CN109357769A - 一种红外焦平面探测器组件信号处理器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外焦平面探测器组件信号处理器，本发明通过将主板和底板进行叠加设计，使得信号处理电路尺寸仅为80mm×60mm，叠层之间高度7.08mm，实现了合理利用探测器周围空间，从而有效解决了现有探测器机芯占用空间较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，特别是涉及一种红外焦平面探测器组件信号处理器。
背景技术
全国产化中波640×512 15μm探测器组件，具有性能高、体积小、重量轻、功耗低等特点，非常适合小体积高端制冷型热像仪应用。处理器组件由探测器、信号处理主板(以下简称主板)、信号处理底板(以下简称底板)、制冷机电源板和探测器驱动板组成。由于现有的主板和底板都是设计在同一块板上，导致探测器占用空间比较大，从而限制了探测器的应用。
发明内容
本发明提供了一种红外焦平面探测器组件信号处理器，以解决现有技术中探测器处理器占用空间较大的问题。
本发明提供了一种红外焦平面探测器组件信号处理器，包括：相互堆叠插接在一起的主板和底板，设置在所述主板和所述底板上的外围接口，以及探测器和探测器驱动板，所述主板和所述底板固定在所述探测器一端，所述探测器的另一端固定有所述探测器驱动板；
所述主板，设置有4片AD7625芯片，用于检测探测器制冷状态、向所述探测器驱动板提供驱动时序和上电信号，接收所述探测器驱动板发送的差分模拟信号，并对所述差分模拟信号进行驱动、放大并经AD转换为数字信号，将所述数字信号经信号处理器进行数字信号处理，向所述底板输出CameraLink数字红外图像及PAL制数字视频时序；
所述底板，与外部电源板连接，用于向所述主板提供电源，将所述主板发送来的PAL制数字视频时序转换为PAL制模拟视频，对CameraLink数字红外图像进行转接，并对TTL电平通讯接口进行磁隔离。
优选地，所述外围接口包括：设置在所述底板上的通讯串口、视频接口，设置在所述主板和所述底板上的电源接口，以及设置在所述主板上的对外接口、键盘接口、下载接口。
优选地，所述主板的核心处理器FPGA为EP3SE50F484I4N；
所述4片AD7625芯片，转换速率为6Mbps，AD接口为串行LVDS接口，通过FPGA的LVDS接口直接连接进行驱动和数据采样，并采用ADR444芯片作为4片AD统一的外部基准，将差分放大器作为AD前端模拟信号的放大和驱动；
所述主板的存储器为16位DDR2存储器，FPGA配置为Half-Rate模式；
所述主板的DDR2供电及SSTL_18IO电平标准由专用的1.8V参考电压供电，FLASH为SPI接口FLASH；
所述主板的LVDS接口，用于对PAL制数字视频时序及CameraLink数字视频由FPGA完成逻辑及时序并输出。
优选地，所述主板上还设有MAX6627芯片，用于进行测温。
优选地，所述主板的测温二极管采样采用LM134H提供恒流源，并利用SPI串行AD进行采样。
优选地，所述底板进一步包括：
共模电感，用于对输入电源进行滤波，并将滤波后的电源分别发送给4路电源芯片进行电源转换；
所述电源芯片，用于对滤波后的电源进行转换，通过对外接口输送给所述主板，并接收外部发送来的控制其自身启动与否的控制信号；
数模转换芯片，用于接收所述主板的PAL制数字视频时序；
视频数模转换芯片为ADV7123芯片，用于将所述主板发来的PAL制数字视频时序转换为PAL制模拟视频，以及将所述主板发来的CameraLink数字红外图像直接进行输出。
优选地，所述底板还包括磁隔离器，所述磁隔离器采用ADUM5400系列磁隔离器。
优选地，所述红外焦平面探测器组件信号处理器的电源芯片采用LTC3621IMS8.
优选地，所述视频接口为标准pal制模拟视频和标准cameraLink数字视频。
本发明有益效果如下：
本发明通过将主板和底板进行叠加设计，使得信号处理电路尺寸仅为80mm×60mm，叠层之间高度7.08mm，实现了合理利用探测器周围空间，从而有效解决了现有探测器处理器占用空间较大的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例红外焦平面探测器组件信号处理器的整体结构示意图；
图2是本发明实施例红外焦平面探测器组件信号处理器的连接关系示意图；
图3是本发明实施例主板结构示意图；
图4是本发明实施例底板结构示意图；
图5是本发明实施例主板正面PCB布局示意图；
图6是本发明实施例主板背面PCB布局示意图；
图7是本发明实施例底板正面PCB布局示意图；
图8是本发明实施例底板背面PCB布局示意图；
图9是本发明实施例AD转换原理示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明第一实施例，提供了一种红外焦平面探测器组件信号处理器，参见图1，包括：相互堆叠插接在一起的主板A和底板B，设置在所述主板A和所述底板B上的外围接口，以及探测器C和探测器驱动板D，所述主板A和所述底板B固定在所述探测器一端，所述探测器C的另一端固定有所述探测器驱动板D，所述主板A和所述底板B还与制冷机驱动板E连接；
所述主板A，设置有4片AD7625芯片，用于检测探测器C制冷状态、向所述探测器驱动板D提供驱动时序和上电信号，接收所述探测器驱动板D发送的差分模拟信号，并对所述差分模拟信号进行驱动、放大并经AD转换为数字信号，将所述数字信号经信号处理器进行数字信号处理，向所述底板B输出CameraLink数字红外图像及PAL制数字视频时序；
所述底板B，与外部电源板连接，用于向所述主板A提供电源，将所述主板A发送来的PAL制数字视频时序转换为PAL制模拟视频，对CameraLink数字红外图像进行转接，并对TTL电平通讯接口进行磁隔离。
本发明实施例通过将主板A和底板B进行叠加设计，使得信号处理电路尺寸仅为80mm×60mm，叠层之间高度7.08mm，实现了合理利用探测器C周围空间，从而有效解决了现有探测器C占用空间较大的问题。
需要说明的是，本发明实施例所述外围接口包括：设置在所述底板B上的通讯串口、视频接口，设置在所述主板A和所述底板B上的电源接口，以及设置在所述主板A上的对外接口、键盘接口、下载接口。
并且，具体实施时，本发明实施例所述视频接口为标准pal制模拟视频和标准cameraLink数字视频。
本发明实施例中，所述主板A的核心处理器FPGA为EP3SE50F484I4N；
并且，本发明实施例所述4片AD7625芯片，转换速率为6Mbps，AD接口为串行LVDS接口，通过FPGA的LVDS接口直接连接进行驱动和数据采样，并采用ADR444芯片作为4片AD统一的外部基准，将差分放大器作为AD前端模拟信号的放大和驱动；
所述主板A的存储器为16位DDR2存储器，FPGA配置为Half-Rate模式；
所述主板A的DDR2供电及SSTL_18IO电平标准由专用的1.8V参考电压供电，FLASH为SPI接口FLASH；
所述主板A的LVDS接口，用于对PAL制数字视频时序及CameraLink数字视频由FPGA完成逻辑及时序并输出。
具体实施时，本发明实施例所述主板A上还设有MAX6627芯片，用于进行测温。其中，所述主板A的测温二极管采样采用LM134H提供恒流源，并利用SPI串行AD进行采样。
本发明实施例中，所述底板B进一步包括：
共模电感，用于对输入电源进行滤波，并将滤波后的电源分别发送给4路电源芯片进行电源转换；
所述电源芯片，用于对滤波后的电源进行转换，通过对外接口输送给所述主板A，并接收外部发送来的控制其自身启动与否的控制信号；
数模转换芯片，用于接收所述主板A的PAL制数字视频时序；
视频数模转换芯片为ADV7123芯片，用于将所述主板A发来的PAL制数字视频时序转换为PAL制模拟视频，以及将所述主板A发来的CameraLink数字红外图像直接进行输出。
以及，磁隔离器，所述磁隔离器采用ADUM5400系列磁隔离器。
具体实施时，本发明实施例所述红外焦平面探测器C组件信号处理器的电源芯片采用LTC3621IMS8。
本发明第二实施例所述红外焦平面探测器组件信号处理器的连接关系，如图2所示，本发明实施例的红外焦平面探测器组件信号处理器由中波国产640×512 15μm探测器组件及主板、底板、制冷机电源板、探测器驱动板(一对)组成。
本发明实施例的主板用于检测探测器制冷状态、向驱动板提供驱动时序和上电信号；接收驱动板发送的差分模拟信号，并对此信号进行驱动、放大并经AD转换为数字信号；此数字信号经信号处理器进行非均匀性校正、盲元填充、直方图映射、数字图像增强、字符叠加等数字信号处理，输出CameraLink数字红外图像及PAL制视频数字时序供系统使用。同时，信号处理电路通过串口、键盘接口等完成对热像仪信号处理的功能控制与切换选择。主板硬件框图和功能说明如图3所示：
主板核心处理器选用EP3SE50F484I4N，该器件内部设计资源丰富，实现信号处理程序后，逻辑资源占用率约为70％，存储资源占用率约为60％，乘法器资源占用率约为20％，模拟锁相环占用率为75％，数字锁相环占用率为25％，能够满足FPGA相关降额使用的需求。
AD设计采用4片AD7625芯片，转换速率为6Mbps。此芯片为SARPlus类型芯片，具有极低的INL和DNL，可有效保证热像仪数据采样的线性度，避免多通道间的不一致性。AD接口为串行LVDS，通过FPGA的LVDS接口直接连接进行驱动和数据采样。为保证多通道间的一致性，采用ADR444芯片作为4片AD统一的外部基准。由于此AD动态范围为±4.096V，因此选用差分放大器LTC6403作为AD前端模拟信号的放大和驱动，该运放在保证低功耗的前提下很好地保证了运放的性能。
存储器方面，选用ISSI公司的型号为IS43DR16160C-3DBLI的16位DDR2存储器，3SI4L系列FPGA配置为Half-Rate模式时最高支持250MHz的DDR2外部存储器读取速率，按200MHz使用计算，通过DMA控制器读取到FPGA内部的数据为100MHz、64bits，带宽0.8GB/S，远高于系统所需带宽。DDR2供电及SSTL_18IO电平标准由专用的1.8V参考电压供电，在PCB设计过程中，严格按照DDR2设计规范进行分组等长走线，FPGA采用自校准终端匹配模式，保证信号完成性。FLASH方面选用ATMEL公司AT45DB642DCNU型号的SPI接口FLASH，总容量为64Mbits，FRAM采用FM25L256B-G的铁电存储器，具有256K随机存储深度，可保证数字信号处理板完成开机时间、次数等状态的记录。
测温二极管采样采用LM134H提供恒流源，利用SPI串行AD进行采样，采样基准为1.25V，采样精度12bit，能够满足1K温度分辨率的转换精度需要。FPGA测温采用MAX6627芯片。
PAL制视频数字时序及CameraLink数字视频由FPGA完成逻辑及时序并输出。CameraLink数字视频在FPGA内部按照CameraLink逻辑协议及ChannelLink物理协议标准实现，由FPGA的LVDS输出IO直接输出，替代独立的发送芯片。
本发明实施例的底板用于向主板提高高质量电源；将主板发送的PAL制视频数字时序利用ADV7123芯片转换为PAL制模拟视频，对CameraLink数字视频进行转接；对TTL电平通讯接口进行磁隔离，避免系统电源环路造成的热像仪干扰。底板硬件框图和功能说明如图4所示。
电源芯片采用凌特专为电池系统设计的高效率低噪声开关电源控制芯片LTC3621IMS8，通过调试，电源系统在实际工作情况下的平均效率大于92％。
隔离方面采用AD公司的ADUM5400系列磁隔离器，利用较低的功耗实现真正的电学隔离并自带系统端工作所需的隔离电源。
模拟视频方面采用经典的ADV7123芯片作为视频数模转换芯片，具有稳定可靠、性能高的特点。
本发明实施例的处理器供电范围为6.0V-16V，信号处理功耗小于3W，具备CameraLink格式数字视频输出、PAL制模拟视频输出及标准TTL电平通讯接口。电源共地方面采用模拟地、数字地分割设计的方法，保证了热像仪机芯的成像信噪比。除热像仪机芯必备的探测器驱动、信号采集及图像处理功能外，该处理器还具备非均匀性参数采集及计算、自动盲元识别及填充、图像增强等功能，便于系统的直接集成。
信号处理电路尺寸为80mm×60mm，叠层之间高度7.08mm，合理利用探测器周围空间，此外，可根据不同应用要求，改变探测器驱动板出线方向，极大缩短了设计周期。
本发明实施例的主板和底板通过接插件采用对插形式堆叠而成，下方58mm×7mm开槽是为底板接插件放置留出空间和高度，主板PCB布局图如图5和图6所示。
底板右侧40mm×14mm开槽是为探测器驱动板与主板对插预留走线空间，底板PCB布局图如图7和图8所示。
本发明实施例的AD设计采用4片AD7625芯片，由ADR444芯片作为4片AD统一的外部基准，选用差分放大器LTC6403作为AD前端模拟信号的放大和驱动，AD转换部分原理图如图9所示。
由于AD7625最大转换速率6Mbps，为满足更大转换速率，可以采用AD7626进行同封装垂直替代，最大转换速率可达到10Mbps。
底板对外接插件可根据应用要求进行更换，目前对外输出接口有标准PAL制视频、标准CameraLink视频、4对串口收发接口和处理器上电控制信号。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，包括：相互堆叠插接在一起的主板和底板，设置在所述主板和所述底板上的外围接口，以及探测器和探测器驱动板，所述主板和所述底板固定在所述探测器一端，所述探测器的另一端固定有所述探测器驱动板，所述主板和所述底板还与制冷机驱动板连接；
所述主板，设置有4片AD7625芯片，用于检测探测器制冷状态、向所述探测器驱动板提供驱动时序和上电信号，接收所述探测器驱动板发送的差分模拟信号，并对所述差分模拟信号进行驱动、放大并经AD转换为数字信号，将所述数字信号经信号处理器进行数字信号处理，向所述底板输出CameraLink数字红外图像及PAL制数字视频时序；
所述底板，与外部电源板连接，用于向所述主板提供电源，将所述主板发送来的PAL制数字视频时序转换为PAL制模拟视频，对CameraLink数字红外图像进行转接，并对TTL电平通讯接口进行磁隔离。
2.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，所述外围接口包括：设置在所述底板上的通讯串口、视频接口，设置在所述主板和所述底板上的电源接口，以及设置在所述主板上的对外接口、键盘接口、下载接口。
3.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，
所述主板的核心处理器FPGA为EP3SE50F484I4N；
所述4片AD7625芯片，转换速率为6Mbps，AD接口为串行LVDS接口，通过FPGA的LVDS接口直接连接进行驱动和数据采样，并采用ADR444芯片作为4片AD统一的外部基准，将差分放大器作为AD前端模拟信号的放大和驱动；
所述主板的存储器为16位DDR2存储器，FPGA配置为Half-Rate模式；
所述主板的DDR2供电及SSTL_18IO电平标准由专用的1.8V参考电压供电，FLASH为SPI接口FLASH；
所述主板的LVDS接口，用于对PAL制数字视频时序及CameraLink数字视频由FPGA完成逻辑及时序并输出。
4.根据权利要求3所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，
所述主板上还设有MAX6627芯片，用于进行测温。
5.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，
所述主板的测温二极管采样采用LM134H提供恒流源，并利用SPI串行AD进行采样。
6.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，所述底板进一步包括：
共模电感，用于对输入电源进行滤波，并将滤波后的电源分别发送给4路电源芯片进行电源转换；
所述电源芯片，用于对滤波后的电源进行转换，通过对外接口输送给所述主板，并接收外部发送来的控制其自身启动与否的控制信号；
数模转换芯片，用于接收所述主板的PAL制数字视频时序；
视频数模转换芯片为ADV7123芯片，用于将所述主板发来的PAL制数字视频时序转换为PAL制模拟视频，以及将所述主板发来的CameraLink数字红外图像直接进行输出。
7.根据权利要求6所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，所述底板还包括磁隔离器，所述磁隔离器采用ADUM5400系列磁隔离器。
8.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，
所述红外焦平面探测器组件信号处理器的电源芯片采用LTC3621IMS8。
9.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器组件信号处理器，其特征在于，所述视频接口为标准pal制模拟视频和标准cameraLink数字视频。
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