CN101118568A - 仿真红外探测器输出信号的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真红外探测器输出信号的装置和方法，该装置包括：带PCI总线的主机一台，主机内存储有外场试验所采集的红外图像数据、仿真系统驱动程序；起接口和控制作用的FPGA，两块SDRAM。该方法包括：通过应用程序从数据库中调用红外图像数据，驱动程序将红外图像数据写入主机内存，然后通知FPGA将PC机内存中的红外图像数据通过PCI总线读出，并且写入SDRAM中，最后再由FPGA从SDRAM中读出红外仿真图像数据并且按照规定的协议发送给后级红外实时信号处理平台。本发明的优点：能为红外信号实时处理平台的前期研制提供的真实仿真数据；做到传输给后级红外实时处理平台的红外仿真数据帧内不间断；根据后接不同的后级红外实时信号处理平台提供相应的数据接口；可以在发送红外图像数据时实时叠加目标信息。

Description

仿真红外探测器输出信号的装置及方法

技术领域

本发明涉及红外告警设备、红外搜索跟踪设备等，具体是指为该设备的红外实时信号处理平台提供仿真红外探测器输出信号的装置及方法。

背景技术

红外告警设备和红外搜索跟踪设备通常是由红外探测器和红外实时信号处理平台两部分构成。红外实时信号处理平台主要的任务是将探测器发送过来的图像信号进行处理，从复杂背景中检测特定要求的目标，同时给出告警信息或者对其进行跟踪。

在红外告警设备和红外搜索跟踪设备的设计研制过程中，广泛采用了各种仿真手段。利用各种仿真手段，既可以高效的对系统的设计概念和设计方案进行验证、优化，又可以避免使用真实探测器所面临的高开支以及缩短探测器使用寿命等问题。因此仿真试验成为红外告警设备和红外搜索跟踪设备前期研制的一个重要环节。

仿真试验主要有两种类型：一、半实物仿真，该种方式花费较大，灵活性也较差；二、数字图像直接注入式仿真，目前大多数的数字图像注入式仿真系统基于低速总线，无大容量缓存，数据源为模拟图像，因此输出仿真数据速度慢，而且帧与帧之间可能有间断，仿真效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于提出一种数字图像注入式红外探测器输出信号的仿真装置和方法，从而实现真实高效仿真实际的红外探测器输出图像数据，满足现有红外实时信号处理平台研发要求。

为实现上述目的，本发明的数字图像注入式红外探测器的仿真装置包括：带PCI总线2的主机1一台，主机内存储有外场试验所采集的红外图像数据库、数字图像注入式红外探测器仿真系统驱动程序；连接于带PCI总线主机和红外实时信号处理平台5的现场可编程门阵列(FPGA)3。该FPGA用于接受红外图像，并且根据后级红外实时信号处理平台要求的接口方式将红外图像数据发送给后级红外实时信号处理平台。

所说的FPGA还外挂有两块大容量同步动态随机存储器(SDRAM)4。

所说的红外图像数据库有包含目标信息的红外图像数据库和不包含目标信息的红外背景图像数据库。

所说的FPGA内部的控制状态机通过开放IP组织Opencores提供的PCIBridge Core和PCI总线连接；控制状态机通过两个SDRAM控制器分别和片外的二个SDRAM连接；控制状态机还连接于数据选择器，用于实现SDRAM输出数据的乒乓切换；在控制状态机的控制下，仿真数据最后通过红外实时信号处理平台接口输出。

本发明的仿真方法包括以下步骤：

主机通过PCI总线将红外图像数据发送给FPGA；

FPGA根据主机发出的指令完成如下任务：

1)数据搬移，当PC机准备好一帧或者多帧数据的时候，发出读取命令，FPGA会将PC机内存中指定地址中指定长度的一块红外图像数据写到一块SDRAM中去，在主机写到一块SDRAM的同时，会将另一块SDRAM中的图像数据读出到后级的红外实时信号处理平台；

2)读写SDRAM切换，当PC机发出切换SDRAM指令的时候，两块SDRAM所起的作用会互换，原先被用来写入PC机内存中数据的SDRAM将用来为后级红外实时信号处理平台提供数据，而原先用来为后级红外实时信号处理平台提供数据的SDRAM将被用来保存从主机发送过来的数据；

3)向主机提供中断，当从主机读取指定长度的数据块后，会向主机发出中断，让主机能够提供下一帧数据；

4)根据主机的指令，向后级红外实时信号处理平台提供包含目标信息的红外图像数据；或者向后级红外实时信号处理平台提供不包含目标信息的红外背景图像数据，并且在发送的过程中实时叠加目标信息，目标信息的叠加由FPGA内部红外实时信号处理平台接口逻辑完成。

本发明的显著特点在于以下几点：

(1)能够通过高速总线从主机端的红外图像数据库获取数据为红外信号实时处理平台的前期研制提供的真实仿真数据；

(2)能够做到传输给后级红外实时处理平台的红外仿真数据帧内不间断；

(3)根据后接不同的后级红外实时信号处理平台提供相应的数据接口；

(4)根据主机发出的指令能够将任意帧数红外仿真图像数据不间断的发送给后级红外实时处理平台或者以两倍以上的速率将固定帧数红外仿真图像数据循环发送给后级红外实时处理平台；

(5)可以在发送红外仿真图像数据时发送红外背景图像，并且在发送的过程中实时叠加目标信息。

附图说明

图1是数字图像注入式红外探测器仿真系统的系统框图。

图2是FPGA内部逻辑示意图。

图3是本发明的主机系统控制流程图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，图1显示的是数字图像注入式红外探测器仿真系统的系统框图。从图1中可以看到整个系统的实现：通过应用程序从外场试验红外图像数据库中调用相应的红外图像数据，主机驱动程序将红外图像数据写入主机内存，然后通知FPGA将PC机内存中的红外仿真图像数据通过PCI总线读出，并且写入SDRAM中，最后再由FPGA从SDRAM中读出红外仿真图像数据并且按照规定的协议发送给后级红外实时信号处理平台。

本发明的设计中PCI总线时钟频率为33MHz，32bit数据总线。PCI总线具有高速、突发(Burst)的数据传输特征，在本设计的条件下，如果FPGA能够不断申请到总线，每次读写操作的时候采用突发读写，并且一次读写操作数据周期能够达到64个时钟周期，那么理论上PCI总线的带宽可以达到107MByte/s，达到了红外图像数据高速传输的目的。但是，实际上主机的PCI总线仲裁器是不会让FPGA独占PCI总线的，因此实测传输速率为40MByte/s。而且，由于仲裁器不会让FPGA独占PCI总线，因此，在两次突发读写之间会有随机的时间间隔的空闲。如果仿真的是面阵探测器，由于图像像素较多，就会由于这种空闲造成仿真图像数据的帧内不连续。这种图像数据的帧内不连续和实际红外探测器输出情况不符合，将不能很好的达到仿真的目的。为了解决这个为题，本设计中引入了另一个关键技术，就是在FPGA上连接两块大容量SDRAM存储器。当主机通过PCI总线将红外图像数据发送给FPGA的时候，FPGA先将红外仿真图像数据缓存在SDRAM中，当SDRAM存放一帧数据或多帧数据后，再将其转发给后接的红外实时信号处理平台，这样就能达到帧内仿真图像数据连续的目的了。需要注意的是在FPGA上，挂接了两块SDRAM，这样做的目的一方面增加了存储容量，另一方面也易于实现两块SDRAM工作在乒乓数据交换模式下以提高传输速率。

在整个设计中，PC机负责整个系统的控制工作。而FPGA在整个设计中起到接口和辅助控制的作用。主机发出的指令能够将任意帧数红外图像数据不间断的发送给后级红外实时处理平台或者以两倍以上的速率将固定帧数红外图像数据循环发送给后级红外实时处理平台，这一机制的实现原理在图3的说明中有详细的阐述。根据后接不同的后级红外实时信号处理平台提供相应的数据接口以及在发送红外仿真图像数据时发送红外背景图像，并且在发送的过程中实时叠加目标信息由FPGA内部逻辑完成。

图2显示本发明中的FPGA内部逻辑示意图。FPGA和PCI总线的接口采用了开放IP组织Opencores提供的PCIBridge Core。该核提供了Wishbone片上系统总线和PCI逻辑总线的接口。控制状态机和PCIBridge Core连接采用了Wishbone协议。当主机通过PCI总线向FPGA的状态机发送控制指令，或者初始化FPGA内部的寄存器的时候，FPGA作为目标设备。而当主机设定完FPGA的工作模式后，由FPGA从主机内存获得红外图像数据的时候，FPGA要作为PCI总线交易的发起设备，这样可以尽量避免主机端由于操作系统等其他比较复杂的原因打断PCI总线上一次交易的可能性。在使用该核的时候，还要注意要设置相应的寄存器，让该核在读取主机内存的数据时候可以采用突发的方式，提高传输效率。

FPGA中的SDRAM控制器按照Alteral公司的SDRAM Controller IP Core的设计方案设计。主要用来完成SDRAM的初始化、将FPGA发出的读写指令转换为SDRAM要求的读写信号、定时刷新SDRAM等工作。因为每次发出SDRAM读写指令到SDRAM将数据提交到SDRAM控制器数据总线上，有11个时钟周期的延时时间。因此，必须让SDRAM工作在整页读写的模式下，并且让每次突发读写的长度设置为64个时钟周期，即256Byte。这样可以使每次读写的延时时间平均分担到每个字节上就非常少了，既提高了传输效率，同时也非常方便灵活。

外部红外实时信号处理系统接口主要完成的工作是按照后级红外实时信号处理平台的要求给出相应的控制信号，以及根据每帧提交红外图像时对FPGA内部目标信息寄存器的设置叠加不同位置不同亮度信息的目标。外部红外实时信号处理接口模块可以任意配置成不同协议的接口方式，十分灵活，使该红外仿真装置的通用性大大增强了。

图3显示本发明的主机系统控制软件流程图。本发明实际工作时有两种功能：一、将红外图像数据库中调出的任意帧数红外图像高速、不间断的发送给后级红外实时信号处理平台；二、将存储在SDRAM中的固定帧数红外图像数据以两倍以上的速率循环发送给后级红外实时信号处理平台。功能一已经可以满足目前大多数红外探测器的仿真需求，而功能二则是为了未来可能出现的新型红外探测器的仿真需求。两个功能的实现在本系统的设计中采用了在主机应用程序中选择两种不同的模式mode0和mode1来实现。

当在实现功能一的时候，相应的主机驱动程序中选择mode0。实现功能二的时候，相应的主机驱动程序中选择mode1。可以从图2中看到，两种模式最大的区别在于何时发出切换SDRAM指令。如果工作在mode1的时候，每向FPGA发送一帧图像数据就发出一次切换SDRAM的指令，事实上就让两片SDRAM工作在乒乓的模式下。一块SDRAM在FPGA的状态机的控制下接受从主机读来的图像数据的同时，另一块SDRAM中所保存的上一帧图像数据就可以被发送到后级红外实时信号处理平台了。如果工作在mode0的时候，并不是每次FPGA从主机读走一帧数据，主机就会发出切换SDRAM的指令，而是直到一块SDRAM存满足够多帧的图像数据的时候才会发出切换指令，就可以实现将存储在SDRAM中的固定帧数图像数据反复读出的功能了。这样的设计，非常巧妙的将两种功能用一套FPGA内的状态机实现，节约了片内的资源，也是本发明的一项关键技术。

本发明的一个实施例如下：

Micron公司的MT48LC8M32B2型号的SDRAM作为缓存。由一片Xilinx公司的xc2v1000型号FPGA完成所有的数据交换控制、和PCI总线接口、和SDRAM芯片接口以及和后级红外实时信号处理平台的接口。xc2v1000具有足够的片内资源。它内部有40个18kbit的BlockRam，可以很容易为设计提供足够多的内部FIFO缓冲。另外，内部有八个DCM时钟管理模块，可以在只提供一路时钟输入的情况下，很容易的不用外接其他芯片就能够为内部逻辑模块之间提供所需要的不同频率的时钟。内部有5120个Slice单元，因为本FPGA中包含了PCI桥、SDRAM控制器、内部控制状态机，相对而言还是比较复杂的，最后实现时，实际占用的内部Slice约为60％左右，既有扩充更多功能的可能性，也不会给FPGA的布局布线带来太多的困难。主机为DELL Precision 670工作站。

测试结果如下表所示：

图像格式	图像传送模式	平均传送帧数/s	平均传输速率
				256×256像素16bit/像素	任意帧数连续播放(叠加目标信息)	152	19.939MByte/s
256×256像素16bit/像素	固定帧数连续播放	303	39.81MByte/s

Claims (2)

1.一种仿真红外探测器输出信号的装置，包括：带PCI总线(2)的主机(1)一台，主机内存储有外场试验所采集的红外图像数据库、数字图像注入式红外探测器仿真系统驱动程序；连接于带PCI总线主机和红外实时信号处理平台的现场可编程门阵列FPGA(3)，该FPGA(3)用于接受红外仿真图像，并且根据后级红外实时信号处理平台(5)要求的接口方式将红外仿真图像数据发送给后级红外实时信号处理平台；所说的FPGA(3)还外挂有两块大容量同步动态随机存储器(SDRAM)(4)；所说的红外图像数据库有包含目标信息的红外图像数据库和不包含目标信息的红外背景图像数据库；

所说的FPGA内部的控控制状态机通过开放IP组织Opencores提供的PCIBridge Core和PCI总线连接；控制状态机通过二个SDRAM控制器分别和片外的二个SDRAM连接；控制状态机还连接了数据选择器，用于实现SDRAM输出数据的乒乓切换；在控制状态机的控制下，数据最后通过红外实时信号处理平台接口输出。

2.利用权利要求1所述的一种仿真红外探测器输出信号的装置进行红外探测器输出信号的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

主机通过PCI总线将红外图像数据发送给FPGA；

FPGA根据主机发出的指令完成如下任务：

1)数据搬移，当PC机准备好一帧或者多帧数据的时候，发出读取命令，FPGA会将pc机内存中指定地址中指定长度的一块红外图像仿真数据写到一块SDRAM中去，在主机写一块SDRAM的同时，会将另一块SDRAM中的图像数据读出到后级的红外实时信号处理平台；

2)读写SDRAM切换，当PC机发出切换SDRAM指令的时候，两块SDRAM所起的作用会互换，原先被用来写入PC机内存中数据的SDRAM将用来为后级红外实时信号处理系统提供数据，而原先用来为后级红外实时信号处理系统提供数据的SDRAM将被用来保存从主机发送过来的数据；

3)向主机提供中断，当从主机读取指定长度的数据块后，会向主机发出中断，让主机能够提供下一帧数据；

4)根据主机的指令，向后级红外实时信号处理平台提供包含目标信息的红外图像数据；或者向后级红外实时信号处理平台提供不包含目标信息的红外背景图像，并且在发送的过程中实时叠加目标信息，目标信息的叠加由FPGA内部红外实时信号处理平台接口逻辑完成。

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