文章目录
- 第一章 非制冷红外探测器性能简介
- 第二章 非制冷红外探测器驱动模块设计
- 第三章 非制冷红外探测器驱动模块状态机设计
- 第四章 非制冷红外探测器非均匀校正参数的获取与存储
- 第五章 OOC参数和两点校正KB参数的上电加载使用
- 总结
第一章 非制冷红外探测器性能简介
笔者选用了一款国产的非制冷红外探测器芯片， 该探测器芯片由读出电路，氧化钒微测辐射热计焦平面阵列，模数转换器，控温芯片等构成，且使用陶瓷抽真空封装，芯片的性能如下：
非制冷红外传感器：氧化钒微测辐热计
光谱响应谱段：8-14um
像元中心距：12um
阵列规模：640*512
帧频：50Hz
工作温度范围-40℃~85℃
对外输出接口1：千兆以太网
对外通信接口2：异步RS422
曝光时间：1~20ms可定制
供电电压：5~12VDC
整机功耗：不大于2.5W
机芯尺寸：52mm*52mm*45mm
红外图像处理：非均匀校正，数字细节增强，滤波降噪
光学镜头：可根据用户需求定制镜头焦距和视场角
第二章 非制冷红外探测器驱动模块设计
为了使非制冷红外探测器能够正常工作，笔者使用FPGA对其输入一定的数字信号进行驱动， 该探测器的驱动信号引脚有如下： 主时钟信号（MCK）,２路输入信号线SD0和SD1，４路并行数字信号输出DO0、DO1、DO2、和DO3 。
笔者使用FPGA发送给探测器的图像驱动信号主要有如下几种形式：
1.MCK： 整个驱动模块的主时钟，用于同步电路的工作状态，可以修改用来获得不同的帧频，占空比要求在0.45~0.55之间。
2.复位编码信号：只要探测器接收到36bit复位编码信号
("111111111111111111111111111111110000")，探测器即进入复位状态，FPGA通过SD0引脚将串行编码信号输出给探测器。
3.片上非均匀性校正控制引脚：FPGA通过SD0和SD1引脚给探测器输出OOC控制值，即FPGA将每一行的每个像元的片上非均匀性OOC控制值（该值获取方式见笔者编写的《非制冷红外探测器片上非均匀校正（on-chip offset calibration OOC）技术应用分析
》）传输给探测器，探测器实现所有像元的片上非均匀校正。
4.帧同步信号（FS）：表示每一帧的开始信号，FPGA通过SD0引脚给探测器输出14bit帧同步编码信号（"11111111010011"）。
5.配置信号（config）： FPGA通过SD0引脚给探测器输出14bit配置信号（"11111111010101"），探测器在接收到配置头信号之后，探测器进入配置状态。
6.行同步信号（LS）：表示每一行的开始信号，FPGA通过SD0引脚给探测器输出14bit行同步编码信号（" 11111111010111"）。
7.探测器输出像元数据：当探测器接收完FPGA输出的行同步信号之后，探测器将像素输出数据将通过DO0~DO4四引脚发送给FPGA，FPGA对按照一定的格式完成数据拼接，处理后发送到后续算法模块。
第三章 非制冷红外探测器驱动模块状态机设计
FPGA具体驱动模式的状态机设计如下图1所示， 该图为探测器驱动模块状态机的状态转移图， 整个驱动模块可以分为８个状态。
- IDLE状态：为驱动模块的起始状态，若在此状态下探测器收到的复位编码信号，则转至RST状态， 若探测器计数器满足IDLE状态计数的参数，则转至config状态。
- RST状态：为驱动模块的复位状态，FPGA通过SD0引脚向探测器串行发送复位编码信号，探测器完成复位之后将转至IDLE状态。
- config状态： 为驱动模块的配置状态，FPGA通过SD0引脚向探测器串行发送配置编码信号， FPGA发完配置指令后发送探测器内部的配置参数，完成后转至FS状态
- FS状态： 为驱动模块的帧同步状态，FPGA通过SD0引脚向探测器串行发送FS编码信号， 完成后转至FS2LS状态。
- FS2LS状态：为驱动模块的过渡状态，为了满足帧头信号之后要隔一段时间出行同步信号的时序需求，所以该状态主要是为了计数器计满一段时间之后转至LS状态。
- LS状态：为驱动模块的行同步状态，该状态与FS状态类似， FGPA通过SD0引脚向探测器串行发送LS编码指令，完成后转至LINE状态。
- LINE状态：为驱动模块的像元数据获取状态，在该状态下会FPGA通过DO0~DO4四引脚并行发来的像元数据，FPGA以每七个时钟为一次计数，两两拼成一个14bit的有效数据，供后续模块使用。 并在此期间FPGA通过SD0和SD1同步发送像元的OOC控制值。当行计数器计满一行640个像元之后，FPGA判断行计数器是否满足512， 若不满足则回到LS状态，FPGA重新发送行同步信号， 若满足，则转至FE状态。
- FE状态：为驱动模块的等待结束状态， 若FPGA的计数器检测到帧尾计数完毕， 则回到初始的IDLE状态
图1 FPGA实现非制冷红外探测器驱动的状态机设计图
第四章 非制冷红外探测器非均匀校正参数的获取与存储
相机的非均匀校正包括片上非均匀校正（on-chip offset calibration OOC）和两点校正两部分，分别对应像素的增益非均匀性校正和偏移量非均匀性校正，需要PC机和FPGA逻辑配合完成， PC端需要存储空间较大， PC机使用特定的应用程序。
片上非均匀校正PC端应用程序通过遍历的方式，获取每个像元离工作点电压值最近的输出，即获取探测器每个像元的OOC校正值。笔者编写了专用的FPGA工艺程序，由PC端将探测器所有像元（640*512=327680）的OOC校正值通过串口传输给FPGA，FPGA逻辑再将所有的OOC校正参数烧写到flash芯片中。
偏移量非均匀性校正PC端应用程序获取相机在不同温度点的原始图像信息，并通过两点校正公式解算出相机在该温度段的KB校正参数，FPGA逻辑再将所有的KB参数烧写到flash芯片中。
第五章 OOC参数和两点校正KB参数的上电加载使用
相机上电后FPGA芯片PL端逻辑将Flash芯片中的327680个OOC参数、327680个K参数和327680个B参数加载到FPGA芯片的不同Block RAM中。在LS状态中，FPGA逻辑根据当前的行和列信息周而复始的调用每个像元的OOC参数完成每个像元的增益非均匀性校正， FPGA逻辑也根据当前的行和列信息周而复始的调用KB参数完成每个像元的偏移量非均匀性校正。
总结：本文较详细的介绍了如何使用FPGA实现非制冷红外探测器的驱动时序，如何实现非均匀校正的设计思想。
