基于USB2．0的非制冷红外热像仪图像处理系统设计

采用基于USB2.0总线技术和视频解码芯片SAA7114完成对红外图像的采集，利用FPGA实现视频数据流的收发时序，通过USB接口芯片Ez-USB FX2 CY7C68013与主机进行通信。系统具有灵活性、即插即用、自动配置资源、应用广泛。

目前，红外热像仪在军事和民用领域应用广泛，但市面多数红外热像仪随机附带的图像处理功能较单一，不能进行复杂运算，而具有多功能的热像仪价格昂贵。因此，文中提供了另一种解决方案，采用FPGA和USB2．0技术完成红外视频图像的采集，再利用通用微型计算机完成图像存储及复杂图像处理，此方法较灵活、方便，可建立起图像数据库为后续的研究工作提供数据支持。该系统包括图像采集、存储及提取模块，其体积小、功耗低、速度快、适应性强，能够满足日常红外图像处理应用。

1 系统构成及原理

硬件平台首先要考虑数据的吞吐率，市面上大部分的红外热像仪均支持PAL制式的视频图像输出，帧频为25帧／s，以720列×576行×25帧／s为例，720列×520行×16 bit×25帧／s≈166 Mbit／s，约为20 MB／s。据此指标初步设定方案，如图1所示。



1．1 视频解码芯片SAA7114

SAA7114是Philips公司生产的可编程视频处理器，该芯片集A／D与解码功能于一身，片内附有锁相、自动钳位、自动增益控制、时钟产生、多制式解码等电路。而且SAA7114还可对亮度、对比度和饱和度进行控制，既支持PAL电视制式又支持NTSC和SECAM电视制式。该芯片主要有以下特点：

(1)具有六路模拟输入和内部模拟信号源选择，如6×CVBS或者(2×Y／C和2×CVBS)或者(1×Y／C和4×CVBS)；(2)具有两路模拟预处理通道和两路模拟抗混叠滤波器；(3)对选择的CVBS或Y／C通道可编程为静态增益控制或自动增益控制；(4)可进行白峰控制；(5)内含两个9位的A／D转换器，数字CVBS或Y／C信号可通过扩展接口输入；(6)片内行锁定时钟发生器符合“ITU 60l”标准；(7)具有数字PLL，可用来对所有的标准和非标准制式的视频源(例如消费级磁带录像机)进行同步处理和时钟发生；(8)所有的制式标准只需要同一频率的晶振32．1l MHz或者24．576 MHz；(9)可进行行场同步信号的探测；(10)自动进行50／60 Hz场频的检测，自动进行标准PAL制式和NTSC制式之间的转换；(11)可对各种制式的视频信号的亮度和色度进行处理，这写制式包括PAL BGDHIN，PAL N，PAL M，NTSC M，NTSC-Japan，NTSC4．43和SECAM；(12)自适应的2／4路梳状滤波器进行二维的亮度或色度的分离，——增加了亮度和色度的带宽以支持所有的PAL和NTSC制式标准，——减少了串色和亮度失真；(13)PAL行延迟校正了相位错误；(14)独立的亮度对比度和饱和度调节；(15)用户可编程锐度调节；(16)独立的可对原始数据进行获取和偏移调节；(17)可进行行场缩放以适应窗口大小；(18)支持4：2：2，4：1：1，4：2：0，4：1：0 YUV格式的输出；(19)支持8位灰度图像和原始CVBS数据的输出；(20)支持软件控制省电待机模式；(21)可通过I2C总线接受外部控制器的控制，速率可达400 kB／s。

本设计采用一路模拟输入，输入是PAL制式信号，输出是16位宽度的数字视频图像，可兼容8位宽度的数字视频图像，图像尺寸大小可缩放。SAA7114通电后并非立即对输入的视频信号进行A／D转换，输出数字视频信号，而是要对其内部的寄存器进行设置才能够进行正常工作。本设计采用I2C总线对片内的寄存器进行设置。

1．2 存储单元

经过A／D转化过的数字视频图像，采用YUV格式输出时，需用2 bit表示，在图像处理领域，通常只用1 bit表示黑白图像，为了兼容彩色图像采集模式，数据存储空间按照彩色图像的数据量进行设计。每帧图像为720×576×1*05 000 bit×16 bit，存储器可采用双口FIFO、双口SRAM，但考虑到图像的数据量及成本，采用两片SRAM构成乒乓式存储结构。双缓存结构常用于高速大容量数据传输中。因此采用两片容量为512 kbit×16 bit的SRAM构成乒乓存储单元。这里只截取640×480像素图像，因此采用512 000 bit×16 bit的SRAM是可以完成图像的存储与传输。

1．3 数据传输

本设计采用Cypress公司的USB2．O控制器芯片CY7C68013，该片集成有包含8．5 kB RAM增强型8051微处理器，4 kB的FIFO存储器，通用可编程接口(GPIF)，串行接口引擎(SIE)和USB2.0收发器。

芯片工作在Slave FIFO的接口方式下，在该模式下外部逻辑直接控制接口芯片内部的FIFO。其工作过程是，当USB设备接入计算机时，计算机和USB设备之间产生枚举过程，计算机检测到有设备接入，自动发出查询请求，USB设备回应请求，返回设备的Verdor ID和Product ID，计算机据此装载相应的驱动程序，完成重枚举过程。计算机通过USB发出采集指令后，启动A／D和FPGA，红外图像的一帧经过SAA7114处理送到SRAM，然后通过USB芯片上传给计算机。在上传过程中，两片SRAM分别存储一帧图像的奇偶场，当一片用于存储时，另一片用于传输已存储的图像，如此往复完成实时视频图像采集。