CN111208765B - 用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，包括CPU子系统、存储器子系统、算法子系统、输入采样子系统、数据输出子系统、控制输出子系统、通用外设子系统、时钟复位子系统、AHB总线、桥和APB总线。本发明片内集成的子系统能够对红外传感器信号系统中的图像信号进行采集、分析处理及输出，并具有温度监测功能，实现了红外传感器信号采集一体化系统的单片化，解决了红外传感器信号采集一体化系统中分立器件集成实现方案的系统开发复杂度高、体积大、功耗高的问题，也便于用户进行二次集成应用，而且还能满足红外图像处理领域类似的应用需求。

Description

用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构

技术领域

本发明涉及红外图像处理领域，特别涉及一种用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构。

背景技术

红外传感器信号采集一体化系统包含红外传感器信号调理、采集、自适应增益及偏置控制、图像预处理及传输、传感器偏置电源管理、探测器时序产生、温度监测等功能集成，同时嵌入了可编程微处理器。需要实现红外传感器信号采集一体化系统，需要ADC采集图像信号，通过增益反馈技术，然后通过自适应图像算法处理，最后通过并串转换输出。根据红外传感器信号采集一体化系统的控制需求，红外传感器信号采集一体化系统至少需要模数转换器(ADC)芯片、可变增益放大器(PGA)芯片、32位处理器、算法处理模块、并串转换模块、电源管理单元。

对于制冷型红外成像系统，我国目前具备生产能力的红外焦平面传感器最大面阵为640×512，其图像信号处理电路组件仍采用分立式器件搭建的方式，包括ADC、FPGA等器件。对于非制冷红外成像系统，我国已研发了由320×240热敏电阻焦平面列阵传感器、长波红外透镜，其图像信号处理电路组件包括ADC、数字信号处理器(DSP)、嵌入式PC机以及液晶显示器等，但是到目前为止，国内还没有多功能高精度信号采集系统芯片产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构。

本发明的技术方案如下：

一种用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，包括CPU子系统、存储器子系统、算法子系统、输入采样子系统、数据输出子系统、控制输出子系统、通用外设子系统和时钟复位子系统，所述CPU子系统通过AHB总线与存储器子系统、算法子系统、输入采样子系统和数据输出子系统电连接，所述AHB总线通过桥与APB总线电连接，所述APB总线分别与所述控制输出子系统、通用外设子系统和时钟复位子系统电连接。

进一步的，所述输入采样子系统包括可变增益放大器和模数转换器，所述可变增益放大器与模数转换器的输入端电连接，所述模数转换器的输出端通过AHB总线与算法子系统电连接。

进一步的，所述算法子系统包括自动增益控制单元和图像预处理单元，所述自动增益控制单元和图像预处理单元均与AHB总线电连接；所述自动增益控制单元将模数转换器输出的信号送给图像预处理单元，并根据模数转换器输出信号的功率值对可变增益放大器的增益进行自动调节，所述图像预处理单元对模数转换器输出的信号进行图像预处理后送到数据输出子系统。

进一步的，所述自动增益控制单元对可变增益放大器的增益进行自动调节的过程包括以下步骤：

步骤S1、设置图像的尺寸，并根据图像尺寸设置偏压高门限和偏压低门限的值；

步骤S2、计算图像输入数据点的数据均值；

步骤S3、根据数据均值和图像各输入数据点的数据值计算图像输入数据点的均方差求和值；

步骤S4、根据均方差求和值及图像输入数据点个数算出归一化的功率值；

步骤S5、将归一化的功率值与偏压高门限进行比较，若归一化的功率值比偏压高门限高，则执行步骤S501，否则，执行步骤S6；

步骤S501、减小PGA的增益，返回执行步骤S2；

步骤S6、将归一化的功率值与偏压低门限进行比较，若归一化的功率值比偏压低门限低，则执行步骤S601，否则，直接返回执行步骤S2；

步骤S601、增大PGA的增益，返回执行步骤S2。

进一步的，所述图像预处理单元采用盲元补偿算法和非均匀行校正算法进行图像预处理，所述盲元补偿算法使用含有梯度补偿的盲元算法，采用几何均值滤波器，所述非均匀性校正算法使用两点校正法。

进一步的，所述控制输出子系统包含传感器低噪声偏置电压单元、探测器时序产生单元和温度检测单元，所述低噪声偏置电压单元、探测器时序产生单元和温度检测单元均与APB总线电连接。

进一步的，所述传感器低噪声偏置电压单元为多通道低噪声程控电压源，低噪声电压源内部集成8位数模转换器、基准电路、缓冲电路，且具有使能功能，可用于提供高精度电源；所述探测器时序产生单元由系统时钟通过PLL及分频电路生成外部时序及控制信号用于对红外图像传感器进行控制；所述温度检测单元用于对所述SoC芯片结构的温度进行检测，在SoC芯片结构的温度过高或者过低时，产生异常信号送给CPU子系统。

进一步的，所述CPU子系统包括中央处理器、唤醒中断控制器和调试接口，所述唤醒中断控制器和调试接口均与中央处理器电连接，所述中央处理器与AHB总线电连接，所述唤醒中断控制器完成唤醒和中断控制功能，所述调试接口实现芯片调试功能。

进一步的，所述时钟复位子系统包括锁相环、上电复位单元和时钟及复位信号整形单元。所述锁相环为通用的片上锁相环和，实现8倍频功能；所述上电复位单元为通用模块，所述时钟及复位信号整形单元实现对时钟和复位信号的整形滤波处理。

有益效果：本发明片内集成的子系统能够对红外传感器信号系统中的图像信号进行采集、分析处理及输出，并具有温度监测功能，实现了红外传感器信号采集一体化系统的单片化，解决了红外传感器信号采集一体化系统分立器件集成实现方案的系统开发复杂度高、体积大、功耗高的问题，也便于用户进行二次集成应用，而且还能满足红外图像处理领域类似的应用需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明自动增益控制调节的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明一种应用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构的较佳实施方式包括CPU子系统(CPU Subsystem)、存储器子系统(Memory Subsystem)、AHB总线、APB总线、桥(Bridge)、数据输出子系统(Output Subsystem 1)、控制输出子系统(OutputSubsystem 2)、输入采样子系统(Sample Subsystem)、算法子系统(AlgorithmSubsystem)、通用外设子系统(Peripheral Subsystem)和时钟复位子系统(CLK/RSTSubsystem)。

CPU子系统(CPU Subsystem)以AHB总线上主设备的方式工作，通过AHB总线与其他子系统进行通信，所述CPU子系统包括CPU(中央处理器)、WIC(唤醒中断控制器)和JTAG(调试接口)。所述CPU与AHB总线电连接，所述WIC与CPU电连接，完成唤醒和中断控制功能，所述JTAG与CPU电连接，实现芯片调试功能；存储器子系统(Memory Subsystem)可以包括DMA(直接存储访问)、SRAM(静态随机存储)和eflash(嵌入式内存flash)，所述DMA、SRAM和eflash为通用模块，且所述DMA、SRAM和eflash均与AHB总线电连接。

所述输入采样子系统(Sample Subsystem)包括PGA(可变增益放大器)和ADC(模数转换器)；所述ADC的输入端与PGA电连接，输出端通过AHB总线与算法子系统电连接，所述ADC为单通道ADC，其ENOB≥14位，采样率可达20Msps。

所述算法子系统(Algorithm Subsystem)包括自动增益控制单元和图像预处理单元，所述自动增益控制单元和图像预处理单元均与AHB总线电连接；所述自动增益控制单元将模数转换器输出的信号送给图像预处理单元，并根据模数转换器输出信号的功率值对可变增益放大器的增益进行自动调节，所述图像预处理单元对模数转换器输出的信号进行图像预处理后送到数据输出子系统。

所述数据输出子系统(Output Subsystem 1)包括并串转换单元和LVDS接口；所述并串转换模块的输入端通过AHB总线与图像预处理单元的输出端电连接，输出端与LVDS接口电连接，所述LVDS接口的输出频率为160MHz。

所述控制输出子系统(Output Subsystem 2)包括传感器低噪声偏置电压单元、探测器时序产生单元和温度检测单元；所述低噪声偏置电压单元、探测器时序产生单元和温度检测单元均与APB总线电连接。所述传感器低噪声偏置电压单元为多通道低噪声程控电压源，低噪声电压源内部集成8位数模转换器、基准电路、缓冲电路，且具有使能功能，可用于提供高精度电源；所述探测器时序产生单元由系统时钟通过PLL及分频电路生成外部时序及控制信号用于对红外图像传感器进行控制；所述温度检测单元用于对所述SoC芯片结构的温度进行检测，在SoC芯片结构的温度过高或者过低时，产生异常信号送给CPU子系统。

所述通用外设子系统(Peripheral Subsystem)包括UART(通用异步收发传输器)、SPI(串行外设接口)、GPIO(通用输入/输出)和TIMERS(计时器)；所述UART、SPI、GPIO和TIMERS都为通用模块，所述通用外设子系统中的每个模块都与APB总线连接；通用外设子系统可实现本芯片对芯片原子钟其他系统的控制和信息交互，以及和上位机的信息交互等功能。

所述时钟复位子系统(CLK/RST Subsystem)包括PLL(锁相环)、POR(上电复位单元)和CLK/RST(时钟及复位信号整形单元)；所述PLL、POR为通用片上锁相环和上电复位单元，PLL可以实现8倍频功能；CLK/RST实现对时钟和复位信号的整形滤波处理等功能，从而为系统提供一个干净、可靠的时钟和复位信号。

本实施例的工作原理如下：

如图1所示，芯片外部的红外传感器采集的图像信号转换成微弱的模拟形式的电信号后传输至输入采样子系统中的PGA从并进行放大，放大的倍数由CPU或自动增益控制单元控制，能够准确识别外部送来的不小于0.1mV的微弱电信号，经放大后的电信号被送到ADC进行量化处理转换为数字信号，之后通过AHB总线输出到自动增益控制单元，自动增益控制单元通过对输入信号功率值的计算，然后与门限设置参数进行比较，根据比较结果产生功率控制信号GAIN_OUT来控制PGA的增益；如图2所示，其具体实现方式包括以下步骤：

步骤S1、设置图像尺寸SIZE的值，并根据图像尺寸SIZE设置偏压高门限POWER_CEIL和偏压低门限POWER_FLOOR；

步骤S2、计算图像输入数据点的数据均值Data_avg，数据均值Data_avg为图像所有输入数据点的数据值DATA_IN之和除以图像输入数据点个数Data_num，再乘以与图像尺寸SIZE负相关的归一化系数；其中，图像输入数据点个数Data_num由图像尺寸SIZE决定，例如，图像尺寸SIZE为64x64，则Data_num＝64x64＝4096；

步骤S3、根据数据均值Data_avg和图像各输入数据点的数据值DATA_IN，计算图像输入数据点的均方差求和值Power_acc_reg；计算公式如下：

Power_acc_reg＝Σ(DATA_IN–Data_avg)^2

步骤S4、根据均方差求和值Power_acc_reg及图像输入数据点个数Data_num计算出归一化的功率值Power_nom；

步骤S5、将归一化的功率值Power_nom与偏压高门限POWER_CEIL进行比较，若归一化的功率值Power_nom比偏压高门限POWER_CEIL高，则执行步骤S501，否则，执行步骤S6；

步骤S501、功率控制信号GAIN_OUT的值减1，使PGA的增益减小，返回执行步骤S2；

步骤S6、将归一化的功率值与偏压低门限POWER_FLOOR进行比较，若归一化的功率值Power_nom比偏压低门限POWER_FLOOR低，则执行步骤S601，否则，功率控制信号GAIN_OUT的值不变，使PGA的增益保持不变，直接返回执行步骤S2；

步骤S601、功率控制信号GAIN_OUT的值加1，使PGA的增益增大，返回执行步骤S2。

ADC采样量化后的数字信号经过自动增益控制单元后，进入图像预处理单元通过盲元补偿算法和非均匀性校正算法进行图像预处理，所述盲元补偿算法使用含有梯度补偿的盲元算法，采用几何均值滤波器，在对图像进行平滑滤波的过程中可以更好的保护细节，所述非均匀性校正算法使用两点校正法，其原理简单，计算量小，容易实现。预处理后的数字信号通过AHB总线传输到数据输出子系统，先经并串转换单元转换为串行信号，再通过LVDS接口输出。

控制输出子系统通过CPU配置产生探测器时序和低噪声偏置电压，集成温度监测功能，实现红外传感器信号采集一体化系统的外部应用。具体的，所述传感器低噪声偏置电压单元为多通道低噪声程控电压源，低噪声电压源内部集成8位数模转换器、基准电路和缓冲电路，且具有使能功能，可对低噪声电压源内部器件和电路的工作状态进行控制，可用于提供高精度电源；所述探测器时序产生单元由系统时钟通过PLL及分频电路生成与红外图像传感器相匹配的外部时序及控制信号，用于对红外图像传感器进行控制；所述温度检测单元用于对所述SoC芯片结构的温度进行检测，在SoC芯片结构的温度过高或者过低时，产生异常信号送给CPU子系统。

通过采用本发明的SoC芯片结构，不但可以实现红外传感器信号采集一体化系统的控制，还可以覆盖大部分红外图像处理系统控制应用需求。本发明的SoC芯片结构能够采用0.18um CMOS工艺制造，实现了红外传感器信号采集一体化系统的单片化，解决了红外传感器信号采集一体化系统分立器件集成实现方案的系统开发复杂度高、体积大、功耗高的问题，而且还便于用户进行二次集成应用。

本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，其特征在于：包括CPU子系统、存储器子系统、算法子系统、输入采样子系统、数据输出子系统、控制输出子系统、通用外设子系统和时钟复位子系统，所述CPU子系统通过AHB总线与存储器子系统、算法子系统、输入采样子系统和数据输出子系统电连接，所述AHB总线通过桥与APB总线电连接，所述APB总线分别与所述控制输出子系统、通用外设子系统和时钟复位子系统电连接；

所述输入采样子系统包括可变增益放大器和模数转换器，所述可变增益放大器与模数转换器的输入端电连接，所述模数转换器的输出端通过AHB总线与算法子系统电连接；

所述算法子系统包括自动增益控制单元和图像预处理单元，所述自动增益控制单元和图像预处理单元均与AHB总线电连接；所述自动增益控制单元将模数转换器输出的信号送给图像预处理单元，并根据模数转换器输出信号的功率值对可变增益放大器的增益进行自动调节，所述图像预处理单元对模数转换器输出的信号进行图像预处理后送到数据输出子系统；

自动增益控制单元对可变增益放大器的增益进行自动调节的过程包括以下步骤：

步骤S1、设置图像的尺寸，并根据图像尺寸设置偏压高门限和偏压低门限的值；

步骤S2、计算图像输入数据点的数据均值；

步骤S3、根据数据均值和图像各输入数据点的数据值计算图像输入数据点的均方差求和值；

步骤S4、根据均方差求和值及图像输入数据点个数算出归一化的功率值；

步骤S5、将归一化的功率值与偏压高门限进行比较，若归一化的功率值比偏压高门限高，则执行步骤S501，否则，执行步骤S6；

步骤S501、减小PGA的增益，返回执行步骤S2；

步骤S6、将归一化的功率值与偏压低门限进行比较，若归一化的功率值比偏压低门限低，则执行步骤S601，否则，直接返回执行步骤S2；

步骤S601、增大PGA的增益，返回执行步骤S2。

2.根据权利要求1所述的用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，其特征在于：所述图像预处理单元采用盲元补偿算法和非均匀性 校正算法进行图像预处理，所述盲元补偿算法使用含有梯度补偿的盲元算法，采用几何均值滤波器，所述非均匀性校正算法使用两点校正法。

3.根据权利要求1所述的用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，其特征在于：所述控制输出子系统包含传感器低噪声偏置电压单元、探测器时序产生单元和温度检测单元，所述低噪声偏置电压单元、探测器时序产生单元和温度检测单元均与APB总线电连接。

4.根据权利要求3所述的用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，其特征在于：所述传感器低噪声偏置电压单元为多通道低噪声程控电压源，低噪声电压源内部集成8位数模转换器、基准电路、缓冲电路，且具有使能功能，可用于提供高精度电源；所述探测器时序产生单元由系统时钟通过PLL及分频电路生成外部时序及控制信号用于对红外图像传感器进行控制；所述温度检测单元用于对所述SoC芯片结构的温度进行检测，在SoC芯片结构的温度过高或者过低时，产生异常信号送给CPU子系统。

5.根据权利要求1所述的用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，其特征在于：所述CPU子系统包括中央处理器、唤醒中断控制器和调试接口，所述唤醒中断控制器和调试接口均与中央处理器电连接，所述中央处理器与AHB总线电连接，所述唤醒中断控制器完成唤醒和中断控制功能，所述调试接口实现芯片调试功能。

6.根据权利要求1所述的用于红外传感器信号采集一体化系统的SoC芯片结构，其特征在于：所述时钟复位子系统包括锁相环、上电复位单元和时钟及复位信号整形单元； 所述锁相环为通用的片上锁相环和，实现8倍频功能；所述上电复位单元为通用模块，所述时钟及复位信号整形单元实现对时钟和复位信号的整形滤波处理。

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