)SDRAM具有高優(yōu)先級(jí)并轉(zhuǎn)到(5_2)。
[0028]本發(fā)明的顯著特點(diǎn)如下:
[0029](I)體積小巧，便攜性強(qiáng)。整個(gè)光纖接收端集中在一塊兒板卡上，由于只使用了一片SDRAM且與電腦連接端使用USB接口，大大減輕了系統(tǒng)的體積和重量。
[0030](2)由于使用了圖像采集窗口的方式，當(dāng)圖像產(chǎn)生速率超過(guò)采集系統(tǒng)的傳輸速率時(shí)，可通過(guò)設(shè)定采集窗口，只傳輸有意義的圖像數(shù)據(jù)，提高了采集系統(tǒng)的傳輸速率。
[0031](3)采用模塊劃分的方案，根據(jù)數(shù)據(jù)流向?qū)⒐饫w發(fā)送板設(shè)計(jì)劃分成圖像接收、緩存模塊和圖像發(fā)送模塊等，將光纖接收板設(shè)計(jì)劃分成幀頭檢測(cè)，采集窗口內(nèi)圖像和大容量FIFO等，條理清晰，便于編程。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是基于光纖通信的紅外數(shù)字圖像采集、傳輸系統(tǒng)及方法的系統(tǒng)框圖。
[0033]圖2是基于光纖通信的紅外數(shù)字圖像采集、傳輸系統(tǒng)及方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0034]下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0035]圖1是基于光纖通信的紅外數(shù)字圖像采集、傳輸系統(tǒng)及方法的系統(tǒng)框圖。
[0036]本發(fā)明所采用的硬件平臺(tái)為:一臺(tái)主機(jī)，一片USB2.0控制芯片，兩片F(xiàn)PGA，一片SDRAM，一個(gè)光纖接收模塊，一個(gè)光纖發(fā)送模塊和外圍接口。
[0037]所述的主機(jī)具有USB2.0接口，并安裝有基于光纖通信的紅外數(shù)字圖像采集、傳輸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。
[0038]所述的USB2.0控制芯片選用了 Cypress公司的CY7C68013。這款芯片符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，其最高工作頻率為48MHz，其有多于兩個(gè)普通輸入輸出引腳可以模擬IIC協(xié)議，其可被配置成從器件FIFO、控制傳輸模式，使得數(shù)據(jù)可高速、可靠地通過(guò)CY7C68013傳到主機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)測(cè)最高傳輸速率為23Mbyte/s。
[0039]所述的FPGA芯片，光纖發(fā)送端和光纖接收端均選用了 Xilinx Spartan-6系列的XC6SLX9-TQG144，該型號(hào)的FPGA有豐富的邏輯資源和時(shí)鐘管理資源，可以用來(lái)構(gòu)建內(nèi)部緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存，以及與SDRAM組合成大容量FIFO。
[0040]所述的SDRAM芯片選用了 Micron公司的MT48LC8M8A2-75，該型號(hào)的SDRAM總?cè)萘繛?M字節(jié)，讀寫(xiě)速率最高達(dá)到133Mbyte/s，考慮到數(shù)據(jù)輸入和輸出