（微电子学与固体电子学专业论文）红外图像记录设备的设计与实现.pdf

中北大学学位论文 红外图像记录设备的设计与实现 摘要 近年来，红外热像仪具备了越来越高的军事应用价值和民用价值。本文设计的数字 红外图像记录设备，主要用于对红外热像仪输出的数字视频信号进行实时完整的记录， 事后可将记录的内容以原格式输出，并可输出标准的模拟视频信号供监视器观察。 文中重点论述了红外图像记录设备的硬件设计和工程实现。记录设备的组成主要包 括控制卡和存储卡，控制卡采用了f p g a + u s b 单片机+ 视频d a c 的体系结构，存储卡采用 f p g a + f l a s h 存储阵列的结构，另外，该设备配备了遥控器，可远程遥控记录设备的状态， 并可将设备的信息实时显示到液晶屏上。文中还介绍了记录设备和遥控器的结构设计。 本文主要完成的主要工作如下： ( 1 ) 根据任务要求，分析红外图像记录设备的技术指标，给出了设计方案。 ( 2 ) 设计了控制卡和存储卡的硬件电路，并对电路中各芯片实现的功能及芯片间 的接口逻辑时序进行了详细的说明。 ( 3 ) 重点论述了视频d h c 的寄存器配置方法及控制时序逻辑的设计方法。 ( 4 ) 重点介绍了暂停播放、逐场播放、快进快退等功能的设计思路和实现方法。 ( 5 ) 介绍了遥控器的设计。 ( 6 ) 对设备调试过程中遇到的问题进行了说明，并给出了实际的解决办法和改进 措施。 关键词：红外图像，记录设备，遥控器，视频编码芯片 中北大学学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f i n f r a r e di m a g er e c o r d d e v i c e a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e rh a sh i g h e ra n dh i g h e ra p p l i c a t i o nv a l u ei nm i l i t a r y a f f a i ra n dc i v i la r e a t h ei n f r a r e di m a g er e c o r dd e v i c ed e s i g n e di nt h et h e s i sa p p l y st or e c o r d d i g i t a lv i d e os i g n a lo u t p u tb yi n f r a r e dt h e r m a li m a g e rc o m p l e t e l yi nr e a lt i m e ，a n dt h e n o u t p u tt h ed i g i t a lv i d e os i g n a li nt h eo r i g i n a lf o r m a t , a sw e l l 勰t h es t a n d a r da n a l o gv i d e o s i g n a lw h i c hi su s e dt ob eo b s e r v e db ym o n i t o r t h et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e sh a r d w a r ed e s i g na n dp r o j e c tr e a l i z a t i o no fi n f r a r e di m a g e r r e c o r d t h er e c o r de q u i p m e n tm a i n l yc o n s i s t so fc o n t r o lc a r d ，w h i c ha d o p t sas y s t e m a t i c s t r u c t u r eo ff p g a + u s bm c u + v i d e od a c ，a n dm e m o r yc a r d ，w h i c ha d o p t sm e m o r ya r r a y a l s t r u c t u r eo ff p g a + f l a s h b e s i d e s ，t h i ss y s t e me q u i p sr e m o t ed e v i c ew h i c hc a nc o n t r o lt h e s t a t eo ft h er e c o r dd e v i c er e m o t e l y , a n ds h o wt h em e s s a g eo n t ot h el c ds g r e g nr e a lt i m e t h e t h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h es t r u c t u r ed e s i g no ft h er e c o r dd e v i c ea n dr e m o t ed e v i c e t h ef o l l o w i n gi s s u e sa r em a i n l yd i s c u s s e di nt h et h e s i s ： ( 1 ) t h et h e s i sa n a l y z e st h et e c h n i c a li n d e x e so fi n f r a r e di m a g er e c o r dd e v i c ea n dg i v i n g d e s i g np r o j e e t ( 2 ) c o n t r o lc a r da n dm e m o r yc a r dw a r ec i r c u i t s ，a n df u n c t i o n so fm a i nc h i p sa n dt h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l ( 3 ) m a i n l yd i s c u s s e st h ew a y t or e g i s t e r sc o n f i go fv i d e od a ca n dt h ed e s i g no fc o n t r o l t i m i n gl o g i c ( 4 ) m a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g nt h i n k i n ga n dr e a l i z a t i o nw a y so ft h ef u n c t i o no fp a u s e ， f a s tf o r w a r d ，f a s tb a c k w a r da n ds oo n ( 5 ) i ta l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g no fr e m o t ed e v i c e 。 ( 6 ) g i v e se x p l a n a t i o na n ds o l u t i o nt ot h ep r o b l e md u r i n gd e b u g g i n gt h ed e v i c e k e y w o r d ：i n f r a r e di m a g e ，r e c o r dd e v i c e ，r e m o t ed e v i c e ，v i d e oe n c o d i n gc h i p 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 导师签名：夕l | 、弓 、” 一 日期： 日期： 中北大学学位论文 1 1 课题的研制背景及意义 第一章绪论 红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等 手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品【i 】。 近年来，红外热像仪的应用越来越广泛，不仅在军事方面有应用价值，而且民用方 面也有了广泛的应用。随着热成像技术的成熟，各种低成本适于民用的热像仪的问世， 它在国民经济各部门发挥着越来越大的作用。在工业生产中，许多设备常处于高温、高 压和高速运行状态，应用红外热像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全 运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利用热像仪还可进行工业产品质量 控制和管理。例如，在钢铁工业中的高炉和转炉所用耐火材料的烧蚀磨损情况，可用热 像仪进行观测，及时采取措施检修，防止事故发生。又如，在石化工业中，热像仪可监 视生产设备和管道的运行情况，随时提供有关沉淀形成、流动阻塞、漏热温度隔热材料 变质等数据。再如，在电力工业中，发电机组、高压输电和配电线路可用热像仪沿线扫 查，找出故障隐患，及时排除，杜绝事故的发生。在电子工业中，也可用热像仪检查半 导体器件、集成电路和印刷电路板等的质量情况，发现其他方法难以找到的故障。此外， 红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重要的应用。 如建筑物漏热查寻、森林探火、火源寻找、海上救护、矿石断裂判别、导弹发动机检查、 公安侦察以及各种材料及制品质无损检查等1 2 1 1 5 1 。 红外热像仪可以输出视频信号，如果要将视频信号长期保存下来，就需要用到记录 设备，将视频信号存储后上传到计算机，由计算机做运算处理和分析。由于红外热像仪 主要用来作侦查和监控之用，所以一般红外热像仪并没有配备大容量存储器，而只能保 存一定数量的图片，不能存储大段的视频数据。目前具有大容量存储功能的红外热像仪 大都基于p c i 总线或u s b 总线，即通过自身配备的p c i 或u s b 接口直接与计算机相连，实 时终热像仪的视频数据存储到计算机硬盘上，然而这种热像仪的便携性并不高，不适宜 在户外使用。 本文设计的红外图像记录设备是专为方便某研制设备的开发而设计的，主要用于外 中北大学学位论文 场试验的事后分析和后期的算法改进和完善。设备的主要用途是完成对红外热像仪所输 出的数字视频信号进行实时完整的记录，事后将已记录的内容以原格式输出，同时输出 标准模拟视频信号给监视器供观察。 1 2 国内外研究概况及动态 1 8 0 0 年，英国物理学家f w 赫胥尔发现了红外线，从此开辟了人类应用红外技术 的广阔道路。在第二次世界大战中，德国人用红外变像管作为光电转换器件，研制出了 主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础1 4 j 。 二次世界大战后，首先由美国经过近一年的探索，开发研制的第一代用于军事领 域的红外成像装置，称之为红外寻视系统( f l i r ) ，它是利用光学机械系统对被测目标 的红外辐射扫描。由光子探测器接收两维红外辐射迹象，经光电转换及一系列仪器处理， 形成视频图像信号。这种系统、原始的形式足一种非实时的自动温度分布记录仪，后来 随着五十年代锑化铟和锗掺汞光子探测器的发展，才开始出现高速扫描及实时显示目标 热图像的系统。 六十年代早期，瑞典研制成功第二代红外成像装置，它是在红外寻视系统的基础上 增加了测温的功能，称之为红外热像仪。开始由于保密的原因，在发达的国家中也仅限 于军用，投入应用的热成像装置可的黑夜或浓厚幕云雾中探测对方的目标，探测伪装的 目标和高速运动的目标。由于有国家经费的支撑，投入的研制开发费用很大，仪器的成 本也很高。以后考虑到在工业生产发展中的实用性，结合工业红外探测的特点，采取压 缩仪器造价。降低生产成本并根扼：民用的要求，通过减小扫描速度来提高图像分辨率等 措施逐渐发展到民用领域。 六十年代中期，瑞典研制出第一套工业用的实时成像系统( t h v ) ，该系统由液氮 致冷，li o v 电源电压供电，重约3 5 公斤，因此使用中便携性很差，经过对仪器的几代改 进，1 9 8 6 年研制的红外热像仪己无需液氮或高压气，而以热电方式致冷，可用电池供电： 1 9 8 8 年推出的全功能热像仪，将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体， 重量小于7 公斤，仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。 九十年代中期，美国首先研制成功由军用技术( f p a ) 转民用并商品化的新一红外 热像仪( c c d ) 属焦平面阵列式结构的一种凝成像装置，技术功能更加先进，现场测温 2 中北大学学位论文 时只需对准月标摄取图像，并将上述信息存储到机内的p c 卡上，即完成全部操作，各种 参数的设定可网到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告，由于技术 的改进和结构的改变，取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于二公斤，使用中如同手 持摄像机一样，单手即可方便地操作。 随着非制冷红外技术的发展，红外热像仪行业在民用领域得到了广泛的应用，而且 j 下展现出更为广阔的市场需求。根据美国m a x t e c hi n t e r n a t i o n a l2 0 0 5 年发布的红外市场报 告，2 0 0 4 年全球民用红外热像仪及系统产量约为5 万台；而2 0 0 6 年，仅f i l r 公司就取得 了汽车行业中的宝马公司为其新款7 系列轿车配备红外热像仪的订单，并获得了美国政 府3 5 万台的出口许可申请。 随着中国经济、社会的快速发展，中国红外热像仪行业具有巨大的发展宅间。在发 达国家，红外热像仪已配置在陆军、空军、海军等各个军种中，海湾战争中平均每个美 国士兵配备1 7 具红外热像仪。与发达国家相比，目前我国军队中红外热像仪应用的相对 较少。 红外热像仪的研制与丌发涉及到光学、电子、计算机、物理学、图像处理、新材料、 机械等多个学科，研制的难度非常高。近几年来，以大立科技为首的红外热像仪生产企 业通过人才引进、技术攻关和加大投入，在红外热像仪核心零部件( 如探测器) 的开发 以及红外热像仪新产品的开发方面获得重大的突破，使得我国红外热像仪的研究开发能 力得到了很大的提耐引。 近几年来，中国红外热像仪行业良好的发展前景吸引了许多资本进入该行业，据统 计，目i j l 我国红外热像仪的供应商有近十家，但大部分企业的研发实力弱，品牌影响力 小，许多企业实际上是国外产品的代理商或者是组装商。在民用红外热像仪行业，现在 已逐步形成了大立科技、广州飒特和武汉高德占据了6 0 的民用市场的市场格局，产业 集聚现象比较明显。 1 3 论文的内容安排 第一章为绪论部分，首先简述了课题研究背景及研究意义，然后给出国内外的研究 现状，最后是给出本文的内容安排。 第二章为设备的系统方案设计部分，本章首先给出设备的性能指标，然后根据这些 3 中北大学学位论文 要求介绍了系统的总体设计方案，各个模块的组成与功能，以及设备的结构。 第三章为设备的主控卡设计部分，主要介绍了控制卡u s b 接口的设计，视频编码芯 片接口的设计以及f p g a 内部逻辑的设计。 第四章为存储卡的设计部分，主要介绍了存储卡的组成及工作流程，以及f l a s h 无效块管理与视频段扫描，本章重点论述了各种播放方式的设计思路和实现方法。 第五章为遥控器的设计部分，首先介绍了遥控器的组成和低功耗设计，然后对键盘 扫描方法、无线通信指令和液晶显示进行了简介。 最后为结论部分，总结整个课题的研究工作，并对未来工作进行了展望。 4 中北大学学位论文 第二章红外图像记录设备方案 本章将根据设备的技术条件，给出设备的设计方案，包括记录设备与遥控器的组成 和结构。 2 1 设备技术条件 该设备用于发射试验中的红外热像仪的视频信号记录，事后将记录内容以原格式输 出，同时输出p a l 格式的模拟视频信号给监视器供观察。该记录设备需要达到的性能指 标如下： 1 接口 热像仪输出的数字视频信号为3 3 vt t l 电平、1 6 位；连接红外热像仪的输入接口 和数字视频输出接口均采用m i n ii d c 5 0 ( 1 2 7 n m n 问距) ，如图2 1 ，信号定义如表2 1 。 接口的时序如图2 2 、图2 3 。 p i n l 图2 1 热像仪t i n li d c 5 0 接口 5 口 端试调部内 q | l 一 i 广唧 三三 一 一 一 口 0 妾 馁 州 户 h 用 一 一 一 一 = - 一 一 中北大学学位论文 表2 i 热像仪的接口信号定义 端子号 定义说明端子号定义说明 lg n d信号地 2 6g n d 信号地 2g n d2 7v i d e o l 复合视频输出1 3 d 0 最低位 2 8v i d e o l 复合视频输出2 4d 1 2 9 保留 5d 23 0保留悬空 6d 3 3 l 保留 7d 43 2g n d 信号地 8 d 53 3 保留 9d 63 4 保留 1 0d 73 5 保留 1 ld 83 6 保留 1 2d 93 7保留 悬空 1 3d 1 03 8 保留 1 4d 1 13 9 保留 1 5d 1 24 0保留 1 6d 1 34 l 保留 1 7d 1 44 2 保留 1 8d 1 5 最高位 4 3g n d 1 9 v s y n c 场同步信号，2 0 m s 4 4g n d 电源地 2 0 h s y n c 行同步信号，6 4 u s 4 5g n d 2 lm c时钟，6 7 5 m h z4 6g n d 2 2g n d 辅助控制信号 4 7 2 3 保留 4 8 v d d 7 - - 9 v 电源输入 2 4 保留 悬空4 9 2 5 保留 5 0 6 中北大学学位论文 h s y n c 、 47 u s m c 一一， ，f t 一一一一一：、 一一一，) ) 1 4 6 0 u s ：一一一一! 一一j ! 一j l j u 一- j 一u 一i l 。 ) ) d 1 5 一d o l 一_ _ j 一一 图2 2 行内时序 v s y n c i ： 奇数场 r， f f f f h s y n c 一一i _ _ 一i 一z j 。艟j a ，。司r j _ j ：i 拍，1 厂、) d i s - d o 一一一一一r 一：一一 一一石矗一一3 一。 一一，r 一一一i v s v n c 一一 偶数场 m c f ( 3 1 3 3 1 ：一3 5 ：l 3 5 5 3 弱一一i 一_ 5 9 2 5 9 3 “ti 丁) d i s d o 一j i ，t i ：- i o l 囊：盏一5 5 图2 3 场内时序 2 性能要求 ( 1 ) 多段记录 要求记录设备可多段记录，总记录时间不小于3 0 分钟。 ( 2 ) 标准视频输出 要求设备可输出标准的黑白视频，并与数字视频同步输出。 ( 3 ) 功能选择 要求记录设备可以选段播放、快放快退、慢放慢退、暂停、逐场放像、逐场回放等 功能。 ( 4 ) 控制功能 通过无线遥控器可控制视频记录设备的加电、断电、记录、停止等多种状态。 ( 5 ) 显示功能 应能显示记录设备的工作状念及剩余容量等信息。 7 中北大学学位论文 ( 6 ) 备份功能 受记录时问的限制，为了保存大量的视频数据，记录完成后，应能将已记录的数据 通过u s b 接口存入计算机中，还应能将计算机中存入的已录数据下载到数字视频记录设 备来播放。 3 供电 由外部电池供电，电源电压d c + 1 2 v 2 v ，电源电流不超过2 a 。 4 结构要求 记录设备的外形尺寸不大于1 3 0m mx1 3 0 m m 8 0m m ( l w h ) 。 5 环境条件 工作温度：一4 0 + 8 5 。 工作湿度：3 5 相对湿度不超过9 3 。 冲击振动：2 0 9 瞬间冲击。 电磁兼容能力强。 2 2 记录设备组成 记录设备采用板卡式结构，由控制卡、存储卡、无线模块、电源模块和总线背板组 成。设备组成如下图2 4 所示。 控制卡在记录时主要负责接收红外热像仪的数字视频信号，在回放时生成模拟视频 信号，另外负责与计算机的通信；存储卡根据控制卡的命令来存储数据或读取数据；电 源模块用于给控制卡，存储卡和无线模块供电；无线模块用于接收遥控器的无线指令； 背板用于连接各个模块。 8 中北大学学位论文 图2 4 红外图像记录设备组成框图 1 控制卡 控制卡的原理框图如图2 5 所示，该卡以f p g a 作为中心控制单元，使用u s b 接口 芯片与上位机进行通信，使用视频d a c 生成模拟视频信号，通过模拟开关切换记录设备 的模拟视频输出。 图2 5 控制p 原理框图 2 存储卡 存储卡的原理框图如图2 6 所示，存储卡以f p g a 为中心控制单元，使用f l a s h 芯 片作为存储介质。 9 中北大学学位论文 图2 6 存储矗原理框图 3 电源模块与无线模块 电源模块与无线模块的组成框图如下图2 7 所示。 q 电源模块 一+ 5 v lj + 1 2 v - 无 g n d l l 7 8 0 5 1 1g n d ：； 备供电电 线 l 模 + 5 vig n d l + r 块 + 9 v i 。一一。一。一。 d c d c g n d 27 ： 热像仪 t x d r x d 单片机 + 5 v 。i 模块 g n d 2 7 ：控制卡、存储卡 图2 7 电源模块与无线模块的框图 其中d c d c 模块用于将+ 1 2 v 的电压转换为+ 9 v 与+ 5 v 的电压，由于要求可以通过遥 控器控制记录设备的加电和断电，所以利用7 8 0 5 电压转换器将转换后的+ 5 v 电压分别送 给无线模块和单片机，与控制卡与存储卡部分分开供电。 电源模块的工作原理：设备上电后，无线模块和单片机先启动，经过初始化后进入 待机状态，等待遥控器的无线命令，当收到遥控器的加电命令后，单片机将d c d c 模块 的使能端置l 开启d c d c 模块的输出，从而控制卡、存储卡和热像仪开始上电。如果收 到遥控器的断电命令，则单片机将d c d c 模块的使能端拉低，禁止d c d c 模块的输出， 从而将设备的电源切断，此时单片机与无线模块进入待机状态等待遥控器的加电命令。 单片机采用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 1 芯片。无线模块采用上海桑锐电子科技有限公司 的s r w f 5 0 7 模块，该模块可在1 5 m 内可靠传输。 1o 中北大学学位论文 23 记录设备结构 为了降低无线单元的干扰，设各壳体在结构上采取屏蔽隔离措旋旧，如图2 8 所示， 控制卡模块、存储器模块分别存中下层，最上层为电源模块与无线模块，通过屏蔽隔板 与控制模块和存储模块分开。 幽2 8 山部电路模块分配 各模块的安装使用如图29 的“抽屉”式结构最下层为存储模块，中间层为控制 模块，这两个模块分别采用c p c i 接插件与背板连接，最上层为屏蔽隔板，在屏蔽隔板 上安装无线模块与电源模块。 控制卡 存储卡 凹29 记一女设备壳体内部结构示意图 下图2l o 为设备外部示意图，设备的u s b 接口、视频输出接口及设备的状忐指示 中北大学学位论文 灯全部置于前面板，方便观察，红外热像仪输入接口与数字视频输出接口置于右侧面板 上，而电源输入端与无线模块的接口设在后面板上( 圈中未给出) ，无线模块的天线采 用吸盘天线与自备天线结合，吸盘天线可以根据需要随意选择利于传输的可视位置。壳 体四脚底部有4 个螺孔，可用于安装和固定记录设备。 4 3 2 l 0 6 7 8 图2 1 0 记录改备结构示意幽 m 2l o 中，l 、卜盖，2 、前面板螺丝孔，3 、隔离板层面板，4 、u s b 连接器孔、5 、 控制模块层与存储器层面板6 、视频输出r n ，7 、视频输出口二，8 、设备状态指示灯， 9 、螺孔，1 0 、右侧面板，l l 、热像仪输入接插件门、1 2 、数字视频输出接插件口、1 3 、 电源开关安装孔，1 4 、上盖螺孔。 24 遥控器组成 遥控器的组成如图2 1 l 所示，主要出无线模块，液晶显示模块，键盘模块以及电池 充电及电量检洌i 模块。 遥控器主要实现两个功能： 2 中北大学学位论文 ( 1 ) 通过发送无线指令控制记录设备，无线指令包括：设备加电、断电、启动记 录、停止记录、选段播放、快进，快退、慢放、慢退、暂停播放、逐场播放等。 ( 2 ) 实时显示设备的状态，包括：显示记录设备的剩余容量、各段视频数据的容 量( 长度) 、记录设备的工作状态、电池的电量。 2 5 遥控器结构 图2 1 1 遥控器组成框图 遥控器的外壳结构示意图如下图2 1 2 所示。遥控器的键盘使用吸附式薄膜键盘，可 以将键盘贴在遥控器的前面板上( 图0 0 8 处所指) ，键盘的排线从图d 0 7 处通到壳体内部 的电路板上，液晶显示屏安装在图中4 处，排线从5 处通到壳体内部电路板上。 图2 1 2 中，l 、后盖螺孔，2 、充电器接口，3 、天线接口，4 、液晶显示安装处，5 、 液晶显示屏排线孔，6 、遥控器丌关安装孔，7 、薄膜键盘排线孔，8 、薄膜键盘粘贴处。 1 3 中北人学学位论文 2 3 4 5 凹21 2 遥控器外壳结构示意幽 。f r 0 21 3 为壳体内部示意图，锂电子充电电池置于4 所指的位冒，电路板通过3 处所 指的螺钉固定起来，无线模块安装在图中2 处，四角用四个螺钉固定。 2 3 4 圈21 3 遥控器光体内部示意幽 4 中北大学学位论文 图2 1 3 0 0 ，l 、螺孔，2 、无线模块的安装处，3 、螺孔，4 、充电电池安装处。 2 6 本章小结 本章根据系统的性能指标要求，介绍了系统的总体设计方案，各个模块的组成与功 能，以及设备的结构。 l5 中北大学学位论文 第三章控制卡的硬件设计与实现 本章是记录设备的设计重点，主要完成介绍控制卡的硬件实现，分别对控制卡u s b 接口，视频编码芯片的接口进行了论述，最后重点论述了f p g a 的逻辑设计。 3 1 控制卡工作流程 记录设备控制卡的主要功能是： 接收红外热像仪输出的数字视频信号，并对数据进行编帧。 通过u s b 接口与计算机进行通信。 产生标准的模拟视频信号和数字视频信号。 通过背板总线控制存储卡。 通过背板总线接收无线模块传送的指令，并向遥控器发送设备的状态信息。 下图3 1 给出了控制卡与其它模块的总体连接框图。 i 背板 ； jljl 供电 l l 士nj u s b 接口。；+ 管士丌； 1控制卡 牛厅刺l7 i 1 r 上霉 d l 15 ：0 d o 1 5 ：0 数v s y n c v s y n c o数字 红 字 隅a 视 娜 控韦嫦h s v n c o 视频 外频 i 寸日u 山 热 i cm 。o j 像 j 仪 d a c i -模 v i d e o l 模拟 模 v i d e 0 1 拟 拟 开 v i d 2 ：视频 视 频v i d e 0 2 关 7 ：输出 图3 1 控制 与其它模块的连接框图 1 6 中北大学学位论文 控制卡单片机用来与计算机交互数据，并通过背板总线与无线模块通信，另外对 d a c 进行寄存器配置，d a c 在视频回放时将数字视频信号转换为模拟视频信号，模拟开 关用于在热像仪输入的模拟视频k t d a c 转换后的模拟视频之间进行切换，f p g a 作为控 制中心，控制设备的状态。 设备的工作状态主要有四种：待机监视状态、记录状态、回放状态和u s b 在线状态。 在待机监视状态下，设备处于待机状念，通过控制卡f p g a 将红外热像仪输入的模 拟视频信号直通到设备的模拟视频输出接口，该状态下设备等待接收无线指令，也定时 由单片机发出设备的状态信息。 在记录状态下，控制卡f p g a 根据热像仪输出的场同步信号v s y n c 、行同步信号h s y n c 和时钟信号m c 拾取图像数据d i 1 5 ：0 】，并对数据进行编帧后通过背板总线送到存储卡。 该状态下同样可以接收无线指令，也定时发出设备的状态信息。 在回放状态下，存储卡通过背板总线将数据送到控制卡，控制卡f p g a 根据数据同 步生成场同步信号v s y n c o 、行同步信号h s y n c o 和时钟信号m c o ，并输出到数字视频输 出接口，另外控制视频d a c 生成模拟视频信号。在该状态可在遥控器的控制下进行选段 播放、慢放、暂停、逐场播放、快进快退等多种播放方式。 u s b 在线状态下，设备数字视频口与模拟视频口均无输出，可以通过背板总线将存 储卡的数据读出，并通过u s b 接口上传到计算机，也可将计算机上存储的的视频数据通 过u s b 接口下载到设备，在该状念还可擦除整个存储一膏。 3 2 总线接口 控制卡与背板总线的接口如下表所示3 1 所示。 17 中北大学学位沦文 表3 1 控制卡与背板总线接口定义及功能 信号定义方向用途 j n i t控制卡一存储卡存储膏初始化完毕信号，1 ：初始化完毕 b r e s e t 控制卡一存储卡 总线复位信号，h j 于复位存储告 b r c q u e s t 控制卡一存储p总线读请求信号，0 有效 在存储数据时，由控制卡发送的写时钟信号，数据在上 b u s w r控制卡一存储书 升沿铍存储卡锁存。 在读取存储青的数据时，由存储卡发送的读时钟信号， b u s r d 控制卡存储卡 数据在上升沿被控制# 锁存。 b u s d 【1 5 ：0 】控制 一存储告 总线数据位 s e c i n 【3 ：0 】 控制膏一存储川于在选段播放时接收控制 发送的段号 i n f l 控制卡一存储 一0 ：i n q 3 ：0 为段总数信息；1 i ：为己用存储容量信息 i n f 3 ：0 】 控制营一存储段总数信息或已划存储容量信息，由i n fs e l 选择 a e k控制矗一存储卡 控制 o f p g a 握手信号，0 有效，表示已读取i n f 3 ：0 】 c 1 【1 ：o 】 控制譬一存储 功能详见表3 5 c 2 【2 ：0 】 控制卡一存储忙功能详见表3 5 t x d 6 8 0 1 3 一无线模块串口发送端 r x d6 8 0 13 一无线模块 串口接收端 g n d信号地 v c c+ 5 v 电源输入 g n d + 5 v 电源地 c 1 1 ：0 】和c 2 1 2 ：0 为控制卡发送的状态控制命令，详细功能见下表3 2 。 中北大学学位论文 表3 2 控制矗命令功能描述 c 1 【1 ：o 】c 2 1 2 ：0 】 刚途描述 o o o 空闲态，上电默认状态 0 01 1l 停i 卜记录命令，存储 收剑此命令后退出记录状态并进行信息更新 0 1 0 选段，用丁j 在选段播放前进行段选择 0 lx x x 擦除状态，c 2 1 2 ：0 的值任意 0 0 l u s b 数据卜载状态，用丁存储从计算机卜| 载的数据 1 0 0 0 0 热像仪记录状态，川 二存储热像仪的视频数据 0 0 0正常橘放 0 0 l u s b 数据七传状态 0 1 0 慢退状态 0 1 l 暂停播放状态 1l l o o 慢放状态 1 0 l快进状态 1 1 0 快退状态 1 11 逐场播放状态 3 3t l s b 接口设计 按照u s b 系统的组成，u s b 开发类型可以以分为三种：u s b 主控制器的开发，u s b 集线器的开发和u s b 功能设备的丌发f 7 1 。在本设备中u s b 芯片主要用来解决存储卡和p c 机之间的数据通信，传输的数据量大，所以需要选择支持高速传输的功能芯片，另外此 芯片应具有1 2 c 总线控制器及标准的u a r t 接口，考虑以上要求，这里选择c y p r e s s 公司的 e z u s bf x 2 系列芯片中的c y 7 c 6 8 0 1 3 ( 以下简称6 8 0 1 3 ) ，它完全满足本设备的设计要 求。 3 3 1e z - u s bf x 2 架构 e z u s bf x 2 是c y p r e s s 半导体公司的新一代高速u s b 系列芯片，可以用u s b 2 0 的最 l9 中北大学学位论文 大数据传输率传输数据。与前一代相比，e z u s bf x 2 可提供更高的性能和更高的集成 水平，包括提高4 0 倍的4 8 0 m b s 信号速率，通过集成的发送器，s i e ( 串行接口引擎) ， 8 0 5 1 微控制器、存储器、和可编程i o 接口，提供u s b 2 0 支持，是一种完全集成的u s b 2 0 方案，具有u s b 2 o 的全带宽能力【8 1 【9 1 。 i 一。j ： 图3 2 e z u s bf x 2 的简化框图 e z u s bf x 2 将u s b 外围接口设备所需的各种功能包装成一个简洁的集成电路。如 图3 2 所示，集成的u s b 收发器连接至i j u s b 总线中的d + 和d ；串行接口引擎( s i e ) 进行 译码，编码、错码纠正和位填充，变换u s b 所需要的信号电平，最终从u s b 接口s i e 发 送和接收数据。 e z - u s bf x 2 的s i e 可工作在全速( 1 2 m b s ) 或高速( 4 8 0 m b s ) 传输速率下。为适 应u s b 2 0 的增强带宽，e z u s bf x 2 端点f i f o 和从属f i f o 端点统一采取措施，省去了内 部传输所花费的时间。 e z u s bf x 2 的c p u 采用增强8 0 5 l ，提高了运行速度，增强了功能。同时该芯片采 用内部r a m 用于程序和数据存储。 典型的基于e z u s bf x 2c p u 的外设具有双重功能： 通过主机请求，从控制端点是吸纳高级别h i g h 1 e v e l 的u s b 协议； 可作为通用系统使用。 由于高级u s b 协议没有带宽的限制，所以f x 2 的c p u 能够很灵活地通过控制端点处 理主机请求。然而，由u s b 2 0 所提供的数据速率，对于c p u 来说实在太高了，以至于它 2 0 中北大学学位论文 不能直接处理u s b 的数据。由于这个原因，通常c p u 不能工作在f i f o 端点与外部接口之 i 日j 的高带宽数据通路上。为此，c p u 进行了简单的设置，就退出处理，不干预操作过程。 此时f x 2f i f o 直接在u s b 与外部接口之间传递数据。 f i f o 可通过外部的主控制器控制，可通过外部提供的时钟信号同步运行，或者通过 选通工作在异步方式。 另外，f i f o 也能够由内部的f x 2 时序生成器控制，这个时序生成器即所谓的通用可 编程接口( g p i f ) 。g p i f 作为内部的主控制器工作，直接连接f i f o ，并且产生用户编程 控制信号，用于连接外部逻辑。此外，g p i f 通过采样r d y 引脚上的外部信号，还能用于 等待外部触发事件。对于时序信号，g p i f 运行速率l i , f i f o 数据传输速率要快的多，g p i f 提供了更好的编程方法。它的时钟可以足f x 2 内部的时钟，也可以是外部提供的时钟。 f x 2 的c p u 具有更好的性能，提供了5 个i o 口、2 个u a r t 接口、时个计数定时器以 及增强的中断系统。它工作在4 8 m h z 的时钟频率，并且使用每个命令只需要4 个时钟周 期，用以代替标准8 0 5 1 必需的1 2 个时钟周期。 f x 2 系列芯片采用增强的s i e u s b 接口，通过执行更多的u s b 协议，大大简化了f x 2 的编程量。 3 3 2f x 2 与f p g a 的接口设计 f x 2 支持四种u s b 传输类型：批量传输、中断传输、同步传输、控制传输。本设备 的传输类型属于批量传输类型，f x 2 内部具有4 k b 的数据缓冲区，为了使数据缓冲区能 更好的与外围电路进行通信，f x 2 提供了两种接口模式：通用可编程接口g p i f ( g e n e r a l p r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e ) 模式e 1 s l a v ef i f o 模式。g p i f 模式实现灵活、方便、快速，且 运行中很少需要f x 2 的干预，仅仅需要c p u ( 增强型8 0 5 1 内核) 进行一些简单的标志位 通信，所以可以很方便的与外部a s i c 、d s p 或别的使用了8 位和1 6 位并行接口的数据逻 辑设备之间进行连接【1 0 】 【5 1 。下面将讨论本设备q b g p i f 接口与f p g a 的连接16 1 。 2 l 中北大学学位论文 g p i f a d r 8 ：0 3 i f c l k 1 f d 1 5 ：0 ： f x 2 c t li - 5 ：o - i ： 外设 g p i f 模式 r d y 5 ：0 3 7 g s t a t e 2 ：0 3 。 调试 图3 3 e z u s bf x 2 对外设的接口 如图3 3 所示，6 8 0 1 3 设置工作在g p i f i 作模式时，f p g a 就作为从器件( 外设) 接 受f x 2 的控制，下面是这种模式下的功能引脚。 数据输出引脚( c t l 5 ：o ) 通常被用作选通( 使能线) 、读写线等。准备好输入引 脚( r d y 5 ：0 ) ，通过f p i f 采样，并且能强制进行诸如等待( 插入等待状态) ，继续或 重复等处理操作，直到进入特定的状态。 g p i f 地址线( g p i f a d r 8 ：0 ) 能够随着数据传输产生地址累加，如果需要更多的 地址线可以使用其他非g p i fi o 信号( 例如，通用i o 弓l 脚) 。 g p i f 数据总线是f d 1 5 ：0 引脚的集合，如果外设的数据总线为8 位宽则使用f d 7 ：o 。 接口时钟i f c l k ，对于外部逻辑电路的同步接口，能被配置成输入( 默认状态) 或 输出接口时钟。 g s t a t e 2 ：0 引脚是输出信号，表示当前g p i f 状态值，仅用于g p i f 波形的调试。 6 8 0 1 3 在g p i f 模式下与f p g a 连接时，需要考虑以下几点： 1 选择i f c l k 设置：本设计选择内部时钟( 4 8 m h z ) ，f i f o - v 作在异步模式 2 确定f i f o 数据总线数：本设计选用8 位数据总线，即使用f d 7 ：0 ，而f d 1 5 ：8 作为普通i o 口使用。 3 分配c t l x 信号到接口：g p i f x 寸f p g a 的操作包括读写选通信号，所以需要分配 两个控 i ；j 信号，使用c t l 0 和c t l i 引脚。 4 分配r d y n 信号到接口：相应地，在读写f p g a 时需要两个状态信号r d y 0 和r d y l 分别表示f p g a i 勾建f i f o 的空满指示信号。 5 确定g p i f a d r 地址连线：由于在f p g a 中构建 f i f o ，所以在连接时不需要连 2 2 中北大学学位论文 接地址引脚。下表3 3 列出了与g p i f 操作相关的引脚。 表3 3 与g p i f 操作相关的引脚 信号方向埘途 c q - l 06 8 0 1 3 + f p g a 6 8 0 1 3 向f p g a 弓数据时的时钟信号 r d y 06 8 0 1 3 一f p g af p g a 准备女，信号，l 表示f p g a 已经准备好接收数据 c t l l 6 8 0 1 3 一f p g a 6 8 01 3 读f p g a 数据时的时钟信号 r d y o6 8 0 1 3 一f p g a f p g a 准备女r 信号，1 表示6 8 0 1 3 可从f p g a 中读取数据 f d 7 ：0 】 6 8 0 f 3 + + f p g a 6 8 0 1 3 与f p g a 通信数据位 另外在6 8 0 1 3 与f p g a 之间还需要连接一些i o 口作为传递信息或控制之用，实际设 计时将p a i s i 与p d 口与f p g a 连接作为通用i o 口使用，对于p a u l 与p d u l 的功能分配如下 表3 4 所示。 2 3 中北大学学位论文 表3 46 8 0 13 p a 口与p d i s i 的功能分配表 管脚名方向用途说明 上电后默认值为“0 0 0 0 ”，p d 7 ：4 的内容分为两类，具体的 p d 7 ：4 】 6 8 0 1 3 一f p g a 类型由p a 4 ：3