红外扫描相机高速图像数据采集和存储系统设计

    在大视场目标监视系统中, 由于涉及大视场中红外小目标的搜索问题, 要求提高红外扫描仪的分辨率和灵敏度, 即增加红外探测器个数, 以及提高帧频来提供目标的序列图像, 增大发现概率, 技术上要求探测元的读出和积分时间要相应变短。

    以上的高探测元数、高帧频特性决定了大量高速图像数据的产生。为了实时处理或事后分析这些图像数据, 必须对这些图像数据进行实时采集和存储, 从而引发了图像采集和存储过程中数据传输速率的瓶颈问题。

    本设计中, 探测器件采样频率为2 MHz, 像素灰度值量化为8 b, 数据传输速率为20 MB/s。为了实现计算机对图像数据的采集和存储, 通常需要采用高性能总线把图像采集卡和计算机连接起来。但如果采用ISA总线, 其数据传输速率仅为峰值8 MB/s, 显然不能满足图像实时记录的要求, 而PCI总线的峰值传输能力达到了133 MB/s, 因此, 采用PCI总线是解决大容量图像数据实时传输的有效办法。

   本文采用长线列探测器件, 由前端时序控制数据读出、模拟通道的放大和滤波, 经模数转换和锁存, 然后到高速的红外数据采集系统, 最后完成在计算机上的图像处理、显示和存储。

    1 系统结构概述

    图像数据从长线列的探测器输出, 经过模拟通道放大、滤波后再经过AD转换后送至锁存器, 然后经过图像采集系统, 送入终端计算机处理和显示。本图像采集系统主要由一片PCI接口控制芯片, 一片FPGA,两片FIFO及一片EEPROM构成, 结构框图如图1所示。

    经由握手信号后, 图像数据送往FIFO缓存, 因为采集卡时钟为50 MHz, 而外部图像数据时钟为2MHz, 所以采用FIFO使数据同步化。数据在FPGA内完成均匀性矫正后, 由PCI桥接芯片将数据高速传递给主机, 用来显示和存储。

    对于图像数据存储, 需要在WindowsXP系统内核空间申请两块连续的非分页内存, 轮流从内存中拷贝到硬盘中。

    2 系统硬件设计

    2.1 PCI桥接芯片

    本图像采集处理卡采用的是PLX公司的PCI9054作为桥接芯片。PCI9054是一个32位33 MHz总线主控I/O加速器。它完美地实施PCI 2.2版规范的要求, 可获得高达133 Mb/s的突发传输速度。其主要特性如下[3]:

    * 符合PCI 2.1, 2.2规范, 与PCI 2.2电源管理规范兼容;

    * 通用总线主控接口配备先进的数据流水线架构(Data Pipe ArchitectureTM);

    * 包含两个DMA引擎, 可编程目标和起始器数据传输模式和PCI信息传输功能;

    * PCI 2.2重要产品数据(VPD) 配置支持, PCI双地址周期(DAC)支持;