一种红外图像调理卡的设计

一种红外图像调理卡的设计摘要：抗红外杂散光能力是评价红外成像制导武器性能的一项重要指标。

在红外杂散光评估设备中，由于导引头输出的图像数据一般为LVDS和HOTLink两种格式，不能被评估设备直接读取，为此设计了一种图像调理卡，采用FPGA为控制核心，将导引头图像进行格式转换并经图像采集卡传输至上位机。

实验中，对128*128、100fps的LVDS图像和128*128、150fps的HOTLink图像实时、连续地采集传输。

实验结果表明，该图像调理卡能满足红外杂散光评估设备测试的需要。

关键词：LVDS；HOTLink；图像采集；FPGAAn infrared image conditioning card design Guo Xu-min[1]，Li Yan-ning*[1]，Duan Meng[2]，Chen Kun[1]，Dante Dorantes[1]，Gu Shuang[1]，Fu Xing[1]，Hu Xiao-tang[1]([1]State Key Laboratory of Precision Measuring T echnology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China;[2]China Airborne Missile Academy,Luoyang Henan 471009,China) Abstract:The ability of infrared imaging-guided weapons to against infrared stray light is an important index. In the infrared stray light assessment equipment, image data output of seeker commonly is LVDS and HOTLink formats and can not identified by the assessment. Therefore designed a kind of image conditioning card, using FPGA as its control core, its function is to realize the image formant conversion and transmit to the first bit computer through acquisition card. In the experiment, acquired and transmitted the 128*128、100fps of LVDS image and 128*128、150fps of HOTLink image continuously and real-time. The experimental results show that the image conditioning card can meet the testing needs of the stray light assessment equipment.Key word: LVDS ;HOTLink;Image Acquisition;FPGA0 引言红外制导是精确制导武器的一种重要制导方式，又分为红外非成像制导和红外成像制导。

其中红外成像制导以其特有的优点已成为红外制导技术的一个主要发展方向。

红外杂散光评估设备用于评估太阳光等杂散光对红外成像导引头成像质量的影响。

当前，红外成像导引头输出的图像数据格式一般为LVDS( Low V oltage Differential Signaling )和HOTLink，速率为200Mbps——400Mbps。

红外杂散光设备对导引头成像进行分析时需要先对这两种格式的图像数据进行格式转换与调理。

LVDS技术是一种低摆幅差分信号技术，电压摆幅约350mv，具有低功耗、低的误码率和低噪声引入等优点，理论传输速率可以达到1.923Gbps，根据ANS I/TI A /E I A- 644标准，推荐最高传输速率650Mbps，以10Mbps的速率传输时传输距离超过100m[3]。

HOTLink是Cypress公司提出的点对点串行通信协议，并有底层物理器件支持，是一种PECL电平。

目前，第二代HOTLink芯片传输速率为160Mbp—1500Mbps，传输距离和介质有关，用双绞线和同轴电缆可以传输100—150m，用光纤可达几千米[4]。

图像调理卡是连接导引头与红外杂散光评估设备的关键模块，采用高性能的LVDS驱动芯片、二代HOTLink芯片和Altera公司的“Cyclon III”系列FPGA,对导引头输出的LVDS图像数据和HOTLink图像数据进行接收、格式转换并发送至采集卡。

LVDS图像数据由FPGA进行串并转换，HOTLink数据由于有底层物理芯片支持，自带串并转换。

为保证图像的连续性和实时性，采用两片SRAM存储器，以乒乓操作的方式接收图像数据并同时发送至图像采集卡。

FPGA作为控制核心，为整个系统提供时序和控制逻辑。

计算机通过NI公司的PCI 1422数字图像采集卡实时采集、显示导引头的红外成像。

1 总体框图系统总体结构框图如图1所示：图1系统结构图Fig.1 Experiment set-up导引头输出的LVDS格式的图像先被LVDS接收器DS90LV048A转换成LVTTL电平进入FPGA，在FPGA中实现串并转换；导引头输出的HOTLink格式的图像先经过数字隔离变压器再进入HOTLink芯片，然后HOTLink芯片将收到的串行数据进行解串、串并转换等，输出8位并行数据进入FPGA。

FPGA将接收到的数据通过两片SRAM以乒乓操作的方式存储和发送。

由于PCI 1422数字图像采集卡只能接收并行LVDS 数据，FPGA向采集卡发送的数据是LVTTL电平，因此必须经过LVDS电平匹配网络转换成LVDS电平。

PC 机通过PCI 1422采集卡实时地显示导引头的成像。

2 硬件电路设计2.1 LVDS接收模块LVDS接收电路如图2所示：图2 LVDS接收电路Fig.2 LVDS receiving circuitDS90LV048A是一款LVDS接收芯片，供电电压3.3V，能够将LVDS电平转换成LVTTL电平。

输入的LVDS 信号共有三路，分别是：1.像素时钟信号YCLK+/- ; 2.数据同步信号YSYN+/- ; 3.图像数据YDATA+/- 。

需要注意的是，每对差分线上应跨接一个100欧的电阻。

数据信号接头采用DB9插头，传输线采用屏蔽双绞线。

Cyclon III 系列FPGA支持LVDS输入，之所以还设计这样一个LVDS接收电路是因为若直接使用FPGA 的一对I/O口接收LVDS信号，则FPGA的这个BANK的其他I/O口也被配置为LVDS电平，这样会造成I/O 口资源的浪费。

为了提高传输速率，LVDS图像数据的传输采用双倍数据速率（DDR）技术[1]，即在像素时钟信号的上下沿都传输数据。

每一帧图像都有帧头，接收电路通过检测帧头来确定图像边界。

2.2 HOTLink模块HOTLink信号的接收、解码和串并转换由CYP15G0101完成。

CYP15G0101是CYPRESS公司推出的HOTLink系列芯片的二代产品，单通道，驱动电压3.3V，最高传输速率1.5Gbps。

相比于一代产品，二代HOTLink芯片除了在处理速度上有大幅提升外，还将收发集与一体，因此可以通过自检模式（自发自收）来判断数据收发通道状态是否正常。

，为了抑制共模干扰，HOTLink信号在传输中一般需要在发送端与接收端加隔离。

常用的隔离方式有直接耦合、交流耦合和变压器耦合。

本调理卡采用变压器耦合，见图3图3 耦合电路Fig.3 Coupling circuit隔离变压器型号为PULSE公司的PE65508脉冲变压器，变比为1，最高耦合频率为531MHZ。

HOTLink 传输线采用75欧同轴电缆，因此在接收端应串接两个37.5欧的电阻（R36，R37），以达到阻抗匹配。

发送端差分线两端跨接100欧的电阻，提供发送电势。

2.3 数据存取模块导引头输出的图像数据传输速率最高达400Mbps，即50MBps，这就要求数据缓存器件有较高的存取速度。

本调理卡采用高速静态存储器（SRAM）来实现图像数据的快速存储与读取。

最大的一帧图像像素为256*256，14位深。

一片SRAM至少要能存储一帧图像，本调理卡选用的SRAM型号为IS61LV25616，驱动电压是3.3V，存储容量256K，16位深，最高存取速率在133Mbps以上，可以满足系统要求。

因乒乓操作的需要，需要两片SRAM。

2.4 LVDS电平匹配网络NI PCI 1422图像采集卡只能接收LVDS格式的数据流，虽然“Cyclon III系列FPGA 支持LVDS输出，但为节省I/O口资源还是设计了一组LVDS电平匹配电路。

LVDS电平匹配网络选用的芯片的是DS90LV047。

和DS90LV048相对应，DS90LV047是把LVTTL信号转成LVDS信号。

每片DS90LV047有4个转换通道，FPGA与PCI 1422之间需要16路数据、1个帧使能信号、1个行使能信号和1个像素时钟共19个I/O口，因此该电平匹配网络共需5片DS90LV047。

五分之一LVDS电平匹配网络如图4所示：图4 电平匹配电路Fig.4 Level matching circuit3 程序设计程序采用VHDL语言编写。

总流程图如图5所示：图5 总流程图Fig.5 Flow chart首先，通过外置开关选择当前接收模式是LVDS模式还是HOTLink模式，LVDS模式下对接收到的数据先进行串并转换，两种模式下都要检测到帧头数据后再开始接收。

数据的存储采用乒乓操作的方式，按帧存取，存储一帧图像至一片SRAM的同时读取另一片SRAM中的图像数据发送至采集卡。

需要注意的是，图像调理卡在向PCI 1422图像采集卡发送数据时，必须严格按照PCI 1422图像采集卡的读取数据时序。

PCI 1422图像采集卡采集面阵图像有两路使能信号：帧使能信号（Frame Enable，用VSYNC 表示）和行使能信号（Line Enable，用HSYNC表示）。

行与行之间至少要有3个像素时钟周期的间隙销毁使能。

帧与帧之间至少要有3个行使能周期的间隙销毁时间,如图6和图7所示[2]。

图6 PCI1422时序一Fig.6 PCI 1422 timing one图7 时序二Fig.7 PCI 1422 timing two4 实验与分析实验图像如图8所示，灰色背景方框正中嵌一个小白色方框，灰色背景框像素灰度值为8191，白色小框像素灰度值为16383。