CN104535194A - 一种基于dmd的红外探测器的仿真装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外搜索跟踪技术领域，具体涉及基于DMD(Digital-Mirror Device，数字微镜器件)的红外探测器的仿真装置及方法。本发明的仿真装置，能够通过高速总线从主机端的红外图像数据库获取红外仿真图像为红外系统的前期研制提供真实的仿真数据。板间通过高速光纤实现高速数据传输。本发明的仿真方法，通过FPGA来控制数字微镜器件DMD芯片及其复位芯片DAD，控制数字微镜器件DMD的开关时间，并且能在数字微镜器件DMD显示一帧图像时给出精确的同步信号，可控的显示时间及同步信号可以与红外探测器的积分时间严格匹配，能够解决红外动态仿真图像闪烁的问题。

Description

一种基于DMD的红外探测器的仿真装置及方法

技术领域

本发明涉及红外搜索跟踪技术领域，具体涉及基于DMD(Digital-MirrorDevice，数字微镜器件)的红外探测器的仿真装置及方法。

背景技术

红外动态场景仿真系统的目的是在实验室内红外成像系统的视场范围内创造一个逼真的红外目标和背景环境，并且对目标的亮度、对比度、运动速度等给出定量的变化，使得能在实验室内对红外成像系统的探测距离、捕捉目标的能力、和一些动态指标作精确的测量分析。传统的DMD仿真方法一般采用投影仪架构的DMD系统，直接从电脑的VGA接口输出图像，存在低帧频、积分时间不可更改、难实现同步(易闪烁)、控制不灵活等问题。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，能够通过高速总线从主机端的红外图像数据库获取红外仿真图像为红外系统的前期研制提供真实的仿真数据。板间通过高速光纤实现高速数据传输。

本发明还提供了一种基于DMD的红外探测器的仿真方法，通过FPGA来控制数字微镜器件DMD芯片及其复位芯片DAD，控制数字微镜器件DMD的开关时间，并且能在数字微镜器件DMD显示一帧图像时给出精确的同步信号，可控的显示时间及同步信号可以与红外探测器的积分时间严格匹配，能够解决红外动态仿真图像闪烁的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，包括主机、数字发送板、数字仿真板，所述主机通过PCI总线与数字发送板连接，所述数字发送板通过光纤与数字仿真板连接，

数字发送板通过PCI总线接收主机发送来的红外仿真图像，然后通过光纤将红外仿真图像发送至数字仿真板，

数字仿真板包括FPGA模块、数字微镜器件DMD和复位芯片DAD，所述数字仿真板接收到红外仿真图像后，经FPGA模块对红外仿真图像进行乒乓缓存，以实现数据的无缝缓冲处理，并将红外仿真图像发送至数字微镜器件DMD，然后控制复位芯片DAD输出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

进一步的，所述数字发送板包括可编程门阵列FPGA和光纤发送模块，所述可编程门阵列FPGA接收主机发送的红外仿真图像，进行电光转换后经光纤发送模块通过光纤发送模块经光纤发送至数字仿真板。

更进一步的，数字发送板用于完成以下步骤：

1)数据搬移，当主机准备好一帧或者多帧红外仿真图像时，发出读取命令，FPGA会读取主机内存中指定地址中指定长度的一块红外仿真图像，写到FPGA的FIFO缓存中去；

2)FPGA从缓冲FIFO中读出红外仿真图像，发给光纤模块；

3)FPGA读完一帧红外仿真图像向主机提供中断，主机响应中断后准备好下一帧红外仿真图像，放到指定的主机内存中，然后向FPGA发出读取命令。

进一步的，所述数字仿真板包括光纤接收模块，所述光纤接收模块与光纤发送模块、光纤配合，接收数字发送板发送过来的红外仿真图像。

更进一步的，所述数字仿真板用于完成以下步骤：

1)光纤接收模块接收到红外仿真图像，缓存在FIFO中，然后按乒乓方式写入两个SRAM中，每个SRAM缓存一幅图像；

2)初始化数字微镜器件DMD和DAD芯片，以实现其处在正常工作状态；

3)通过FPGA将红外仿真图像写入数字微镜器件DMD，然后控制DAD芯片输出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

进一步的，所述主机还连接有红外图像数据库，所述红外图像数据库用于存储面阵红外图像源，包括目标信息的红外图像源和不包含目标信息的红外背景图像源。

一种基于DMD的红外探测器的仿真方法，适用于上述装置，包括以下步骤：

S1：主机从红外图像数据库获取面阵红外仿真图像，并将面阵红外仿真图像进行灰度变换、插值和位面转换，生成红外仿真图像，

S2：主机通过PCI总线将红外仿真图像发送至数字发送板，

S3：数字发送板将红外仿真图像转换成光信号，经光纤发送至数字仿真板，

S4：数字仿真板接收红外仿真图像，并驱动数字微镜器件DMD和DAD芯片实现红外仿真图像投影成像仿真。

进一步的，S3中具体包括以下步骤：

1)数据搬移，当主机准备好一帧或者多帧红外仿真图像的时候，发出读取命令，FPGA会读取主机内存中指定地址中指定长度的一块红外仿真图像，写到FPGA的FIFO缓存中去；

2)FPGA从缓冲FIFO中读出红外仿真图像发给光纤模块；

3)FPGA读完一帧红外仿真图像向主机提供中断，主机响应中断后准备好一帧红外仿真图像，放到指定的PC内存中，然后向FPGA发出读取命令。

进一步的，S4中具体包括以下步骤：

1)接收光纤接收模块接收到红外仿真图像，缓存在FIFO中，然后按乒乓方式写入两个SRAM中，每个SRAM缓存一幅图像；

2)初始化数字微镜器件DMD和DAD芯片，以实现其处在正常工作状态；

3)通过FPGA将红外仿真图像写入数字微镜器件DMD，然后控制DAD芯片输出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

(1)能够通过高速总线从主机端的红外图像数据库获取红外仿真图像为红外系统的前期研制提供真实的仿真数据。

(2)板间通过高速光纤实现高速数据传输。

(3)通过FPGA来控制数字微镜器件DMD芯片及其复位芯片DAD，控制数字微镜器件DMD的开关时间，并且能在数字微镜器件DMD显示一帧图像时给出精确的同步信号，可控的显示时间及同步信号可以与红外探测器的积分时间严格匹配，能够解决红外动态仿真图像闪烁的问题。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明装置实施例的结构示意图。

图3是图1中数字发送板FPGA内部逻辑示意图。

图4是图1中数字仿真板FPGA内部逻辑示意图。

图5是本发明的方法实施例的控制流程图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，如图1至图4所示，一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，包括主机、数字发送板、数字仿真板，所述主机通过PCI总线与数字发送板连接，所述数字发送板通过光纤与数字仿真板连接，

数字发送板通过PCI总线接收主机发送来的和红外仿真图像，转换成光信号，通过光纤发送至数字仿真板，

数字仿真板包括FPGA模块、数字微镜器件(DMD)和复位芯片DAD，所述数字仿真板接收到红外仿真图像后，经FPGA模块对红外仿真图像进行乒乓缓存，以实现数据的无缝缓冲处理，并将红外仿真图像发送至数字微镜器件DMD，然后控制DAD芯片发出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

从图2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仿真图像，进行格式变换(灰度变换、位面转换、插值等)，主机驱动程序将红外仿真图像写入主机内存，然后通知FPGA将PC机内存中的红外仿真图像通过PCI总线读出，并且写入FPGA内部FIFO中，最后再由FPGA从FIFO中读出红外仿真图像并且按照规定的协议发转换成光信号送给后级红外数字仿真板。红外数字仿真板将红外仿真图像缓存在外接的乒乓SRAM中，最后读出送到数字微镜器件DMD投影。

所述数字发送板包括可编程门阵列FPGA和光纤发送模块，所述可编程门阵列FPGA接收主机发送的红外仿真图像，经光纤发送模块通过光纤发送至数字仿真板。

数字发送板用于完成以下步骤：

1)数据搬移，当主机准备好一帧或者多帧红外仿真图像的时候，发出读取命令，FPGA会读取主机内存中指定地址中指定长度的一块红外仿真图像，写到FPGA的FIFO缓存中去；

2)FPGA从缓冲FIFO中读出红外仿真图像，发给光纤模块；

3)FPGA读完一帧红外仿真图像向主机提供中断，主机响应中断后准备好下一帧红外仿真图像放到指定的主机内存中，然后向FPGA发出读取命令。

图3显示本发明中的发送板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仿真图像的时候，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。

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，达到了红外仿真图像高速传输的目的。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。所述数字仿真板包括光纤接收模块，所述光纤接收模块与光纤发送模块、光纤配合，接收数字发送板发送过来的红外仿真图像。

图4显示本发明中的仿真板FPGA内部逻辑示意图。首先使用两块外挂SRAM缓存以乒乓缓存方式两帧红外仿真图像，当光纤发送数据过来时其中一个SRAM作为缓存，另一个SRAM作为数字微镜器件DMD投影显示的缓冲区，这种方式使得数据传输更为可靠。对数字微镜器件DMD的控制方式采用了FPGA的控制方式，使得数字微镜器件DMD显示的灰度级别、显示同步等都可控，解决了采用投影仪架构无法解决的同步及灰度级不可控问题，非常有利于红外仿真的应用。采用FPGA控制数字微镜器件DMD和DAD芯片，是本发明最为关键的技术之一。

所述数字仿真板用于完成以下步骤：

1)接收光纤接收模块接收到红外仿真图像，缓存在FIFO中，然后按乒乓方式写入两个SRAM中，每个SRAM缓存一幅图像；

2)初始化数字微镜器件DMD和DAD芯片，以实现其处在正常工作状态；

3)通过FPGA将红外仿真图像写入数字微镜器件DMD，然后控制DAD芯片发出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

进一步的，所述主机还连接有红外图像数据库，所述红外图像数据库用于存储面阵红外图像源，包括目标信息的红外图像源和不包含目标信息的红外背景图像源。

图5显示本发明方法实施例的控制流程图。系统控制软件的主要作用为：一、从红外图像数据库中调出红外仿真图像；二、将红外仿真图像高速地发送给后级进行仿真成像；三、控制FPGA的读取速度，进行帧频的控制。一种基于数字微镜器件DMD的红外探测器的仿真方法，适用于上述步骤，包括以下步骤：

S1：主机从红外图像数据库获取面阵红外图像源，并将面阵红外图像源进行灰度变换、插值和位面转换，生成红外仿真图像，

S2：主机通过PCI总线将红外仿真图像发送至数字发送板，

S3：数字发送板将红外仿真图像转换成光信号，并经光纤发送至数字仿真板，

S4：数字仿真板接收红外仿真图像，并驱动数字微镜器件DMD和DAD芯片实现红外仿真图像投影成像仿真。

进一步的，S3中具体包括以下步骤：

1)数据搬移，当主机准备好一帧或者多帧红外仿真图像的时候，发出读取命令，FPGA会读取主机内存中指定地址中指定长度的一块红外仿真图像，写到FPGA的FIFO缓存中去；

2)FPGA从缓冲FIFO中读出红外仿真图像发给光纤模块；

3)FPGA读完一帧红外仿真图像向主机提供中断，主机响应中断后准备好下一帧红外仿真图像放到指定的主内存中，然后向FPGA发出读取命令。

进一步的，S4中具体包括以下步骤：

1)接收光纤接收模块接收到红外仿真图像，缓存在FIFO中，然后按乒乓方式写入两个SRAM中，每个SRAM缓存一幅图像；

2)初始化数字微镜器件DMD和DAD芯片，以实现其处在正常工作状态；

3)通过FPGA将红外仿真图像写入数字微镜器件DMD，然后控制DAD芯片发出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

数字发送板采用了一片Xilinx公司的xc2v1000型号FPGA完成和PCI总线接口以及和光纤模块的接口。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、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40％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。光纤发送模块采用了安捷伦的HFBR-5208AM，其波长是1300nm，传输速度可以达到622Mb/s，完全满足传输要求，并串转换芯片采用了美信的MAX9218。

数字仿真板采用了一片Xilinx公司的xc5vlx50t型号FPGA实现对数字微镜器件DMD和DAD芯片进行驱动控制,这款芯片具有很丰富的资源，旨在为后期的图像处理算法预留扩展空间。光纤接收模块也是安捷伦的HFBR-5208AM，串并转换芯片采用了美信的MAX9217。DMD芯片是TI公司的0.7XGA 12°DDR DMD，其分辨率是1024x768，其数据传输时钟是60MHz，DDR传输方式，往数字微镜器件DMD写一个bit面的时间在108us左右，所以对于二进制显示方式速度可以达到每秒9200多帧。同时在FPGA控制下，可以实现灰度级别的可调。DAD芯片是TI公司配套数字微镜器件DMD使用的复位芯片，为数字微镜器件DMD提供特定的复位逻辑。数字微镜器件DMD的窗口需要换成红外波段透射窗口，同时这里略去光学系统的描述。SRAM则采用了CYPRESS公司的cy7c1304dv25，存储空间为9Mbit。

主机为带CPCI总线的工业控制机箱。

本实验采用了256x256红外图像源进行测试(插值成1024x768图像)，各项指标如下表所示：

景象生成技术	数字微镜阵列DMD
		工作波段(μm)	长波、中波、短波
分辨率	1024×768
		二进制帧频(Hz)	9200
64灰度级帧频(Hz)	1000
		128灰度级帧频(Hz)	500

256灰度级帧频(Hz)	250
		图像灰度等级(bit)	可自由编程

以上测试是指采用模拟信号测试结果，整套系统的速度瓶颈在PCI处，由于PCI实际传输速度在40MByte/s左右，每秒传输256灰度级1024x768的图像只能传50帧，所以整套系统的实际帧频为50帧/s左右。稍加改造，将PCI换成PCI-E总线，将使帧频得到大大提高。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，其特征在于：包括主机、数字发送板、数字仿真板，所述主机通过PCI总线与数字发送板连接，所述数字发送板通过光纤与数字仿真板连接，

数字发送板通过PCI总线接收主机发送来的红外仿真图像，然后通过光纤将红外仿真图像发送至数字仿真板，

数字仿真板包括FPGA模块、数字微镜器件DMD和复位芯片DAD，所述数字仿真板接收到红外仿真图像后，经FPGA模块对红外仿真图像进行乒乓缓存，以实现数据的无缝缓冲处理，并将红外仿真图像发送至数字微镜器件DMD，然后控制复位芯片DAD输出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

2.根据权利要求1所述的一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，其特征在于：所述数字发送板包括可编程门阵列FPGA和光纤发送模块，所述可编程门阵列FPGA接收主机发送的红外仿真图像，进行电光转换后经光纤发送模块通过光纤发送模块经光纤发送至数字仿真板。

3.根据权利要求2所述的一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，其特征在于：数字发送板用于完成以下步骤：

1)数据搬移，当主机准备好一帧或者多帧红外仿真图像时，发出读取命令，FPGA会读取主机内存中指定地址中指定长度的一块红外仿真图像，写到FPGA的FIFO缓存中去；

2)FPGA从缓冲FIFO中读出红外仿真图像，发给光纤模块；

3)FPGA读完一帧红外仿真图像向主机提供中断，主机响应中断后准备好下一帧红外仿真图像，放到指定的主机内存中，然后向FPGA发出读取命令。

4.根据权利要求2所述的一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，其特征在于：

所述数字仿真板用于完成以下步骤：

1)接收光纤接收模块接收到红外仿真图像，缓存在FIFO中，然后按乒乓方式写入两个SRAM中，每个SRAM缓存一幅图像；

2)初始化数字微镜器件DMD和DAD芯片，以实现其处在正常工作状态；

3)通过FPGA将红外仿真图像写入数字微镜器件DMD，然后控制DAD芯片输出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。

5.根据权利要求1所述的一种基于DMD的红外探测器的仿真装置，其特征在于：所述主机还连接有红外图像数据库，所述红外图像数据库用于存储面阵红外图像源，包括目标信息的红外图像源和不包含目标信息的红外背景图像源。

6.一种基于DMD的红外探测器的仿真方法，运用于权利要求1至5任一装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1：主机从红外图像数据库获取面阵红外仿真图像，并将面阵红外仿真图像进行灰度变换、插值和位面转换，生成红外仿真图像，

S2：主机通过PCI总线将红外仿真图像发送至数字发送板，

S3：数字发送板将红外仿真图像转换成光信号，经光纤发送至数字仿真板，

S4：数字仿真板接收红外仿真图像，并驱动数字微镜器件DMD和DAD芯片实现红外仿真图像投影成像仿真。

7.根据权利要求6所述的一种基于DMD的红外探测器的仿真方法，其特征在于：S3中具体包括以下步骤：

1)数据搬移，当主机准备好一帧或者多帧红外仿真图像的时候，发出读取命令，FPGA会读取主机内存中指定地址中指定长度的一块红外仿真图像，写到FPGA的FIFO缓存中去；

2)FPGA从缓冲FIFO中读出红外仿真图像发给光纤模块；

3)FPGA读完一帧红外仿真图像向主机提供中断，主机响应中断后准备好一帧红外仿真图像，放到指定的PC内存中，然后向FPGA发出读取命令。

8.根据权利要求6所述的一种基于DMD的红外探测器的仿真方法，其特征在于：S4中具体包括以下步骤：

1)接收光纤接收模块接收到红外仿真图像，缓存在FIFO中，然后按乒乓方式写入两个SRAM中，每个SRAM缓存一幅图像；

2)初始化数字微镜器件DMD和DAD芯片，以实现其处在正常工作状态；

3)通通过FPGA将红外仿真图像写入数字微镜器件DMD，然后控制DAD芯片输出驱动电压，驱动数字微镜器件DMD微镜翻转，进行投影。