基于USB2．0的非制冷紅外熱像儀圖像處理系統

摘要：采用基于USB2．0總線技術和視頻解碼芯片SAA7114完成對紅外圖像的采集，利用FPGA實現視頻數據流的收發時序，通過USB接口芯片Ez-USB FX2 CY7C68013與主機進行通信。系統具有靈活性、即插即用、自動配置資源、應用廣泛。
關鍵詞：SAA7114；CY7C68013；I2C；USB2．0；固件

目前，紅外熱像儀在軍事和民用領域應用廣泛，但市面多數紅外熱像儀隨機附帶的圖像處理功能較單一，不能進行復雜運算，而具有多功能的熱像儀價格昂貴。因此，文中提供了另一種解決方案，采用FPGA和USB2．0技術完成紅外視頻圖像的采集，再利用通用微型計算機完成圖像存儲及復雜圖像處理，此方法較靈活、方便，可建立起圖像數據庫為后續的研究工作提供數據支持。該系統包括圖像采集、存儲及提取模塊，其體積小、功耗低、速度快、適應性強，能夠滿足日常紅外圖像處理應用。

1 系統構成及原理
硬件平臺首先要考慮數據的吞吐率，市面上大部分的紅外熱像儀均支持PAL制式的視頻圖像輸出，幀頻為25幀／s，以720列×576行×25幀／s為例，720列×520行×16 bit×25幀／s≈166 Mbit／s，約為20 MB／s。據此指標初步設定方案，如圖l所示。

1．1 視頻解碼芯片SAA7114
SAA7114是Philips公司生產的可編程視頻處理器，該芯片集A／D與解碼功能于一身，片內附有鎖相、自動鉗位、自動增益控制、時鐘產生、多制式解碼等電路。而且SAA7114還可對亮度、對比度和飽和度進行控制，既支持PAL電視制式又支持NTSC和SECAM電視制式。該芯片主要有以下特點：
(1)具有六路模擬輸入和內部模擬信號源選擇，如6×CVBS或者(2×Y／C和2×CVBS)或者(1×Y／C和4×CVBS)；(2)具有兩路模擬預處理通道和兩路模擬抗混疊濾波器；(3)對選擇的CVBS或Y／C通道可編程為靜態增益控制或自動增益控制；(4)可進行白峰控制；(5)內含兩個9位的A／D轉換器，數字CVBS或Y／C信號可通過擴展接口輸入；(6)片內行鎖定時鐘發生器符合“ITU 60l”標準；(7)具有數字PLL，可用來對所有的標準和非標準制式的視頻源(例如消費級磁帶錄像機)進行同步處理和時鐘發生；(8)所有的制式標準只需要同一頻率的晶振32．1l MHz或者24．576 MHz；(9)可進行行場同步信號的探測；(10)自動進行50／60 Hz場頻的檢測，自動進行標準PAL制式和NTSC制式之間的轉換；(11)可對各種制式的視頻信號的亮度和色度進行處理，這寫制式包括PAL BGDHIN，PAL N，PAL M，NTSC M，NTSC-Japan，NTSC4．43和SECAM；(12)自適應的2／4路梳狀濾波器進行二維的亮度或色度的分離，――增加了亮度和色度的帶寬以支持所有的PAL和NTSC制式標準，――減少了串色和亮度失真；(13)PAL行延遲校正了相位錯誤；(14)獨立的亮度對比度和飽和度調節；(15)用戶可編程銳度調節；(16)獨立的可對原始數據進行獲取和偏移調節；(17)可進行行場縮放以適應窗口大小；(18)支持4：2：2，4：1：1，4：2：0，4：1：0 YUV格式的輸出；(19)支持8位灰度圖像和原始CVBS數據的輸出；(20)支持軟件控制省電待機模式；(21)可通過I2C總線接受外部控制器的控制，速率可達400 kB／s。
本設計采用一路模擬輸入，輸入是PAL制式信號，輸出是16位寬度的數字視頻圖像，可兼容8位寬度的數字視頻圖像，圖像尺寸大小可縮放。SAA7114通電后并非立即對輸入的視頻信號進行A／D轉換，輸出數字視頻信號，而是要對其內部的寄存器進行設置才能夠進行正常工作。本設計采用I2C總線對片內的寄存器進行設置。
1．2 存儲單元
經過A／D轉化過的數字視頻圖像，采用YUV格式輸出時，需用2 bit表示，在圖像處理領域，通常只用1 bit表示黑白圖像，為了兼容彩色圖像采集模式，數據存儲空間按照彩色圖像的數據量進行設計。每幀圖像為720×576×16=405 000 bit×16 bit，存儲器可采用雙口FIFO、雙口SRAM，但考慮到圖像的數據量及成本，采用兩片SRAM構成乒乓式存儲結構。雙緩存結構常用于高速大容量數據傳輸中。因此采用兩片容量為512 kbit×16 bit的SRAM構成乒乓存儲單元。這里只截取640×480像素圖像，因此采用512 000 bit×16 bit的SRAM是可以完成圖像的存儲與傳輸。