基于DM642的高分辨率紅外熱像儀設計與實(shí)現

3 軟件設計
基于DM642的軟件設計有兩種主要方式，其中之一是類(lèi)似單片機的程序設計方法，主程序是一個(gè)死循環(huán)，通過(guò)中斷和定時(shí)器來(lái)實(shí)現各個(gè)任務(wù)的控制。這種方式在程序較大、任務(wù)較多并且任務(wù)間需要同步和通信時(shí)不太適合，難以發(fā)揮出處理器的性能。因此本文采用TI公司針對C6000芯片的BIOS操作系統來(lái)進(jìn)行軟件設計，采用多線(xiàn)程技術(shù)，對硬件的訪(fǎng)問(wèn)都通過(guò)BIOS架構的Mini-Driver方式，這就保證了系統的穩定性和可靠性。
3.1 驅動(dòng)程序
對硬件的訪(fǎng)問(wèn)都封裝成對應的驅動(dòng)模塊，并且需要用到TI的DDK和NDK開(kāi)放包，主要包括：(1)對VP1和VP0的驅動(dòng)設計，在DDK中TI為了降低設計難度，已經(jīng)針對VP口提供了常用的編碼器和解碼器的驅動(dòng)模塊，如TVP5146 和TVP5150等，因此可以在現有的VPORT.lib庫上進(jìn)行修改。具體來(lái)說(shuō)就是把頭文件中的VPORTCAP_Params和VPORTDIS_Params結構中位寬定義字段修改為需要的位寬格式，然后把編碼器和解碼器的OPEN、CLOSE、CTRL函數中參數和實(shí)際用到的編碼器和解碼器對應修改即可。修改完后需要重新編譯VPORT工程，把編譯得到的VPORT.lib文件保存到新工程目錄下調用。(2)TI已經(jīng)在NDK中提供了TCP/IP協(xié)議棧的支持，但NDK要在自己設計的板子上運行，還需要在用戶(hù)板級驅動(dòng)包中添加對EMAC和MDIO的初始化操作。這里在BIOS的全局初始化函數中首先對物理層芯片進(jìn)行復位，然后實(shí)現兩個(gè)回調函數_getConfig和_linkStatus，分別實(shí)現對MAC地址配置和以太網(wǎng)鏈路狀態(tài)信息的讀取。
3.2 主程序設計
主程序流程如圖5所示。首先進(jìn)行硬件初始化，包括CACHE、VP口、EMAC、I2C、EDMA、中斷等；然后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )監聽(tīng)任務(wù)和熱圖采集任務(wù)；最后啟動(dòng)數據處理任務(wù)和視頻顯示任務(wù)。各個(gè)任務(wù)的功能如下：(1)在熱圖采集任務(wù)中采集到一幀完整的640×480×16 bit的紅外圖像原始數據并通過(guò)雙緩沖模式通過(guò)EDMA把數據保存在SDRAM中，然后通過(guò)TI提供的RF5框架中的SCOM通信模塊，把地址指針和同步信號發(fā)送到數據處理任務(wù)。(2)數據處理任務(wù)把原始紅外數據進(jìn)行非均勻性校正、直方圖均衡、溫度計算等處理，并且同時(shí)生成具有字符疊加后的模擬視頻數據；然后數據處理任務(wù)把模擬視頻數據通過(guò)SCOM通信模塊發(fā)送到視頻顯示任務(wù)，通過(guò)ADV7179得到PAL格式的模擬紅外視頻。如果熱像傳輸任務(wù)已經(jīng)啟動(dòng)，數據處理任務(wù)還需要把處理后的熱圖數據發(fā)送到熱像傳輸任務(wù)。(3)熱像傳輸任務(wù)和命令收發(fā)任務(wù)都是基于NDK提供的網(wǎng)絡(luò )通信，首先是初始化TCP SOCKET連接并監聽(tīng)，當接收到網(wǎng)絡(luò )來(lái)的連接請求并通過(guò)鑒權后，再啟動(dòng)對應傳輸和命令收發(fā)任務(wù)。其中熱像傳輸任務(wù)的輸入數據是來(lái)自數據處理任務(wù)，然后通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送到PC計算機進(jìn)行顯示、存儲和進(jìn)一步處理。命令收發(fā)任務(wù)接收網(wǎng)絡(luò )傳來(lái)的命令信息，包括對探測器的配置、對熱像儀定標數據的配置，以及通過(guò)該任務(wù)對FLASH進(jìn)行讀寫(xiě)，實(shí)現熱像儀在線(xiàn)軟件更新功能。

這種基于BIOS操作系統的多線(xiàn)程、多任務(wù)處理方式，充分利用了DM642的高效和并行處理能力，能在保證紅外熱像網(wǎng)絡(luò )傳輸不受干擾的情況下，同時(shí)對機芯進(jìn)行有效的命令配置。并且在有多個(gè)PC的上位機程序同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接熱像儀時(shí)，只需要額外啟動(dòng)對應的熱像傳輸線(xiàn)程即可。
4 實(shí)驗與總結
熱像儀網(wǎng)絡(luò )傳輸的速度非常重要，這是由于紅外圖像通常不希望進(jìn)行有損壓縮，而高分辨率的熱像儀對網(wǎng)絡(luò )帶寬要求較高。如FLIR公司的PHOTON640機芯的熱像數據輸出為9幀/s，每幀分辨率為640×480，每點(diǎn)14 bit。為了方便處理，在DM642和FPGA的處理中用16 bit存儲每點(diǎn)的數據，這樣每秒在網(wǎng)絡(luò )中傳輸的帶寬至少需要42 Mb/s。
為了測試DM642的傳輸速度并且和基于A(yíng)RM9的設計方案進(jìn)行比較，在百兆局域網(wǎng)中通過(guò)PC和三種設計方案的熱像儀原理樣機直接連接，并用測試數據進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸，其中包括本文的設計方案，以及文獻[3]中提出的ARM9+DM9000和ARM9+AX88180。LXT971ALC是物理層芯片，這是由于DM642內嵌EMAC控制器，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接外部只需要物理層芯片即可。而ARM9沒(méi)有內嵌EMAC控制器，只能通過(guò)外部通用地址和數據總線(xiàn)和外部MAC控制器連接，這里分別選用16位寬的百兆DM9000和32位寬的千兆AX88180 MAC控制器。測試結果如表1所示?？梢?jiàn)由于處理器架構限制，ARM9即使搭配32位寬的千兆MAC芯片，其傳輸速度才33 Mb/s，而DM642卻可以達到80 Mb/s，能夠實(shí)現640×480這樣的高清晰度熱像儀無(wú)損網(wǎng)絡(luò )數據傳輸。

基于DM642的嵌入式系統設計由于其軟硬件的靈活剪裁，并且能充分利用BIOS的多任務(wù)機制，非常適合高性能的嵌入式設備設計。本文設計的紅外熱像儀可以作為獨立的手持設備，也可以方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò )集成到現有系統，因此已經(jīng)作為產(chǎn)品，批量地生產(chǎn)應用在消防、醫療和邊防監控中，并在甲型H1N1防疫工作中起到了關(guān)鍵作用。
參考文獻
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