2024年3月20日发(作者：从凌波)
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文章编号：１６７２—８７８５（２００６）１０—００１７—０４
基于ＴＳ １０１ Ｓ和ＣＰ ＣＩ的红外图像
采集处理系统的设计
张长城，杨德贵，王宏强
（国防科技大学电子科学与工程学院ＡＴＲ实验室，湖南长沙４１００７３）
摘 要：本文紧密结合红外探测器特点，介绍了一种基于ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ的红外图像
数据采集处理系统，主要对图像采集、图像处理中几个关键技术进行了描述。系统用
ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ完成图像预处理，用ＣＰＬＤ进行时序逻辑设计，并采用ＣＰＣＩ总线技术以
保证图像数据的高速传输。通过测试，该系统实时性好，计算效率高，工作稳定性好。
关键词：图像采集处理；红外；ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ；ＣＰＬＤ；ＣＰＣＩ
中图分类号：ＴＮ２１９ 文献标识码： Ａ
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ＩＲ Ｉｍａｇｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＳ１０１Ｓ ａｎｄ ＣＰＣＩ
ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｃｈｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｄｅ－ｇｕｉ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｑｉａｎｇ
ｆＡ豫ｌａｂ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｌｎｅｅｒｉｎｇ，ＮＵＤ Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａｊ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｌｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ
ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ
ｄｅｔｍ１．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎ ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｉｍａｇｅｓ，ａ ＣＰＬＤ ｉｓ
ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ａ ＣＤＣＩ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｇｏｏｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｉｇｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ＡＤＳＰ——ＴＳ１０１Ｓ；ＣＰＬＤ；ＣＰＣＩ
１引言
如何实时又准确地获取信息是红外图像
采集处理系统设计的关键，而图像数据处理
是关键性的技术环节，本文介绍了一种基于
ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１芯片和ＣＰＣＩ总线的红外图像采集
处理系统，主要用于测量复杂背景下小目标的
红外辐射特性，可同时测量出视场内３个目标
的红外辐射量及脱靶量。系统整体结构如图１
所示。
２系统工作流程
系统初始化及自检完成后，根据导引信息
的有无完成对目标的搜索。含有目标的数字图
像由摄像头传至红外采集卡。高速信号处理器
获取经采集卡转化后的数字图像序列，由预先输
入的目标先验信息检测目标，形成选通波门，分
割出目标与背景，同时，计算出目标偏离视场中
心的方位，将目标方位信息传至跟踪测量及数
据采集存储工作站。预测下一帧波门位置及波
收稿日期：２００６－０５－２３
作者简介：张长城（１９７８一），男，山东人，国防科技大学硕士生，主要研究方向为红外图像采集处理及模式识
别。
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２７，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ ２００６
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门大小，进行目标自动跟踪，监视器上实时显示
波门跟踪及目标方位。其工作流程如图２所示。
整个红外图像数据采集处理系统由红外图像采
集模块和图像处理模块两部分组成。
过一个数据整理和缓冲的中间环节，这一中间
环节必须通过红外图像采集卡实现。考虑到系统
的通用性设计原则及电路板设计上的简易性，
在该系统设计中，研制了基于ＣＰＣＩ的红外图像
数据采集卡，同时兼容红外摄像机模拟、数字接
口。采集模块主要由电平转换、数据缓存、ＰＣＩ
控制器、外同步驱动电路和控制逻辑等部分组
成，如图３所示。
３．１ ＰＣＩ总线控制器
ＰＣＩ总线因其具有负载能力强、支持３２／６４ｂｉｔ
数据传输、采用多总线和线性突发传输模式、支
图ｌ红外采集处理系统的设计
持即插即用等优点，而被广泛应用于实时高速的
数据传输系统中ｆ 。数据采集模块是通过ＰＣＩ
总线逻辑接口与ＰＣＩ总线进行数据通信的，因
而ＰＣＩ总线逻辑接口在图像数据采集处理中十
分重要ｆ引。为了缩短开发周期、减小为理解ＰＣＩ
总线规范的每一个细节要求所带来的工作量，本
系统设计采用ＰＣＩ专用接口芯片￥５９３３。它提供
了三种物理总线接口：ＰＣＩ总线接口、ＡＤＤ—ＯＮ
总线接口及外部只读存储器（ＮＶ～ＲＡＭ）接口，
其中ＰＣＩ总线接口完全符合ＰＣＩ总线规范，用
图２红外图像数据采集处理系统的工作流程图
户只需设计与ＡＤＤ—ＯＮ总线接口的逻辑控制电
３图像采集模块的设计
路以及用于配置的外部只读存储器，而不必考
虑ＰＣＩ总线接口的设计，从而大大简化了设计的
该模块由红外摄像头和图像采集卡组成。 复杂度，提高了数据传输速度。在采集过程中，
红外探测器的选取在很大程度上影响了红外图
通过ＰＡＳＳ—ＴＨＲＵ通道传来系统命令，使用相应
像的成像质量，在此我们选用了法国ＣＥ公司的
的握手协议和附加逻辑，访问ＡＤＤ—ＯＮ总线上
ＮＴＳＣ／ＲＳ１７０红外摄像头。它可切换输出标准视
的资源。每帧图像先存储在采集卡上，然后整帧
频信号和１４ｂｉｔ的ＲＳ４２２差分信号。由于红外摄
发给系统。由于数据量较大，采用ＦＩＦＯ通道的
像头没有提供与工控机的接口，因此，获取的图
ＤＭＡ方式直接写入内存。其中ＤＭＡ方式只使
像数据不能直接送至ＰＣ机进行处理，而必须经
用ＲＤＦＩＦＯ＃和ＷＲＦＯＦＰ＃两个控制信号实现
差分数字输入
ｈ、
———
＾
差分信号 ———————＾、 控制逻辑 ＦＩＦＯ
ｌ
——
电平转换 ———————
上 Ｕ ＰＣＩ总线
外同步 驱动电路 Ｄ Ｔ ＾ ． ｌ且Ｉ １ ）
‘…………
图３红外图像数据采集处理原理图
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２７，ＮＯ．１０，ＯＣＴ ２００６
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期 ｌｏ期 ｒ ｌ＿ ＿ 藜 藏
传输，简化了控制逻辑，并能达到ＣＰＣＩ的最高传
器，１个ＥＰＭ３２５６型ＣＰＬＤ作为逻辑控制。采
输速率３３Ｍ￣３２ｂ，满足大块数据传输的要求。
用如图４所示的设计结构。
３．２模拟与数字接口设计
４．１主要器件的选型
数据采集卡分别以模拟接口和数字接口两
处理系统的核心芯片ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ是由美
种方式与红外摄像机相连，进行数据采集。模拟信
国Ａｎａｌｏｇ公司在ＡＤＳＰ一２１０６ｘ／２１１６ｘ系列的基础
号进入后，经过放大进行Ａ／Ｄ转换，然后由ＳＲＡＭ
上发展起来的一款高性能静态超标量处理器，专
对其分块存储，最后数字信号通过ＣＰＣＩ总线传
为大的信号处理任务和通信结构进行了优化。
入系统。为了保证数据传输的正确率和较高的传
ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ静态超标量结构使ＤＳＰ每周期能
输速率，采用了抗干扰能力强的ＲＳ一４２２电气接
够执行多达４条指令、２４个１６ｂｉｔ的定点运算
口标准。用５片ＥＸＡＲ的ＳＴ２６Ｃ３２作为差分转换
和６个浮点运算。三条相互独立的１２８ｂｉｔ宽的内
芯片，完成差分电平信号的转换，包括１４ｂｉｔ的图
部数据总线，每条连接３个２Ｍｂｉｔ的内部存储器
像数据、时钟信号、帧同步信号和场同步信号。
块中的一个，提供４字的数据、指令及Ｉ／Ｏ访问
这些信号经电平转换后，采用１２８Ｋｘ １８ｂ的ＦＩＦＯ
和１４．４ＧＢ／ｓ的内部存储器带宽。运行在３００ＭＨｚ
来存储（一帧的数据量为３２０ｂｘ２４０ｂｘ １６ｂ），等待
时，ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ内核的指令周期为３．３ｎｓ，其
一
帧存满后就向系统发送。同时为了增强对同
完成１０２４点复数ＦＦＴ的时间只有３２．７８＃ｓ。利
步信号的驱动能力，隔绝来自传感器的干扰，在
电路设计中采用了７４ＨＣＯ４芯片。用户可通过该
用其单指令多数据的特点，ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ可以
同步信号来控制红外传感器的工作时间以及图
提供２４亿次４０ｂｉｔ的ＭＡＣ运算或者６００００万次
像输出的帧频。各个部分由ＣＰＬＤ通过一定时
８０ｂｉｔ的ＭＡＣ运算 正因为ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ具备功
序逻辑进行协调控制，实现数据传输和存储。
能强大、运行速度快、功耗低、便于开发、容易实
现并行系统等特点，本系统选用ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ
４图像处理模块的设计
作为核心处理器。
红外图像处理模块由ＤＳＰ和ＣＰＬＤ组成。
ＣＰＬＤ是整个采集处理系统的时序控制中
主要用于３２０ｘ２４０像素红外图像的处理，对复杂
心和数据交换中心，它产生各种控制信号，能
背景中的目标进行检测、跟踪和识别。该系统采
够进行各种逻辑控制，产生缓冲存储器的地址
用２个ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１作为处理器，２个ＦＩＦＯ作 线，控制系统复位，完成数据采集及恢复的时序
为输入输出缓存， １个ＳＤＲＡＭ作为外部存储
控制和奇偶场图像数据的存取控制以及ＤＳＰ读
数据总线
图４红外图像处理模块结构
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２７，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ ２００６
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图５红外小目标算法设计流程
写的时序控制等功能，还能实现对图像数据的快
速处理。和ＦＰＧＡ相比，ＣＰＬＤ具有速度快、延时
固定的优点，非常适合系统的逻辑功能实现。由于
ＤＳＰ实现在线编程。程序加载采用在线ＦＬＡＳＨ
加载方式，算法程序编写完后，将编写的算法程
序在线烧写到ＦＬＡＳＨ中。当系统上电时，ＤＳＰ０
自动通过ＰＲＯＭ加载方式，读取应用程序，然
后ＤＳＰ１通过链路口，接收由ＤＳＰ０发送到ＤＳＰ１
本系统时序控制逻辑相对简单，因此，采用Ａｌｔｅｒａ
公司的ＭＡＸ３０００系列ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ３２５６Ａ。
该ＣＰＬＤ芯片有２５６个宏单元，共２０８个管脚，
的应用程序，实现自身程序的加载，完成不同环
境下目标的检测处理。处理结果先存储在ＤＳＰ
内的ＲＡＭ中，最后输入到输出缓冲ＦＩＦＯ。由
于ＦＩＦＯ、ＤＳＰ和ＳＤＲＡＭ相互之间采用ＤＭＡ
其中可用于Ｉ／Ｏ的管脚为１６４个。
４．２算法的硬件实现
红外图像处理系统的数据吞吐量大，处理
算法复杂，小目标的检测更是红外图像处理系
统的难点。对红外图像中弱小目标的检测算法一
般分为三个步骤：背景抑制、目标分割和目标检
方式传输，不占用ＤＳＰ资源，大大提高了系统
的处理能力。
测，红外弱小目标检测算法的流程如图４所示。
红外处理系统主要完成红外图像的背景抑制，
能否实时有效地进行处理，这直接影响到后续的
目标检测、跟踪和识别处理效果。为了保证系统
处理的稳定性，系统首先要完成红外信号的非均
５结束语
在设计过程中，我们不仅考虑到红外采集
处理的实时性要求，同时考虑到红外数据处理算
法的复杂性，充分利用ＣＰＣＩ传输率高、ＡＤＳＰ—
ＴＳ１０１处理速度快和ＣＰＬＤ灵活的优势来提高整
个系统性能。此电路设计用于一种多传感器的
匀性校正，采集数据经过外部连接直接传输到
输入缓冲ＦＩＦＯ中。当一帧图像数据传输完毕，
使用ＴＳ１０１Ｓ特有的ＦＬＹＢＹ传输方式，将数据由
输入缓冲ＦＩＦＯ传输到ＳＤＲＡＭ。在ＣＰＬＤ时序
逻辑控制下，对数据存储器ＳＤＲＡＭ进行寻址，
从ＳＤＲＡＭ中读出增益和偏移量，然后在ＤＳＰ内
探测系统，经过实际测试，能够完成实时高速数
据的采集处理，降低虚警率，适合于对多目标、
弱小目标的检测、识别与跟踪。
参考文献
ｆ１１王敏，周水斌．基于ＰＣＩ总线的高速数据采集卡的
研制『Ｊ１．自动化与仪表，２００３，（４）：３６—３８．
ｆ２１班荣峰，王建涛，等．基于专用控制芯片￥５９３３的
ＰＣＩ总线接口设计＿Ｊ］．电子技术应用，１９９８，（１１）：
５５—５７．
按照一定的算术逻辑运算，完成对红外图像的
非均匀校正及盲元替换。校正后的数据传输到
输出缓冲ＦＩＦＯ存储器。由于探测器本身固有的
特性以及环境的影响和人为干扰，红外图像边
缘模糊，噪声较大，因此，需要用针对不同应用
环境编写的不同算法程序对采集到的红外图像
进行处理。本文选用ＳＳＴ公司的ＳＳＴ３９ＶＦ０４０作
为程序存储区的核心芯片。该芯片为５１２Ｋ￣８ｂｉｔ
的ＦＬＡＳＨ存储器，工作电压为３．３Ｖ，可以通过
『３１刘书明，苏涛，等．ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ应用系统设
计 ］．电子工业出版社，２００４．
［４］毛玉星，胡旭．红外图像实时处理系统设计［Ｊ］．红
外技术，２００３，（５）－４９—５２．
『５１陈立法，等．多波段实时红外图像信号采集处理系
统设计『Ｊ】．红外与毫米波学报，２００１，（１２）：４６４—４６６．
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／Ｖｏｔ ．２７，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ ２００６
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基于ＴＳ １０１ Ｓ和ＣＰ ＣＩ的红外图像
采集处理系统的设计
张长城，杨德贵，王宏强
（国防科技大学电子科学与工程学院ＡＴＲ实验室，湖南长沙４１００７３）
摘 要：本文紧密结合红外探测器特点，介绍了一种基于ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ的红外图像
数据采集处理系统，主要对图像采集、图像处理中几个关键技术进行了描述。系统用
ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ完成图像预处理，用ＣＰＬＤ进行时序逻辑设计，并采用ＣＰＣＩ总线技术以
保证图像数据的高速传输。通过测试，该系统实时性好，计算效率高，工作稳定性好。
关键词：图像采集处理；红外；ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ；ＣＰＬＤ；ＣＰＣＩ
中图分类号：ＴＮ２１９ 文献标识码： Ａ
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ＩＲ Ｉｍａｇｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＳ１０１Ｓ ａｎｄ ＣＰＣＩ
ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｃｈｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｄｅ－ｇｕｉ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｑｉａｎｇ
ｆＡ豫ｌａｂ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｌｎｅｅｒｉｎｇ，ＮＵＤ Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａｊ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｌｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ
ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ
ｄｅｔｍ１．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎ ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｉｍａｇｅｓ，ａ ＣＰＬＤ ｉｓ
ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ａ ＣＤＣＩ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｇｏｏｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｉｇｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ＡＤＳＰ——ＴＳ１０１Ｓ；ＣＰＬＤ；ＣＰＣＩ
１引言
如何实时又准确地获取信息是红外图像
采集处理系统设计的关键，而图像数据处理
是关键性的技术环节，本文介绍了一种基于
ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１芯片和ＣＰＣＩ总线的红外图像采集
处理系统，主要用于测量复杂背景下小目标的
红外辐射特性，可同时测量出视场内３个目标
的红外辐射量及脱靶量。系统整体结构如图１
所示。
２系统工作流程
系统初始化及自检完成后，根据导引信息
的有无完成对目标的搜索。含有目标的数字图
像由摄像头传至红外采集卡。高速信号处理器
获取经采集卡转化后的数字图像序列，由预先输
入的目标先验信息检测目标，形成选通波门，分
割出目标与背景，同时，计算出目标偏离视场中
心的方位，将目标方位信息传至跟踪测量及数
据采集存储工作站。预测下一帧波门位置及波
收稿日期：２００６－０５－２３
作者简介：张长城（１９７８一），男，山东人，国防科技大学硕士生，主要研究方向为红外图像采集处理及模式识
别。
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２７，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ ２００６
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门大小，进行目标自动跟踪，监视器上实时显示
波门跟踪及目标方位。其工作流程如图２所示。
整个红外图像数据采集处理系统由红外图像采
集模块和图像处理模块两部分组成。
过一个数据整理和缓冲的中间环节，这一中间
环节必须通过红外图像采集卡实现。考虑到系统
的通用性设计原则及电路板设计上的简易性，
在该系统设计中，研制了基于ＣＰＣＩ的红外图像
数据采集卡，同时兼容红外摄像机模拟、数字接
口。采集模块主要由电平转换、数据缓存、ＰＣＩ
控制器、外同步驱动电路和控制逻辑等部分组
成，如图３所示。
３．１ ＰＣＩ总线控制器
ＰＣＩ总线因其具有负载能力强、支持３２／６４ｂｉｔ
数据传输、采用多总线和线性突发传输模式、支
图ｌ红外采集处理系统的设计
持即插即用等优点，而被广泛应用于实时高速的
数据传输系统中ｆ 。数据采集模块是通过ＰＣＩ
总线逻辑接口与ＰＣＩ总线进行数据通信的，因
而ＰＣＩ总线逻辑接口在图像数据采集处理中十
分重要ｆ引。为了缩短开发周期、减小为理解ＰＣＩ
总线规范的每一个细节要求所带来的工作量，本
系统设计采用ＰＣＩ专用接口芯片￥５９３３。它提供
了三种物理总线接口：ＰＣＩ总线接口、ＡＤＤ—ＯＮ
总线接口及外部只读存储器（ＮＶ～ＲＡＭ）接口，
其中ＰＣＩ总线接口完全符合ＰＣＩ总线规范，用
图２红外图像数据采集处理系统的工作流程图
户只需设计与ＡＤＤ—ＯＮ总线接口的逻辑控制电
３图像采集模块的设计
路以及用于配置的外部只读存储器，而不必考
虑ＰＣＩ总线接口的设计，从而大大简化了设计的
该模块由红外摄像头和图像采集卡组成。 复杂度，提高了数据传输速度。在采集过程中，
红外探测器的选取在很大程度上影响了红外图
通过ＰＡＳＳ—ＴＨＲＵ通道传来系统命令，使用相应
像的成像质量，在此我们选用了法国ＣＥ公司的
的握手协议和附加逻辑，访问ＡＤＤ—ＯＮ总线上
ＮＴＳＣ／ＲＳ１７０红外摄像头。它可切换输出标准视
的资源。每帧图像先存储在采集卡上，然后整帧
频信号和１４ｂｉｔ的ＲＳ４２２差分信号。由于红外摄
发给系统。由于数据量较大，采用ＦＩＦＯ通道的
像头没有提供与工控机的接口，因此，获取的图
ＤＭＡ方式直接写入内存。其中ＤＭＡ方式只使
像数据不能直接送至ＰＣ机进行处理，而必须经
用ＲＤＦＩＦＯ＃和ＷＲＦＯＦＰ＃两个控制信号实现
差分数字输入
ｈ、
———
＾
差分信号 ———————＾、 控制逻辑 ＦＩＦＯ
ｌ
——
电平转换 ———————
上 Ｕ ＰＣＩ总线
外同步 驱动电路 Ｄ Ｔ ＾ ． ｌ且Ｉ １ ）
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图３红外图像数据采集处理原理图
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传输，简化了控制逻辑，并能达到ＣＰＣＩ的最高传
器，１个ＥＰＭ３２５６型ＣＰＬＤ作为逻辑控制。采
输速率３３Ｍ￣３２ｂ，满足大块数据传输的要求。
用如图４所示的设计结构。
３．２模拟与数字接口设计
４．１主要器件的选型
数据采集卡分别以模拟接口和数字接口两
处理系统的核心芯片ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ是由美
种方式与红外摄像机相连，进行数据采集。模拟信
国Ａｎａｌｏｇ公司在ＡＤＳＰ一２１０６ｘ／２１１６ｘ系列的基础
号进入后，经过放大进行Ａ／Ｄ转换，然后由ＳＲＡＭ
上发展起来的一款高性能静态超标量处理器，专
对其分块存储，最后数字信号通过ＣＰＣＩ总线传
为大的信号处理任务和通信结构进行了优化。
入系统。为了保证数据传输的正确率和较高的传
ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ静态超标量结构使ＤＳＰ每周期能
输速率，采用了抗干扰能力强的ＲＳ一４２２电气接
够执行多达４条指令、２４个１６ｂｉｔ的定点运算
口标准。用５片ＥＸＡＲ的ＳＴ２６Ｃ３２作为差分转换
和６个浮点运算。三条相互独立的１２８ｂｉｔ宽的内
芯片，完成差分电平信号的转换，包括１４ｂｉｔ的图
部数据总线，每条连接３个２Ｍｂｉｔ的内部存储器
像数据、时钟信号、帧同步信号和场同步信号。
块中的一个，提供４字的数据、指令及Ｉ／Ｏ访问
这些信号经电平转换后，采用１２８Ｋｘ １８ｂ的ＦＩＦＯ
和１４．４ＧＢ／ｓ的内部存储器带宽。运行在３００ＭＨｚ
来存储（一帧的数据量为３２０ｂｘ２４０ｂｘ １６ｂ），等待
时，ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ内核的指令周期为３．３ｎｓ，其
一
帧存满后就向系统发送。同时为了增强对同
完成１０２４点复数ＦＦＴ的时间只有３２．７８＃ｓ。利
步信号的驱动能力，隔绝来自传感器的干扰，在
电路设计中采用了７４ＨＣＯ４芯片。用户可通过该
用其单指令多数据的特点，ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ可以
同步信号来控制红外传感器的工作时间以及图
提供２４亿次４０ｂｉｔ的ＭＡＣ运算或者６００００万次
像输出的帧频。各个部分由ＣＰＬＤ通过一定时
８０ｂｉｔ的ＭＡＣ运算 正因为ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ具备功
序逻辑进行协调控制，实现数据传输和存储。
能强大、运行速度快、功耗低、便于开发、容易实
现并行系统等特点，本系统选用ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１Ｓ
４图像处理模块的设计
作为核心处理器。
红外图像处理模块由ＤＳＰ和ＣＰＬＤ组成。
ＣＰＬＤ是整个采集处理系统的时序控制中
主要用于３２０ｘ２４０像素红外图像的处理，对复杂
心和数据交换中心，它产生各种控制信号，能
背景中的目标进行检测、跟踪和识别。该系统采
够进行各种逻辑控制，产生缓冲存储器的地址
用２个ＡＤＳＰ—ＴＳ１０１作为处理器，２个ＦＩＦＯ作 线，控制系统复位，完成数据采集及恢复的时序
为输入输出缓存， １个ＳＤＲＡＭ作为外部存储
控制和奇偶场图像数据的存取控制以及ＤＳＰ读
数据总线
图４红外图像处理模块结构
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２７，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ ２００６
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图５红外小目标算法设计流程
写的时序控制等功能，还能实现对图像数据的快
速处理。和ＦＰＧＡ相比，ＣＰＬＤ具有速度快、延时
固定的优点，非常适合系统的逻辑功能实现。由于
ＤＳＰ实现在线编程。程序加载采用在线ＦＬＡＳＨ
加载方式，算法程序编写完后，将编写的算法程
序在线烧写到ＦＬＡＳＨ中。当系统上电时，ＤＳＰ０
自动通过ＰＲＯＭ加载方式，读取应用程序，然
后ＤＳＰ１通过链路口，接收由ＤＳＰ０发送到ＤＳＰ１
本系统时序控制逻辑相对简单，因此，采用Ａｌｔｅｒａ
公司的ＭＡＸ３０００系列ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ３２５６Ａ。
该ＣＰＬＤ芯片有２５６个宏单元，共２０８个管脚，
的应用程序，实现自身程序的加载，完成不同环
境下目标的检测处理。处理结果先存储在ＤＳＰ
内的ＲＡＭ中，最后输入到输出缓冲ＦＩＦＯ。由
于ＦＩＦＯ、ＤＳＰ和ＳＤＲＡＭ相互之间采用ＤＭＡ
其中可用于Ｉ／Ｏ的管脚为１６４个。
４．２算法的硬件实现
红外图像处理系统的数据吞吐量大，处理
算法复杂，小目标的检测更是红外图像处理系
统的难点。对红外图像中弱小目标的检测算法一
般分为三个步骤：背景抑制、目标分割和目标检
方式传输，不占用ＤＳＰ资源，大大提高了系统
的处理能力。
测，红外弱小目标检测算法的流程如图４所示。
红外处理系统主要完成红外图像的背景抑制，
能否实时有效地进行处理，这直接影响到后续的
目标检测、跟踪和识别处理效果。为了保证系统
处理的稳定性，系统首先要完成红外信号的非均
５结束语
在设计过程中，我们不仅考虑到红外采集
处理的实时性要求，同时考虑到红外数据处理算
法的复杂性，充分利用ＣＰＣＩ传输率高、ＡＤＳＰ—
ＴＳ１０１处理速度快和ＣＰＬＤ灵活的优势来提高整
个系统性能。此电路设计用于一种多传感器的
匀性校正，采集数据经过外部连接直接传输到
输入缓冲ＦＩＦＯ中。当一帧图像数据传输完毕，
使用ＴＳ１０１Ｓ特有的ＦＬＹＢＹ传输方式，将数据由
输入缓冲ＦＩＦＯ传输到ＳＤＲＡＭ。在ＣＰＬＤ时序
逻辑控制下，对数据存储器ＳＤＲＡＭ进行寻址，
从ＳＤＲＡＭ中读出增益和偏移量，然后在ＤＳＰ内
探测系统，经过实际测试，能够完成实时高速数
据的采集处理，降低虚警率，适合于对多目标、
弱小目标的检测、识别与跟踪。
参考文献
ｆ１１王敏，周水斌．基于ＰＣＩ总线的高速数据采集卡的
研制『Ｊ１．自动化与仪表，２００３，（４）：３６—３８．
ｆ２１班荣峰，王建涛，等．基于专用控制芯片￥５９３３的
ＰＣＩ总线接口设计＿Ｊ］．电子技术应用，１９９８，（１１）：
５５—５７．
按照一定的算术逻辑运算，完成对红外图像的
非均匀校正及盲元替换。校正后的数据传输到
输出缓冲ＦＩＦＯ存储器。由于探测器本身固有的
特性以及环境的影响和人为干扰，红外图像边
缘模糊，噪声较大，因此，需要用针对不同应用
环境编写的不同算法程序对采集到的红外图像
进行处理。本文选用ＳＳＴ公司的ＳＳＴ３９ＶＦ０４０作
为程序存储区的核心芯片。该芯片为５１２Ｋ￣８ｂｉｔ
的ＦＬＡＳＨ存储器，工作电压为３．３Ｖ，可以通过
『３１刘书明，苏涛，等．ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ应用系统设
计 ］．电子工业出版社，２００４．
［４］毛玉星，胡旭．红外图像实时处理系统设计［Ｊ］．红
外技术，２００３，（５）－４９—５２．
『５１陈立法，等．多波段实时红外图像信号采集处理系
统设计『Ｊ】．红外与毫米波学报，２００１，（１２）：４６４—４６６．
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／Ｖｏｔ ．２７，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ ２００６