紅外成像跟蹤系統(tǒng)通過紅外探測器獲得目標(biāo)的紅外圖像,，然后對(duì)紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理和潛在目標(biāo)檢測,，最后利用一定的算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，一塊電路板往往難以完成所有功能,，電路板與電路板之間需要進(jìn)行高速圖像傳輸和通信，因此設(shè)計(jì)一個(gè)傳輸速率快,、可靠性高的圖像傳輸與通信平臺(tái)是紅外成像跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[1],。

    由于并行總線在印制電路板上占空間量大，布線時(shí)很難保證每條線路長度,、電氣特征一致,，兩條數(shù)據(jù)線間容易產(chǎn)生串?dāng)_等，因此隨著電子系統(tǒng)對(duì)速度以及精度要求的提高,，高速串行數(shù)據(jù)通信模式正在逐步取代傳統(tǒng)的并行總線式結(jié)構(gòu)[2],。

    串行傳輸?shù)难杆侔l(fā)展得力于差分信號(hào)技術(shù)的發(fā)展。在嵌入式應(yīng)用方面,，主流的FPGA 中都已對(duì)差分信號(hào)提供了硬件支持,，如Xilinx公司的Virtex系列FPGA中，相鄰的兩個(gè)I/O口都以差分信號(hào)對(duì)形式出現(xiàn),。從Virtex2 Pro系列開始,，更是在片上集成了固化的Rocket I/O模塊，以提供超高速的串行通信支持[3],。并且Xilinx公司針對(duì)高速傳輸開發(fā)了一種可裁剪的輕量級(jí)鏈路層協(xié)議——Aurora協(xié)議,，可以在相應(yīng)的器件上通過制定IP核生成[3]。

    本文在基于Aurora IP核的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)圖像高速傳輸和通信平臺(tái)，其總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示,。

圖1  高速圖像傳輸與通信平臺(tái)框架

探測器處理板與信號(hào)處理板在基于Aurora協(xié)議的基礎(chǔ)上通過光纖進(jìn)行圖像傳輸和通信,。

1 高速圖像傳輸和通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺(tái)搭建

    搭建高速圖像傳輸和通信平臺(tái)需要兩塊處理板，每塊處理板均需包含一片F(xiàn)PGA和一個(gè)光纖模塊,。光纖模塊采用了中航光電的單光纖雙向收發(fā)一體光模塊OEA01-Dxx-326-613-01Y,；FPGA采用了Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX50T-FF665，并采用100 MHz的時(shí)鐘模塊對(duì)Rocket I/O模塊提供參考時(shí)鐘,，用一個(gè)XCF32P的PROM以主串模式對(duì)FPGA進(jìn)行配置[4-5],；兩個(gè)光纖頭之間通過光纖相連。硬件平臺(tái)如圖2所示,。

圖2  硬件平臺(tái)框圖

1.2 Aurora IP核的定制及生成

    在Xilinx提供的CORE Generator工具中生成Aurora IP核[6],。其中通道數(shù)目設(shè)置為1，通道的寬度設(shè)置為2 B,，數(shù)據(jù)速率為1.25 Gb/s,，參考時(shí)鐘為100 MHz；為了使兩個(gè)處理板可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),，數(shù)據(jù)流模式采用雙工模式,；由于本紅外系統(tǒng)傳輸?shù)募t外圖像數(shù)據(jù)以幀為單位，傳輸過程中需要完整的幀有效信號(hào),，故數(shù)據(jù)接口采取幀模式,；因?yàn)樗O(shè)計(jì)平臺(tái)需要完成通信，需要用戶添加流控制信息,，所以流控制模式采用UFC模式,。

    定制完成后，生成Aurora IP核,，所生成的IP核主要包括以下功能模塊：

    (1)用戶接口模塊(User Interface)：用于提供用戶接口，處理來自用戶接口的控制信息,。該模塊負(fù)責(zé)與Aurora核8 B/10 B模塊的接口,，負(fù)責(zé)來自8 B/10 B編解碼模塊的數(shù)據(jù)讀寫。數(shù)據(jù)端口的寬度取決于GTP/GTX的收發(fā)器的個(gè)數(shù)和寬度,。

    (2)用戶流控制模塊(User Flow Control Interface)：幀模式下可選的一種流控制模式,，該模塊可以在正常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中添加控制信息，進(jìn)一步提高傳輸效率,。本文中用作兩塊處理板通信的方式,。

    (3)時(shí)鐘模塊(Clock Interface)：包括時(shí)鐘生成模塊和時(shí)鐘接口模塊，用于生成整個(gè)系統(tǒng)所需的時(shí)鐘,。該模塊主要由PLL(時(shí)鐘延遲鎖相環(huán))和BUFG(全局時(shí)鐘緩沖器)構(gòu)成,。PLL和BUFG構(gòu)成時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，生成GTP收發(fā)器內(nèi)所需的各種時(shí)鐘,。

    (4)時(shí)鐘補(bǔ)償模塊(Clock Compensation Interface)：該模塊內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)傳輸模塊中,，對(duì)整個(gè)Aurora模塊提供時(shí)鐘補(bǔ)償,。由于信道兩端設(shè)備的參考時(shí)鐘必然存在或多或少的差異，時(shí)鐘相位偏差不可避免,，為了保證接收端能正確地恢復(fù)數(shù)據(jù),，時(shí)鐘補(bǔ)償模塊必不可少。接收端根據(jù)接收數(shù)據(jù)流內(nèi)嵌的時(shí)鐘補(bǔ)償信息對(duì)自身參考時(shí)鐘進(jìn)行修正,，以降低誤碼,。

    (5)GTP/GTX接口模塊(Transceiver Interface)：吉比特收發(fā)器模塊，用于控制數(shù)據(jù)的收發(fā),。該模塊為Aurora協(xié)議中與物理層接口模塊,，是Aurora模塊中最重要的模塊之一[7]。不過ISE軟件生成Aurora 例程之后,，該接口模塊自動(dòng)生成,，普通的使用中幾乎不需要修改該模塊。

    在生成Aurora IP核后,，必須對(duì)Aurora IP核進(jìn)行正確配置才能正常使用,，Xilinx的CORE Generator工具在生成一個(gè)Aurora IP核的同時(shí)還會(huì)生成一個(gè)示例工程，工程中包含了一些與Aurora IP核各功能模塊相對(duì)應(yīng)的配置模塊,，包括時(shí)鐘配置模塊（clock_module）,、時(shí)鐘補(bǔ)償配置模塊（standardard_cc_module）、復(fù)位配置模塊（reset_logic）,、幀發(fā)送配置模塊（frame_gen）,、幀接收配置模塊（frame_check）。示例工程可以直接使用,，但是需要進(jìn)行修改才可以完成自己所需要的功能,，一般需要修改工程中的幀發(fā)送配置模塊、幀接收配置模塊和時(shí)鐘補(bǔ)償配置模塊,。

1.3 圖像發(fā)送接收配置及UFC通信設(shè)置

    紅外探測器接收到的圖像為640×512個(gè)像素,，在Aurora的幀傳輸模式下，每幀圖像中的一行有640個(gè)字,，用512幀可將圖像傳輸完畢,。與此相對(duì)應(yīng)，圖像接收模塊處于一直等待接收模式下,，每次接收一幀,，即為圖像對(duì)應(yīng)的一行。

    通過配置用戶流控制模塊來進(jìn)行兩個(gè)處理板之間的指令傳輸,，發(fā)送UFC信息無需等待一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,，可以先發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求被許可之后就可以立即發(fā)送。UFC信息最多可以一次發(fā)送8個(gè)字,，即16 B的數(shù)據(jù),。對(duì)這8個(gè)字進(jìn)行定義，用來進(jìn)行通信,，格式定義如表1所示,。

    按照上述要求修改發(fā)送配置模塊、幀接收配置模塊,，實(shí)現(xiàn)圖像發(fā)送和接收,。ISE 生成的例程中的時(shí)鐘補(bǔ)償配置模塊由定時(shí)器產(chǎn)生DO_CC 信號(hào)，GTP 收發(fā)器模塊根據(jù)DO_CC 信號(hào)的有效長度來產(chǎn)生時(shí)鐘補(bǔ)償序列,。如果直接使用會(huì)導(dǎo)致TX_DST_RDY_N信號(hào)不定期地?zé)o效,，從而會(huì)引起在幀模式傳輸時(shí)不定期中斷，從而導(dǎo)致傳輸效率的下降,。在實(shí)際應(yīng)用中,，以每幀640個(gè)字的方式進(jìn)行傳輸。為了解決不定期中斷這一問題,，重新設(shè)計(jì)了DO_CC 模塊,。采用方式如下：

    (1)對(duì)時(shí)鐘周期USER_CLK進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到5 000時(shí)做一個(gè)長度為10個(gè)時(shí)鐘周期的DO_CC,，并將計(jì)數(shù)清零,。

    (2)當(dāng)需要發(fā)送圖像時(shí)，在每次發(fā)送一幀640個(gè)字之前做一個(gè)10個(gè)時(shí)鐘周期的DO_CC,，并將計(jì)數(shù)清零,；

    (3)當(dāng)需要發(fā)送一個(gè)UFC通信時(shí)，在發(fā)送之前做一個(gè)10個(gè)時(shí)鐘周期的DO_CC,，并將計(jì)數(shù)清零,。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的通信平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案,，方案如下：

    (1)探測器處理板將接收到的熱紅外圖像發(fā)送到信號(hào)處理板,，圖像大小為513×640，以Aurora的幀模式,，一幀發(fā)送一行，前512行為圖像數(shù)據(jù),。第513行為附加信息,513行的前兩個(gè)字為固定字符,，用來作為圖像起始信號(hào)。在信號(hào)處理板上設(shè)置檢驗(yàn)邏輯,，根據(jù)在513行中設(shè)置的圖像起始信號(hào),，計(jì)算兩個(gè)圖像起始信號(hào)之間的幀起始信號(hào)rx_sof_n_i的個(gè)數(shù),如果個(gè)數(shù)始終為513，則證明沒有丟行。同理,，計(jì)算幀起始rx_sof_n_i和幀結(jié)束信號(hào)rx_eof_n_i之間的USER_CLK的個(gè)數(shù),，如果個(gè)數(shù)始終為640，則證明沒有丟字,。

    (2)探測器處理板以UFC方式發(fā)送數(shù)據(jù)包,，重復(fù)發(fā)送一萬次，在探測器處理板上將每次接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),，如果完全相同則計(jì)數(shù)器加1,，如果計(jì)數(shù)值能夠達(dá)到10 000，則證明UFC通信沒有出錯(cuò),。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，在傳輸圖像時(shí)，沒有出現(xiàn)丟行和丟字的現(xiàn)象,；在發(fā)送10 000個(gè)UFC數(shù)據(jù)包時(shí),，正確率為100%。圖3和圖4是分別是通過ChipScope[8]抓取的圖像傳輸信號(hào)和UFC傳輸信號(hào),。

圖3  圖像傳輸信號(hào)

圖4  UFC傳輸信號(hào)

    本文在基于Aurora IP核的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)圖像高速傳輸和通信平臺(tái),，使得兩塊處理板之間的圖像傳輸和通信可以通過一根光纖實(shí)現(xiàn)，大大簡化了系統(tǒng),。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，所構(gòu)建的圖像高速傳輸和通信平臺(tái)工作性能穩(wěn)定，其中圖像沒有出現(xiàn)丟行和丟字現(xiàn)象,，基于UFC模式傳輸?shù)耐ㄐ胚B續(xù)發(fā)送10 000個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)沒有出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤,。目前所設(shè)計(jì)的圖像高速傳輸和通信平臺(tái)已應(yīng)用于紅外成像跟蹤系統(tǒng)、雷達(dá)信號(hào)處理等場合,。

參考文獻(xiàn)

[1] 張琳琳,，張涌.Aurora協(xié)議在紅外告警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012,，12(21)：5308-5311.

[2] 陳長林,，邱兆坤.RocketIO及其在高速數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2010(11)：25-28.

[3] Xilinx Inc..RocketIOTM transceiver user guide UG024 (v3.0)

     [EB/OL].(2007-02-22)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[4] Xilinx Inc..Virtex-5 FPGA data sheet：DC and switching characteristics DS202(v5.3)[EB/OL](2010-05-05)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[5] 岳振，顧海峰,，李范鳴.基于Verilog HDL的一種絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)讀出算法[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2013，32(3)：29-31.

[6] Xilinx Inc..LogiCORETM IP Aurora 8B/10B v6.1 user guideug766[EB/OL].(2010-09-21)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[7] Xilinx Inc..Aurora 8B/10B protocol specification SP002 (v2.2)[EB/OL].(2010-04-19)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[8] Xilinx Inc..ChipScope Pro Tutorial：using an IBERT core with ChipScope Pro Analyzer UG811(v13.1)[EB/OL].(2011-04-01)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

(收稿日期：2014-05-01)  

作者簡介：

岳振,，男,，1988年生，博士研究生,，主要研究方向：紅外圖像處理及FPGA開發(fā)等,。

李范鳴,，男，1969年生,，研究員,，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：紅外光電系統(tǒng)工程及信息與圖像處理技術(shù),。