CN106791495A - 基于Soc的小型化红外成像器机芯组件 - Google Patents

基于Soc的小型化红外成像器机芯组件 Download PDF

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原亮
毛贵超
郭肇敏
张志恒
支毳鹏
郭文其
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Abstract

本发明属于红外成像器数字图像采集技术领域，具体涉及一种基于Soc的小型化红外成像器机芯组件。该组件包括：探测器信号调理模块、视频压缩存储与网络传输模块；与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：本发明提供了一种基于Soc的红外成像器机芯组件，共三块电路板，尺寸为32mm×32mm×20mm。总重量小于23g。能实现红外成像，网络传输，视频压缩，图像存储与回放等多种功能，系统轻小简便且具有实用性。

Description

基于Soc的小型化红外成像器机芯组件
技术领域
本发明属于红外成像器数字图像采集技术领域，具体涉及一种基于Soc的小型化红外成像器机芯组件。
背景技术
红外成像技术由上世纪二战后兴起，在国防军事，工农业生产和商业民用领域发展迅速并取得广泛应用。随着技术的发展，红外成像技术在各个领域的应用越来越受到人们的重视，发挥着举足轻重的作用。可以说红外成像技术的发展水平是衡量一个国家国防能力和工业化信息化水平的重要指标之一。
红外成像的基本原理是通过镜头聚焦，红外探测器将目标物体的热量信息转换成电信号，机芯组件将此电信号转换、处理为图像信息并输出到显示终端。随着技术的发展上述的基本成像功能已经不能满足日新月异的应用需求，红外成像器机芯组件也随之不断改进与升级，在网络传输、图像处理、视频压缩、存储、交互控制等高新复杂的技术领域进行了广泛的拓展。
传统的红外成像器机芯组件的核心处理系统大多分为两种架构：FPGA+DSP处理系统和FPGA+“软核”处理系统。前者凭借DSP较强的运算和数据处理能力，配合FPGA流水线和并行处理机制，能够很好实现红外成像的非均匀校正，坏元替代，视频合成等主要功能。一般可以通过串口进行交互控制，通过模拟监视器或数字采集设备显示红外图像。此架构的主要优势在于处理器功能强大，能够实现复杂的数据处理算法，缺点在于集成度低，功耗高，电路体积庞大。后者使用了FPGA内部“软核”代替了DSP，能够完全实现红外成像的基本功能，并且具有体积小，功耗低的优势。但是由于“软核”处理器性能的限制，当其应用在网络传输，视频压缩与存储等高性能需求领域时便有些力不从心。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：目前红外成像器机芯组件需要具备丰富多样的功能和高端性能的同时兼具体积小，重量轻，集成度高，扩展方便等迫切的应用需求。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于Soc的小型化红外成像器机芯组件，该组件包括：探测器信号调理模块、视频压缩存储与网络传输模块；
所述探测器信号调理模块包括：模拟信号跟随运放、差分放大运放、AD转换运放；探测器输出的模拟信号首先输入模拟信号跟随运放，再由差分放大运放将单端信号转为差分输出，极大的抑制了信号的共模噪声，再通过AD转换运放转换为数字信号输入到视频压缩存储与网络传输模块进行图像处理；
所述视频压缩存储与网络传输模块包括FPGA模块和ARM模块；其中，FPGA模块和ARM模块集成于Soc内；所述FPGA模块用于完成数字图像的预处理，预处理操作包括非均匀校正，坏元替代，叠加十字光标；FPGA模块处理后的图像数据输出LVDS数字视频数据和PAL制式的模拟视频数据；同时，FPGA模块处理后的图像数据通过AXI总线传输至ARM模块；
所述ARM模块用于对图像数据进行图像压缩编码，并通过网口输出压缩图像，同时通过SD卡完成图像的存储。
其中，所述ARM模块用于完成H.264图像压缩工作；
H.264图像压缩过程包括信号处理、信号量化、信号编码三个阶段；第一是信号处理阶段，该阶段把图像信号进行变换、处理，使数据处于易压缩、量化的状态；第二是量化阶段，量化是用少量值表示多量值的过程；第三是信号编码，即无失真编码，最后产生压缩码流；整个过程的图像数据由DDR进行缓存，压缩后的视频图像由SD卡进行存储或经由网口对外输出。
其中，所述组件还包括供电系统模块，其用于为组件整体提供电源，包括对探测器的供电，对Soc和相关外设提供电源。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：本发明提供了一种基于Soc的红外成像器机芯组件，共三块电路板，尺寸为32mm×32mm×20mm。总重量小于23g。能实现红外成像，网络传输，视频压缩，图像存储与回放等多种功能，系统轻小简便且具有实用性。
附图说明
图1为本发明的机芯系统总体框架图。
图2为本发明探测器信号读出与调理模块框架图。
图3为本发明视频压缩存储与网络传输模块框架图。
图4为本发明供电系统模块框架图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于Soc的小型化红外成像器机芯组件，该组件包括：探测器信号调理模块、视频压缩存储与网络传输模块；
所述探测器信号调理模块包括：模拟信号跟随运放、差分放大运放、AD转换运放；探测器输出的模拟信号首先输入模拟信号跟随运放，再由差分放大运放将单端信号转为差分输出，极大的抑制了信号的共模噪声，再通过AD转换运放转换为数字信号输入到视频压缩存储与网络传输模块进行图像处理；
所述视频压缩存储与网络传输模块包括FPGA模块和ARM模块；其中，FPGA模块和ARM模块集成于Soc内；所述FPGA模块用于完成数字图像的预处理，预处理操作包括非均匀校正，坏元替代，叠加十字光标；FPGA模块处理后的图像数据输出LVDS数字视频数据和PAL制式的模拟视频数据；同时，FPGA模块处理后的图像数据通过AXI总线传输至ARM模块；
所述ARM模块用于对图像数据进行图像压缩编码，并通过网口输出压缩图像，同时通过SD卡完成图像的存储。
其中，所述ARM模块用于完成H.264图像压缩工作；
H.264图像压缩过程包括信号处理、信号量化、信号编码三个阶段；第一是信号处理阶段，该阶段把图像信号进行变换、处理，使数据处于易压缩、量化的状态；第二是量化阶段，量化是用少量值表示多量值的过程；第三是信号编码，即无失真编码，最后产生压缩码流；整个过程的图像数据由DDR进行缓存，压缩后的视频图像由SD卡进行存储或经由网口对外输出。
其中，所述组件还包括供电系统模块，其用于为组件整体提供电源，包括对探测器的供电，对Soc和相关外设提供电源。
实施例1
结合FPGA+DSP处理系统和FPGA+“软核”处理系统两种核心处理系统的优缺点，本发明的核心处理器采用了CycloneV系列的Soc芯片。该芯片内嵌一个高性能FPGA和一个双核ARM。该芯片功能强大，集成度高。并结合电路板的优化设计，使本发明的红外成像器机芯组件能够满足红外成像，网络传输，视频压缩等多种应用需求。在生物医疗，便携手持红外仪器，车载夜视设备，救灾抢险，人员搜救，无人机载荷等轻小型化的应用领域有着较深的研究意义和较强的实用价值。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种基于Soc的小型化红外成像器机芯组件，所述组件包括：探测器信号调理模块、视频压缩存储与网络传输模块、供电系统模块；每个模块在保证功能和性能的前提下，采取整体优化和“硬件软化”的电路设计思想实现该款机芯的小型化设计要求；
所述探测器信号调理模块包括模拟信号跟随运放、差分放大运放、AD转换运放；用于实现探测器模拟信号的读取放大，噪声抑制和数字量转换。为后续Soc对图像的处理奠定了基础。
所述视频压缩存储与网络传输模块由Soc内的FPGA和ARM配合实现其功能。FPGA完成图像的预处理，ARM完成图像压缩与存储部分。两者通过Soc内部的AXI总线进行数据交互和对DDR的访问。压缩后的图像通过网口传输，图像视频存储在SD卡中，相应的程序代码存储在FLASH中。
所述供电系统模块为机芯系统整体提供电源。包括对探测器的供电，对Soc和相关外设提供多种电源。并针对复杂的外设供电需求和小型化的设计需求进行了电源网路设计优化。
实施例2
本实施例提供一种基于Soc的小型化红外成像器机芯组件，整体框架如图1所示。描述了机芯组件硬件整体结构和相应的对外接口。探测器输出的信号由调理电路处理成数字信号，在FPGA中完成非均匀校正，坏元替代，叠加十字光标等图像预处理操作后直接输出LVDS数字视频和PAL制式的模拟视频。亦可以通过AXI总线和DDR将图像数据在ARM中完成图像压缩编码，通过网口输出压缩图像。并通过SD卡完成图像的存储。整个程序以及操作系统相关代码存储在FLASH中，与用户的交互式控制由串口完成。整个机芯共三块电路板，通过芯片选型优化，“硬件软化”等电路小型化设计思想，每块电路板尺寸仅为32mm×32mm。
所述探测器信号读出与调理模块如图2所示。探测器输出的信号首先输入跟随运放OPA820(尺寸3mm×3mm)。再由差分运放ADA4932(尺寸3mm×3mm)将单端信号转为差分输出，极大的抑制了信号的共模噪声。再通过14bit的差分ADC(尺寸5mm×5mm)转换为数字信号输入到FPGA进行图像预处理。
所述视频压缩存储与网络传输模块如图3所示。本发明采用Soc内部ARM完成H.264图像压缩工作。H.264压缩算法包括信号处理、信号量化、信号编码三个阶段。第一是信号处理阶段，它是把图像信号进行变换、处理，使数据处于易压缩、量化的状态；第二是量化阶段，量化是用少量值表示多量值的过程；第三是信号编码，即无失真编码，最后产生压缩码流。整个过程的图像数据由DDR进行缓存，压缩后的视频图像由SD卡进行存储，并具有视频回放等功能。内核和程序代码存储于串行FLASH中，可以实现机芯上电自启动。本发明采用的“硬件软化”的图像压缩方案不需要专用的图像压缩芯片，大幅度节省了电路板空间。
压缩后的图像可以经由网口对外输出。本发明使用AR8035作为网络物理层芯片(尺寸5mm×5mm)，该芯片集成度高，供电种类少。能够很好的满足小型化设计的需求。时钟信号由FPGA内部PLL产生，并由其时钟引脚输出，可以对网络芯片的时钟频率可控使能和灵活配置。同时节省了网络芯片的外部晶振，减小了电路板尺寸。进一步体现了本发明“硬件软化”的电路小型化设计思想。
所述供电系统模块如图4所示。根据机芯小型化设计需求，主要电源芯片选取了EP53F8QI(尺寸3mm×3mm)，其内部集成电感，外围电路轻小简单。对探测器的偏压提供和供电均采取的DAC+运放的组合方式，以应对某些探测器有上电顺序的要求，不需要额外增加LDO为探测器供电，大幅节省了电路板空间，减小了机芯的尺寸。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于Soc的小型化红外成像器机芯组件，其特征在于，该组件包括：探测器信号调理模块、视频压缩存储与网络传输模块；
所述探测器信号调理模块包括：模拟信号跟随运放、差分放大运放、AD转换运放；探测器输出的模拟信号首先输入模拟信号跟随运放，再由差分放大运放将单端信号转为差分输出，极大的抑制了信号的共模噪声，再通过AD转换运放转换为数字信号输入到视频压缩存储与网络传输模块进行图像处理；
所述视频压缩存储与网络传输模块包括FPGA模块和ARM模块；其中，FPGA模块和ARM模块集成于Soc内；所述FPGA模块用于完成数字图像的预处理，预处理操作包括非均匀校正，坏元替代，叠加十字光标；FPGA模块处理后的图像数据输出LVDS数字视频数据和PAL制式的模拟视频数据；同时，FPGA模块处理后的图像数据通过AXI总线传输至ARM模块；
所述ARM模块用于对图像数据进行图像压缩编码，并通过网口输出压缩图像，同时通过SD卡完成图像的存储。
2.如权利要求1所述的基于Soc的小型化红外成像器机芯组件，其特征在于，所述ARM模块用于完成H.264图像压缩工作；
H.264图像压缩过程包括信号处理、信号量化、信号编码三个阶段；第一是信号处理阶段，该阶段把图像信号进行变换、处理，使数据处于易压缩、量化的状态；第二是量化阶段，量化是用少量值表示多量值的过程；第三是信号编码，即无失真编码，最后产生压缩码流；整个过程的图像数据由DDR进行缓存，压缩后的视频图像由SD卡进行存储或经由网口对外输出。
3.如权利要求1所述的基于Soc的小型化红外成像器机芯组件，其特征在于，所述组件还包括供电系统模块，其用于为组件整体提供电源，包括对探测器的供电，对Soc和相关外设提供电源。
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