CN105872498A - 一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统。红外成像装置中红外探测器将目标红外热辐射采集并通过电路转换为数字视频信号至FPGA；在FPGA中对数字视频信号进行处理后发送到光纤传输模块，同时FPGA通过光纤传输模块接收并返回通信控制指令。实现了红外数字图像与通信控制通过一根光纤的融合交互传输，满足在强电磁干扰等恶劣条件下的远距离传输要求，传输数据可靠，误码率较低。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统。
背景技术
日益兴起的光纤通信具有带宽高、抗电磁干扰、传输距离长、体积小、价格低廉等优势，非常适合红外成像装置小型化、集成化的设计优化，同时使用于弹载、机载、车载等各种复杂应用环境。
红外成像装置作为各类型设备的前端采集设备，将目标的红外辐射信息转换成数字图像数据，传输至后端信息处理单元，同时信息处理单元与红外成像装置存在控制信息的通信交互，将数字图像数据与控制数据两者融合传输，有效的解决了信号失真、噪声大、已被干扰等问题，大大提高了信号的传输质量、增强系统的稳定性。目前光纤通信技术的应用领域越来越广泛，其超强的抗辐射和抗电磁干扰能力具有非常广阔的应用前景。融合信息传输技术对红外成像装置的研究应用具有很好的指导意义。
但是，在红外成像装置中，原数字视频与控制指令通过电介质传输，接口相对复杂，线束较多，且易受各种复杂环境干扰，导致输出信号不稳定，实时性较差，不利于后端信息处理单元接收数据，发送控制指令。
因此，亟需研制一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种融合红外数字视频图像和通信控制的 光纤传输系统，以实现红外数字图像与通信控制通过一根光纤的融合交互传输，满足在强电磁干扰等恶劣条件下的远距离传输要求。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，红外成像装置中红外探测器将目标红外热辐射采集并通过电路转换为数字视频信号至FPGA；在FPGA中对数字视频信号进行处理后发送到光纤传输模块，同时FPGA通过光纤传输模块接收并返回通信控制指令；
FPGA的功能模块包括时分复用模块、数据融合模块、CMI编码模块、CMI解码模块、数据串并转换模块、数据传输协议模块、CRC校验模块和位同步时钟提出模块；光纤传输模块包括光发送模块和光接收模块；
(1)通过时分复用模块使数字视频信号与通信控制指令互不干涉地在同一信道上交互传输，信号在时域中互不重叠，实现单光纤有序融合传输；
(2)通过数据串并转换模块，将数字视频信号的串行数据转换为并行数据在FPGA内部进行处理，以提高数据处理效率；
(3)通过数据传输协议模块使接收端准确判断有效数据的起止位；数据传输协议模块定义的数据传输帧为34位，第一位和最后一位分别为起始位与终止位，起始位与终止位之间依次有4位地址位，4位数据类型位，8位有效数据，16位CRC校验码；起始位为“0”，停止位为“1”，空闲时信道一直处于高电平，当检测到低电平，起始位为“0”时表明有效数据帧开始传输；当发送计数器的值为34而且最后一位为“1”时，表明1帧数据传输完毕；
(4)通过CRC编码校验模块，利用除法及余数的原理根据16位CRC校验码作错误侦测；CRC编码校验模块的发送端把计算出的CRC数值连同数据一起发送出去，CRC编码校验模块的接收端对采集数据进行CRC数值计算，与接 收到的CRC数值对比，以此来进行误码检测；
(5)数字视频信号按照系统设定的帧频实时发送，通信控制指令非实时发送，通过数据融合模块融合通信控制指令与数字视频信号；数据融合模块中的定时器为两组数据信号提供统一的基准时间信号，数据融合模块中的码速调整模块把两组数字信号进行频率、相位调整，形成与基准时间信号完全同步的数字信号，最终在数据融合模块中通过时隙复用形成数据格式一致的数字信号；
(6)通过数据串并转换模块，将在数据融合模块中通过时隙复用形成数据格式一致的数字信号的并行数据转换为串行数据；
(7)通过CMI编码模块将普通二进制码转换成适合光纤传输的CMI编码方式发送到光发送模块，通过光发送模块发送到信号处理单元；CMI码是一种两电平非零码，其编码规则为：“1”码交替用“00”、“11”两位码表示，“0”码固定用“01”表示；根据编码规则，CMI编码模块包括码识别器、“1”码编码器、“0”码编码器、“1”码输出选择器、时序控制和输出模块；由于“1”码交替用“00”、“11”表示，在“1”码编码器中设置一个输出记忆单元，该单元通过D触发器实现，D触发器每接收到一个“1”码就翻转一次，来实现记忆“1”码的编码状态；
(8)在CMI解码模块中，从起始位开始把CMI码流的两个码元分为一组进行判断，若为“00”或“11”，则输出“1”；若为“01”，则输出“0”；根据上述解码规则，CMI解码模块包括起始码元判断模块、码分组器、“1”码解码器、“0”码解码器和时序控制模块；CMI编码时，第一次对“1”编码为“00”，空闲时刻信道一直处于逻辑“1”，空闲时刻接收到“00”与“11”交替的码流；从接收到编码后的“01”时，对接收码流进行分组，相邻2个码元为一组；当收到“01”起始位时，表明开始传输有效数据帧，然后进行解码；
(9)数据接收过程中，先通过位同步时钟提出模块控制接收数据的时钟与发送数据的CMI码流位同步，判别有效数据帧的起始位，然依次进行CMI解码、数据串并转换、CRC编码校验，按照信号处理单元的通信协议，融合数字视频信号后发送到红外成像装置。
进一步的，如上所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其中：FPGA的功能模块通过Verilog HDL硬件描述语言实现。
进一步的，如上所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其中：FPGA采用Altera公司的Stratix IV系列、光纤传输模块采用AVAGO公司的型号为AFBR-57R5APZ的多模光纤。
进一步的，如上所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其中：红外数字视频为LVDS图像数据。
进一步的，如上所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其中：通信控制采用以下方式之一：CAN总线、RS422/485。
本发明技术方案是一种面向红外成像装置输出端的高集成度数据融合光纤传输系统，实现了红外数字图像与通信控制通过一根光纤的融合交互传输，满足在强电磁干扰等恶劣条件下的远距离传输要求，传输数据可靠，误码率较低。在弹载、机载、车载等复杂应用环境均均有很好的应用前景。另外红外成像装置留有充分的I/O资源，具备扩展能力，对FPGA内部数据处理模块稍加修改即可应用与不用数据格式接口的交互。与原有电介质传输相比，本发明技术方案具有以下技术特点：
①增强了红外数字视频信号的实时性，提高了数字视频的图像质量和抗干扰能力。
②装置接口简单、传输速率高、数据传输安全、抗电磁干扰、电气隔离避 免系统共地信号串扰、有效减轻了红外成像装置重量。
③实现了红外数字视频图像与通信控制在红外成像装置中的光纤融合交互传输。
附图说明
图1为本发明技术方案系统原理框图；
图2为光纤传输的数据帧示意图。
图中：1红外热辐射、2红外探测器、3FPGA、4光纤传输模块、5信号处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，基于FPGA为核心，具有配置灵活、可扩展的特点。红外成像装置中红外探测器将目标红外热辐射采集并通过电路转换为数字视频信号至FPGA；在FPGA中对数字视频信号进行处理后发送到光纤传输模块，同时FPGA通过光纤传输模块接收并返回通信控制指令；
在本实施例中，红外数字视频为LVDS图像数据，通信控制采用以下方式之一：CAN总线、RS422/485。
FPGA的功能模块包括时分复用模块、数据融合模块、CMI编码模块、CMI解码模块、数据串并转换模块、数据传输协议模块、CRC校验模块和位同步时钟提出模块；光纤传输模块包括光发送模块和光接收模块；FPGA的功能模块通过Verilog HDL硬件描述语言实现。在本实施例中，FPGA采用Altera公司的Stratix IV系列、光纤传输模块采用AVAGO公司的型号为AFBR-57R5APZ的多模光纤。
(1)通过时分复用模块使数字视频信号与通信控制指令互不干涉地在同一信道上交互传输，信号在时域中互不重叠，实现单光纤有序融合传输；
(2)通过数据串并转换模块，将数字视频信号的串行数据转换为并行数据在FPGA内部进行处理，以提高数据处理效率；
(3)通过数据传输协议模块使接收端准确判断有效数据的起止位；如图2所示，数据传输协议模块定义的数据传输帧为34位，第一位和最后一位分别为起始位与终止位，起始位与终止位之间依次有4位地址位，4位数据类型位，8位有效数据，16位CRC校验码；起始位为“0”，停止位为“1”，空闲时信道一直处于高电平，当检测到低电平，起始位为“0”时表明有效数据帧开始传输；当发送计数器的值为34而且最后一位为“1”时，表明1帧数据传输完毕；
(4)通过CRC编码校验模块，利用除法及余数的原理根据16位CRC校验码作错误侦测；CRC编码校验模块的发送端把计算出的CRC数值连同数据一起发送出去，CRC编码校验模块的接收端对采集数据进行CRC数值计算，与接收到的CRC数值对比，以此来进行误码检测；
(5)数字视频信号按照系统设定的帧频实时发送，通信控制指令非实时发送，通过数据融合模块融合通信控制指令与数字视频信号；数据融合模块中的定时器为两组数据信号提供统一的基准时间信号，数据融合模块中的码速调整模块把两组数字信号进行频率、相位调整，形成与基准时间信号完全同步的数字信号，最终在数据融合模块中通过时隙复用形成数据格式一致的数字信号；
(6)通过数据串并转换模块，将在数据融合模块中通过时隙复用形成数据格式一致的数字信号的并行数据转换为串行数据；
(7)在数字光纤传输系统中，一般不直接传输普通数字信号，由于普通数字信号有直流分量，且由长连“0”、长连“1”的情况存在，不利于误码检测，因此 需要线通过码型转换将普通二进制码转换成适合光纤传输的线路码。本系统采用信号反转码(CMI，Coded Mark Inversion)编码方式。
通过CMI编码模块将普通二进制码转换成适合光纤传输的CMI编码方式发送到光发送模块，通过光发送模块发送到信号处理单元；CMI码是一种两电平非零码，其编码规则为：“1”码交替用“00”、“11”两位码表示，“0”码固定用“01”表示；根据编码规则，CMI编码模块包括码识别器、“1”码编码器、“0”码编码器、“1”码输出选择器、时序控制和输出模块；由于“1”码交替用“00”、“11”表示，在“1”码编码器中设置一个输出记忆单元，该单元通过D触发器实现，D触发器每接收到一个“1”码就翻转一次，来实现记忆“1”码的编码状态；
(8)在CMI解码模块中，从起始位开始把CMI码流的两个码元分为一组进行判断，若为“00”或“11”，则输出“1”；若为“01”，则输出“0”；根据上述解码规则，CMI解码模块包括起始码元判断模块、码分组器、“1”码解码器、“0”码解码器和时序控制模块；CMI编码时，第一次对“1”编码为“00”，空闲时刻信道一直处于逻辑“1”，空闲时刻接收到“00”与“11”交替的码流；从接收到编码后的“01”时，对接收码流进行分组，相邻2个码元为一组；当收到“01”起始位时，表明开始传输有效数据帧，然后进行解码；
(9)数据接收过程中，先通过位同步时钟提出模块控制接收数据的时钟与发送数据的CMI码流位同步，判别有效数据帧的起始位，然依次进行CMI解码、数据串并转换、CRC编码校验，按照信号处理单元的通信协议，融合数字视频信号后发送到红外成像装置。
本发明技术方案可应用于红外成像设备，作为数字视频与通信的输出接口应用。同时应用于图像采集板卡、数据采集、高速通信等设备，军用上侦查、 目标获取、火控、导航，商用上工业、医学、公安消防等领域。
本发明技术方案基于FPGA与光纤传输模块实现红外数字视频图像实时与通信控制的融合，一根光纤来实现数字视频与控制指令同时传输，方便后端处理单元实时接收稳定实时的图像数据，同时保证控制指令的有效下发与返回，增强数字视频信号的实时性、装置简单、接口简化、使系统实现最好的电气隔离、避免系统共地信号串扰等，改善了装备的环境适应性，有效地实现红外成像装置的高集成度、数据的高速传输。
Claims (5)
1.一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其特征在于：
红外成像装置中红外探测器将目标红外热辐射采集并通过电路转换为数字视频信号至FPGA；在FPGA中对数字视频信号进行处理后发送到光纤传输模块，同时FPGA通过光纤传输模块接收并返回通信控制指令；
FPGA的功能模块包括时分复用模块、数据融合模块、CMI编码模块、CMI解码模块、数据串并转换模块、数据传输协议模块、CRC校验模块和位同步时钟提出模块；光纤传输模块包括光发送模块和光接收模块；
(1)通过时分复用模块使数字视频信号与通信控制指令互不干涉地在同一信道上交互传输，信号在时域中互不重叠，实现单光纤有序融合传输；
(2)通过数据串并转换模块，将数字视频信号的串行数据转换为并行数据在FPGA内部进行处理，以提高数据处理效率；
(3)通过数据传输协议模块使接收端准确判断有效数据的起止位；数据传输协议模块定义的数据传输帧为34位，第一位和最后一位分别为起始位与终止位，起始位与终止位之间依次有4位地址位，4位数据类型位，8位有效数据，16位CRC校验码；起始位为“0”，停止位为“1”，空闲时信道一直处于高电平，当检测到低电平，起始位为“0”时表明有效数据帧开始传输；当发送计数器的值为34而且最后一位为“1”时，表明1帧数据传输完毕；
(4)通过CRC编码校验模块，利用除法及余数的原理根据16位CRC校验码作错误侦测；CRC编码校验模块的发送端把计算出的CRC数值连同数据一起发送出去，CRC编码校验模块的接收端对采集数据进行CRC数值计算，与接收到的CRC数值对比，以此来进行误码检测；
(5)数字视频信号按照系统设定的帧频实时发送，通信控制指令非实时发送，通过数据融合模块融合通信控制指令与数字视频信号；数据融合模块中的定时器为两组数据信号提供统一的基准时间信号，数据融合模块中的码速调整模块把两组数字信号进行频率、相位调整，形成与基准时间信号完全同步的数字信号，最终在数据融合模块中通过时隙复用形成数据格式一致的数字信号；
(6)通过数据串并转换模块，将在数据融合模块中通过时隙复用形成数据格式一致的数字信号的并行数据转换为串行数据；
(7)通过CMI编码模块将普通二进制码转换成适合光纤传输的CMI编码方式发送到光发送模块，通过光发送模块发送到信号处理单元；CMI码是一种两电平非零码，其编码规则为：“1”码交替用“00”、“11”两位码表示，“0”码固定用“01”表示；根据编码规则，CMI编码模块包括码识别器、“1”码编码器、“0”码编码器、“1”码输出选择器、时序控制和输出模块；由于“1”码交替用“00”、“11”表示，在“1”码编码器中设置一个输出记忆单元，该单元通过D触发器实现，D触发器每接收到一个“1”码就翻转一次，来实现记忆“1”码的编码状态；
(8)在CMI解码模块中，从起始位开始把CMI码流的两个码元分为一组进行判断，若为“00”或“11”，则输出“1”；若为“01”，则输出“0”；根据上述解码规则，CMI解码模块包括起始码元判断模块、码分组器、“1”码解码器、“0”码解码器和时序控制模块；CMI编码时，第一次对“1”编码为“00”，空闲时刻信道一直处于逻辑“1”，空闲时刻接收到“00”与“11”交替的码流；从接收到编码后的“01”时，对接收码流进行分组，相邻2个码元为一组；当收到“01”起始位时，表明开始传输有效数据帧，然后进行解码；
(9)数据接收过程中，先通过位同步时钟提出模块控制接收数据的时钟与发送数据的CMI码流位同步，判别有效数据帧的起始位，然依次进行CMI解码、数据串并转换、CRC编码校验，按照信号处理单元的通信协议，融合数字视频信号后发送到红外成像装置。
2.如权利要求1所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其特征在于：FPGA的功能模块通过Verilog HDL硬件描述语言实现。
3.如权利要求2所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其特征在于：FPGA采用Altera公司的Stratix IV系列、光纤传输模块采用AVAGO公司的型号为AFBR-57R5APZ的多模光纤。
4.如权利要求1所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其特征在于：红外数字视频为LVDS图像数据。
5.如权利要求4所述的一种融合红外数字视频图像和通信控制的光纤传输系统，其特征在于：通信控制采用以下方式之一：CAN总线、RS422/485。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160817 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |