ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ МАТРИЧНЫХ ТЕПЛОВИЗОРОВ

Полезная модель относится к регистрирующей в инфракрасном (ИК) диапазоне излучения технике, в частности, к системам визуализации ИК изображений, и может быть использована в тепловизорах, предназначенных для визуального наблюдения тепловых изображений различных объектов посредством бесконтактной оптико-цифровой регистрации собственного и отраженного теплового излучения и отображения теплового портрета в блоке визуализации.
Известна электронная система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров (патент РФ №2066057 на изобретение, МПК: 6 H04N 5/33), выполненная в следующем составе. Оптико-механического блока с источниками первого и второго опорных излучений, оптически связанного с матричным фотоприемником. Узла предварительной обработки сигнала, вход которого электрически связан с матричным фотоприемником. Узла выборки адреса и синхронизации считывания сигналов с элементов матричного фотоприемника, содержащего синхрогенератор тактовых импульсов, электрически связанный с матричным фотоприемником, и адресного счетчика, с входом которого связан синхрогенератор. Узла формирования кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого фоточувствительного элемента матричного фотоприемника, выполненного в составе блока оперативной памяти для хранения кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала, цифроаналогового преобразователя (ЦАП), реверсивного счетчика, сумматора, компаратора и шины с нулевым напряжением. При этом многоразрядный вход блока оперативной памяти для хранения кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала электрически связан с узлом выборки адреса и синхронизации считывания сигналов с элементов матричного фотоприемника, а его многоразрядный выход - с многоразрядным входом реверсивного счетчика и ЦАП. Многоразрядный выход реверсивного счетчика подключен к многоразрядному входу ЦАП и многоразрядному выходу блока оперативной памяти для хранения кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала. Выход ЦАП подключен к одному из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом узла предварительной обработки сигнала. Выход сумматора соединен с одним из входов компаратора, второй вход которого подключен к шине с нулевым напряжением, а выход компаратора связан со вторым входом реверсивного счетчика. В устройстве выполнен также узел формирования кода коррекции чувствительности для каждого элемента матричного фотоприемника в составе блока оперативной памяти для хранения кода коррекции чувствительности, второго ЦАП, второго реверсивного счетчика, усилителя, второго компаратора и источника опорного напряжения. При этом многоразрядный вход блока оперативной памяти для хранения кода коррекции чувствительности электрически связан с узлом выборки адреса и синхронизации считывания сигналов с элементов матричного фотоприемника, а его многоразрядный выход - с многоразрядным входом второго реверсивного счетчика и второго ЦАП. Многоразрядный выход второго реверсивного счетчика подключен к многоразрядному входу второго ЦАП и многоразрядному выходу блока оперативной памяти для хранения кода коррекции чувствительности. Выход второго ЦАП подключен к одному из входов усилителя, второй вход которого соединен с выходом сумматора узла формирования кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала. Выход усилителя соединен с одним из входов второго компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход второго компаратора связан со вторым входом второго реверсивного счетчика. Выход усилителя предназначен для съема обработанных сигналов матричного фотоприемника. Узел предварительной обработки сигнала выполнен с возможностью осуществления усиления, интегрирования, фильтрации, выборки смещения. Усилитель выполнен с функцией регулирования коэффициента передачи.
К недостаткам известной системы относится, во-первых, недостаточно высокая надежность, во-вторых, ограничение возможностей использования системы в отношении ассортимента тепловизоров, недостаточная унификация, в-третьих, высокая удельная трудоемкость при эксплуатации. Причины недостатков заключаются в следующем.
Системе свойственна узость функциональных возможностей и незначительная пропускная способность при обработке сигналов. Вычислительные действия при формировании кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого фоточувствительного элемента матричного фотоприемника и формировании кода коррекции чувствительности для каждого фоточувствительного элемента матричного фотоприемника осуществляются на основе применения аналоговых элементов, что в силу ограничения полосы пропускания ЦАП и АЦП существенно сужает возможные функции. Кроме того, система не позволяет реализовать возможность искусственного восстановления сигналов с дефектных элементов, что является одной из важнейших особенностей обработки сигналов матричного фотоприемника. Системе свойственна значительность массы и габаритов. Более того, каждый узел системы имеет индивидуальные узлы формирования напряжений питания из общего напряжения питания системы, что не только увеличивает ее массу и габариты, но и увеличивает выделение тепла в окружающую среду, обеспечивает дополнительные ограничения на применение системы в конструкции тепловизионного прибора. Эта особенность также приводит к повышению общего энергопотребления системы в целом.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, - электронная система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров (И.И.Кремис, Ю.Ф.Однолько. Унифицированная система обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК - диапазона на основе микросхемы программируемой логики типа FPGA // Прикладная физика, 2007, №4, с.с.133-140), содержащая модуль предварительной обработки сигналов и модуль цифровой обработки сигналов. Модуль предварительной обработки сигналов содержит усилитель, АЦП, схему, обеспечивающую необходимые для работы фотоприемника сигналы, - формирующую сигналы управления коммутатором фотоприемника и обеспечивающую требуемые напряжения питания и смещения фотоприемника. Модуль цифровой обработки сигналов содержит микроконтроллер, ПЛИС, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Обмен данными модуля предварительной обработки сигналов и модуля цифровой обработки сигналов происходит посредством схемы подготовки данных, обеспечивающей передачу цифровых потоков в заданном формате.
К недостаткам приведенного ближайшего аналога относится, во-первых, недостаточно высокая надежность, во-вторых, ограничение возможностей использования системы в отношении ассортимента тепловизоров, недостаточная унификация, в-третьих, высокая удельная трудоемкость при эксплуатации. Причины недостатков заключаются в следующем.
Системе свойственна индивидуализация функциональных узлов, в частности, индивидуализация напряжения питания модулей системы, интерфейсов передачи данных между модулями системы, отсутствие единой системы контроля и управления модулями. Построение системы, выполнено строго исходя из размера фотоприемника, выбранного из ряда перспективных, имеющего формат выходного сигнала с минимальным количеством пикселов на кадр. При применении других фотоприемников с другим количеством фотоэлементов существует необходимость добавления дополнительных плат с необходимыми ресурсами. В связи с этим системе свойственно не только недостаточность унификации, но также сниженная надежность и повышенная удельная трудоемкость при ее эксплуатации.
Техническим результатом полезной модели является:
- повышение надежности;
- расширение возможностей использования системы в отношении ассортимента тепловизоров, повышение унификации;
- снижение удельной трудоемкости при эксплуатации электронной системы.
Технический результат достигают тем, что в электронной системе визуализации инфракрасного излучения для матричных тепловизоров, содержащей модуль предварительной обработки сигналов и модуль цифровой обработки сигналов, дополнительно снабженной модулем источника питания, причем указанные модули выполнены на отдельных платах и сгруппированы в наборы в соответствии с их функциональным назначением, набор модулей обработки сигналов в составе модуля предварительной обработки сигналов и модуля цифровой обработки сигналов, набор модулей электрического питания в составе модуля источника питания, в каждом модуле выполнен микроконтроллер или микропроцессор, посредством которых осуществлена сквозная связь всех модулей через интерфейс TWI, в соответствии с функциональной предназначенностью модулей к ним от модуля источника питания выполнена трассировка напряжений питания со сквозным охватом модулей в наборе, с образованием взаимозависимых цепей питания, в наборе модулей обработки сигналов между модулем предварительной обработки сигналов и модулем цифровой обработки сигналов реализованы цепи сигналов - управления, передачи данных и адреса в виде стандартного потока.
В электронной системе кроме наборов модулей обработки сигналов и электрического питания дополнительно содержит набор модулей управления исполнительными системами тепловизора, в каждом модуле выполнен микроконтроллер, посредством последнего осуществлена сквозная связь модулей через интерфейс TWI, в соответствии с функциональной предназначенностью модулей к ним от модуля источника питания выполнена трассировка напряжений питания со сквозным охватом модулей в наборе, с образованием взаимозависимых цепей питания.
В электронной системе кроме наборов модулей обработки сигналов и электрического питания дополнительно содержит набор модулей управления исполнительными системами тепловизора, выполненный в составе модуля управления оптической системой и модуля управления сканированием, в каждом модуле выполнен микроконтроллер, посредством которых осуществлена сквозная связь модулей через интерфейс TWI, в соответствии с функциональной предназначенностью модулей к ним от модуля источника питания выполнена трассировка напряжений питания со сквозным охватом модулей в наборе, с образованием взаимозависимых цепей питания, в наборе модулей управления исполнительными системами между модулем управления оптической системой и модулем управления сканированием реализованы цепи сигналов - шины управления, передачи данных и адреса.
В электронной системе в наборе модулей обработки сигналов в составе модуля предварительной обработки сигналов и модуля цифровой обработки сигналов и наборе модулей электрического питания в составе модуля источника питания микроконтроллер выполнен в модуле предварительной обработки сигналов и модуле источника питания, микропроцессор выполнен в модуле цифровой обработки сигналов; в наборе модулей обработки сигналов между модулем предварительной обработки сигналов и модулем цифровой обработки сигналов реализованы цепи сигналов - управления, передачи данных и адреса, а именно, канал LVDS, модуль предварительной обработки сигналов снабжен двунаправленными шинами управления, передачи данных и адреса, связывающими его с матричным фотоприемником, модуль цифровой обработки сигналов снабжен шинами для вывода изображения на телевизионный монитор, также модуль цифровой обработки сигналов снабжен интерфейсом управления электронной системой; в соответствии с функциональной предназначенностью модулей в наборе модулей обработки сигналов к ним от модуля источника питания выполнена трассировка напряжений питания со сквозным охватом модулей в наборе, с образованием взаимозависимых цепей питания, а именно, последовательно от модуля источника питания к модулю цифровой обработки сигналов, от модуля цифровой обработки сигналов к модулю предварительной обработки сигналов, от модуля предварительной обработки сигналов к матричному фотоприемнику.
В электронной системе в модуле источника питания выполнены разъемы питания исходя из группирования модулей системы в наборы в соответствии с их функциональным назначением и в количестве, равном количеству наборов модулей.
В электронной системе модуль источника питания снабжен одним или более разъемами питания, в количестве равном количеству наборов модулей, в которые сгруппированы последние в соответствии с их функциональным назначением, исключая из указанного количества наборов модулей набор модулей электрического питания, в составе которого выполнен модуль источника питания, каждый модуль, помимо модуля источника питания, снабжен двумя разъемами питания, разъемы стандартны для всех модулей, один из разъемов конкретного модуля непосредственно подсоединен к модулю источника питания, второй разъем выполнен для трассировки питания от модуля источника питания к другим модулям данного функционального набора, также все имеющиеся в системе разъемы питания снабжены двумя контактами интерфейса TWI.
В электронной системе в каждом модуле из наборов, в которые сгруппированы модули в соответствии с их функциональным назначением, не принимая во внимание набор модулей электрического питания, в составе которого выполнен модуль источника питания, сформированы источники напряжения мощностью до 0,6 Вт с суммарным рассеяние мощности до 0,1 Вт в виде тепла от элементов, формирующих источник напряжения.
В электронной системе подвод напряжения питания от модуля источника питания для каждого модуля, связанного с прочими модулями системы не только посредством интерфейса TWI, но и цепями сигналов - управления, передачи данных и адреса, реализован через модуль, наиболее оптимально расположенный в системе относительно источника питания, - ближайший к модулю источника питания, с учетом электромагнитной совместимости модулей друг относительно друга.
В электронной системе модуль цифровой обработки сигналов для подключения дополнительных модулей снабжен разъемами расширения в составе одного или нескольких однорядных разъемов, расположенных по периметру платы модуля и вплотную к краю платы, с количеством контактов разъема, соответствующим количеству сигнальных линий, обеспечивающих работоспособность подключаемых плат расширения - дополнительных модулей.
В электронной системе модуль предварительной обработки сигналов выполнен в составе микроконтроллера, аналогово-цифрового преобразователя, источника опорного напряжения, программируемой логической интегральной схемы, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства, микросхемы LVDS, при этом микроконтроллер связан с источником опорного питания посредством шин и связан с программируемой логической интегральной схемой посредством двунаправленных шин, аналогово-цифровой преобразователь, связанный с матричным фотоприемником двунаправленными шинами, посредством двунаправленных шин связан с программируемой логической интегральной схемой, последняя связана двунаправленными цепями управления с мультиплексором матричного фотопремника, а также связана двунаправленными шинами с синхронным динамическим оперативным запоминающим устройством и связана двунаправленными шинами с микросхемой LVDS, подготавливающей данные обмена по цепям сигналов-управления, передачи данных и адреса, а именно, по каналу LVDS, источник опорного напряжения связан цепями питания с матричным фотоприемником.
В электронной системе модуль цифровой обработки сигналов выполнен в составе микропроцессора, программируемой логической интегральной схемы, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения дефектных элементов, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения коэффициентов коррекции темнового фона, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения промежуточных данных, телевизионной памяти из первого синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения данных изображения и второго синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения данных изображения, флэш-памяти, электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, цифро-аналогового преобразователя, при этом на базе программируемой логической интегральной схемы реализован узел исходной обработки, осуществляющий собственные функции обработки изображения, и узел окончательной цифровой обработки, осуществляющий замещение дефектных элементов, на базе микропроцессора реализован узел промежуточной цифровой обработки, накапливающий полноформатные массивы изображения и осуществляющий над ними функции обработки, узел исходной цифровой обработки реализован в составе арифметико-логического устройства, являющегося компонентом программируемой логической интегральной схемы, выполненного с возможностью поступления на него по цепи сигналов - управления, передачи данных и адреса, а именно, каналу LVDS, цифровых данных для обработки и связанного двунаправленными шинами с контроллером памяти, также являющимся компонентом программируемой логической интегральной схемы, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения дефектных элементов, связанного индивидуальными двунаправленными шинами с указанным контроллером памяти, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов, связанного индивидуальными двунаправленными шинами с указанным контроллером памяти, синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения коэффициентов коррекции темнового фона, связанного индивидуальными двунаправленными шинами с указанным контроллером памяти, телевизионная память в составе первого синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения данных изображения и второго синхронного динамического оперативного запоминающего устройства хранения данных изображения подключена к указанному контроллеру памяти посредством индивидуальных двунаправленных шин первого и второго синхронных динамических оперативных запоминающих устройств хранения данных изображения, выполненных с возможностью переключения их с частотой смены кадров телевизионного монитора, узел промежуточной цифровой обработки выполнен в составе непосредственно микропроцессора, связанного с указанным контроллером памяти и синхронным динамическим оперативным запоминающим устройством хранения промежуточных данных посредством общих шин адреса и данных, при этом для достижения возможности обращения программируемой логической интегральной схемы к синхронному динамическому оперативному запоминающему устройству хранения промежуточных данных и возможности обращения к нему микропроцессора и программируемой логической интегральной схемы для записи и считывания данных выводы микропроцессора реализованы с возможностью переключения их в третье состояние, также в узле промежуточной цифровой обработки выполнены флэш-память, связанная двунаправленными шинами с микропроцессором, и электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, связанное двунаправленными шинами с микропроцессором, узел окончательной цифровой обработки выполнен в составе последовательно связанных с указанным контроллером памяти посредством шин узла замещения дефектных элементов, телевизионного генератора, узла регулировки яркости и контраста, узла формирования служебных символов, узла цифровой фильтрации, являющихся компонентами программируемой логической интегральной схемы, причем каждый из приведенных компонентов связан с указанным контроллером памяти двунаправленными шинами, наконец, с узлом цифровой фильтрации связан шинами цифро-аналоговый преобразователь, подающий сигналы изображения для вывода на телевизионный монитор.
В электронной системе модуль источника питания выполнен в составе микроконтроллера, связанного двунаправленными шинами с преобразователем источника питания, преобразующего подаваемое по цепям питания входное напряжение в выходные напряжения, подаваемые по цепям питания от модуля источника питания к прочим модулям.
В электронной системе модуль управления оптической системой выполнен в составе микроконтроллера, программируемой логической интегральной схемы, схемы управления электроприводом, флэш-памяти, электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, микроконтроллер связан двунаправленными шинами с программируемой логической интегральной схемой, которая, в свою очередь, связана со схемой управления электроприводом, микроконтроллер связан двунаправленными шинами с флэш-памятью и связан другими двунаправленными шинами с электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством, схема управления электроприводом снабжена двунаправленными шинами подачи сигналов к модулю управления сканированием.
В электронной системе модуль управления сканированием выполнен в составе микроконтроллера, программируемой логической интегральной схемы, схемы управления приводом смещения поля обзора, флэш-памяти, электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, микроконтроллер связан двунаправленными шинами с программируемой логической интегральной схемой, которая, в свою очередь, связана со схемой управления приводом смещения поля обзора, микроконтроллер связан двунаправленными шинами с флэш-памятью и связан другими двунаправленными шинами с электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством, схема управления приводом смещения поля обзора снабжена двунаправленными шинами подачи сигналов к модулю управления оптической системой.
Сущность полезной модели поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг.1 приведена блок-схема электронной системы визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров, где 1 - модуль предварительной обработки сигналов; 2 - модуль цифровой обработки сигналов; 3 - модуль источника питания; 4 -микроконтроллер; 5 - микропроцессор; 6 - микроконтроллер; 7 - модуль управления оптической системой; 8 - микроконтроллер; 9 - модуль управления сканированием; 10 - микроконтроллер; 11 - матричный фотоприемник; 12 - телевизионный монитор; 13 - цепи питания; 14 - шины; 15 - канал LVDS (low-voltage differential signaling - низковольтная дифференциальная передача сигналов); 16 - интерфейс TWI (Two-Wire Interface, двухпроводной интерфейс); 17 - цепи питания; 18 - интерфейс TWI; 19 - цепи питания; 20 - интерфейс TWI; 21 - цепи питания; 22 - интерфейс TWI; 23 - цепи питания; 24 - шины; 25 - цепи питания.
На Фиг.2 показана блок-схема модуля предварительной обработки сигналов, где 1 - модуль предварительной обработки сигналов; 6 - микроконтроллер; 13 - цепи питания; 14 - шины; 15 - канал LVDS; 16 - интерфейс TWI; 17 - цепи питания; 26 - АЦП; 27 -источник опорного напряжения; 28 - ПЛИС; 29 - SDRAM (синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство); 30 - микросхема LVDS; 31, 32, 33, 34, 35 - шины.
На Фиг.3 показана блок-схема модуля цифровой обработки сигналов, где 2 - модуль цифровой обработки сигналов; 5 - микропроцессор; 15 - канал LVDS; 16 - интерфейс TWI; 18 - интерфейс TWI; 19 - цепи питания; 36 - ПЛИС; 37 - SDRAM (синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения дефектных элементов); 38 - SDRAM (синхронное динамическое оперативно запоминающее устройство хранения коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов); 39 - SDRAM (синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения коэффициентов коррекции темнового фона); 40 - SDRAM (синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения промежуточных, микропроцессор - ПЛИС, данных); 41 - SDRAM (первое синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения данных изображения); 42 - SDRAM (второе синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения данных изображения); 43 - флэш-память, 44 - EEPROM (электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство), 45 - узел замещения дефектных элементов; 46 - телевизионный генератор; 47 - узел регулировки яркости и контраста; 48 - узел формирования символов; 49 - узел цифровой фильтрации; 50 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 51 - АЛУ (арифметико-логическое устройство); 52 - контроллер памяти; 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72 - шины.
На Фиг.4 показана блок-схема модуля источника питания, где 3 - модуль источника питания; 4 - микроконтроллер; 18 - интерфейс TWI; 19 - цепи питания; 20 - интерфейс TWI; 21 - цепи питания; 25 - цепи питания; 73 - преобразователь источника питания; 74 - шины.
На Фиг.5 показана блок-схема модуля управления оптической системой, где 7 - модуль управления оптической системой; 8 - микроконтроллер; 20 - интерфейс TWI; 21 - цепи питания; 22 - интерфейс TWI; 23 - цепи питания; 24 - шины; 75 - ПЛИС; 76 схема управления электроприводом; 77 - флэш-память; 78 - EEPROM (электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство); 79, 80, 81, 82 - шины.
На Фиг.6 показана блок-схема модуля управления сканированием, где 9 - модуль управления сканированием; 10 - микроконтроллер; 22 - интерфейс TWI; 23 - цепи питания; 24 - шины; 83 - ПЛИС; 84 схема управления приводом смещения поля обзора; 85 - флэш-память; 86 - EEPROM (электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство); 87, 88, 89, 90 - шины.
Достижение технического результата в предлагаемой полезной модели осуществляется следующим образом.
Электронная система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров реализована на основе функциональных модулей, выполненных отдельными платами, содержащих микроконтроллер или микропроцессор, благодаря которым модули связаны в системе посредством интерфейса TWI (Two-Wire Interface, двухпроводной интерфейс), осуществляющими управление и тестирование модулей. При этом цепи питания модулей организованы в соответствии с их функциональной предназначенностью, и модули сгруппированы по функциональной предназначенности в наборы, в каждом наборе между модулями реализованы цепи сигналов - цепи передачи данных, управления и адреса. Цепи передачи данных могут быть реализованы в виде любого оптимального для системы интерфейса, например, LVDS, или RS 422 (двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для обмена байтовой информацией), или любого другого, как последовательного, так и параллельного.
Модули сгруппированы в следующие отдельные функциональные наборы: набор модулей обработки сигналов; набор модулей электрического питания; набор модулей управления исполнительными системами тепловизора (см. Фиг.1). Все модули в указанных наборах физически разделены и выполнены в виде отдельных плат. Каждый модуль является функционально законченным устройством, для наладки функционирования которого не требуется сборка всей системы в целом.
Причем конкретный функциональный модуль может быть выполнен в составе основной, или основной и дополнительной, или основной и нескольких дополнительных плат. Все напряжения питания и управления поступают на основную плату, и на основной плате располагается микроконтроллер (микропроцессор), управляющий данным модулем и связанный с другими модулями по интерфейсу TWI. Связь всех модулей приведенных наборов реализована посредством интерфейса TWI через микроконтроллеры (микропроцессоры) основных плат сквозным образом. Трассировка напряжений питания от основной платы набора модулей электрического питания выполнена со сквозным охватом всех модулей в отношении каждого набора - модулей обработки сигналов и модулей управления исполнительными системами тепловизора, с образованием взаимозависимых цепей питания. В каждом наборе модули, поскольку они выполняют в совокупности отведенные им функции, связаны взаимозависимыми цепями сигналов.
В зависимости от требований, предъявляемых к конкретному тепловизору, в системе визуализации инфракрасного изображения выполняют все три вышеуказанных набора модулей (как показано на Фиг.1) или выполняют набор модулей обработки сигналов и набор модулей электрического питания. Последние два набора служат базовой совокупностью наборов модулей, необходимой и достаточной для обеспечения визуализации инфракрасного изображения тепловизора. Наличие набора модулей управления исполнительными системами тепловизора не является необходимым для обеспечения визуализации изображения, этот набор модулей может присутствовать в системе и может быть реализован в той или иной комплектации, соответствующей выполняемой задаче, на решение которой направлено использование тепловизора. Дополнительные модули служат для осуществления дополнительных функций в приборе, не являющихся необходимыми и обязательными для работы прибора, однако улучшающими технические характеристики прибора в целом и позволяющими расширить возможности прибора.
Таким образом, в базовом варианте электронная система визуализации ИК изображения для матричного тепловизора выполнена в составе набора модулей обработки сигналов, а именно, модуля предварительной обработки сигналов и модуля цифровой обработки сигналов, и набора модулей электрического питания, содержащего модуль источника питания, в каждом указанном модуле выполнен микроконтроллер или микропроцессор, указанные модули связаны через микроконтроллеры и микропропроцессор, имеющиеся в каждом из модулей, посредством интерфейса TWI, между модулем предварительной обработки сигналов и модулем цифровой обработки сигналов реализован канал LVDS - цепи сигналов, последовательно от модуля источника питания к модулю цифровой обработки сигнала и от последнего к модулю предварительной обработки сигналов и далее к матричному тепловизору организованы цепи питания. С модуля цифровой обработки сигналов по цепям сигналов визуализированное изображение выводится на телевизионный монитор.
Модульное построение системы визуализации позволяет производить добавление любых функциональных модулей в целях соответствия требованиям, предъявляемым к конкретному тепловизору.
В составе каждого модуля, независимо от его принадлежности к конкретному набору модулей, имеется микроконтроллер или микропроцессор, в зависимости от конкретных выполняемых функций модуля, его предназначенности. На основе микроконтроллера или микропроцессора реализуют интерфейс TWI. Указанный интерфейс используется для тестирования модулей и управления модулями центральным процессором - микропроцессором. Центральный процессор выполнен в модуле цифровой обработки сигналов.
Модуль цифровой обработки сигналов снабжен интерфейсами управления системой (см. Фиг.1), например, интерфейсом USB 2.0 (USB - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике), RS 232 (двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для обмена байтовой информацией) или другими подобными, посредством которых осуществляется управление и передача данных оператору от указанного модуля.
Разъемы питания модуля источника питания выполняют исходя из разбиения электронной системы на функциональные наборы. Здесь может быть выполнено один или более разъемов питания в соответствии с имеющимися функциональными направлениями.
В общем случае выполнения электронной системы визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров она содержит (Фиг.1): модуль предварительной обработки сигналов (1), модуль цифровой обработки сигналов (2), модуль источника питания (3), микроконтроллер (4) в модуле источника питания, микропроцессор (5) в модуле цифровой обработки сигналов, микроконтроллер (6) в модуле предварительной обработки сигналов. Дополнительно электронная система визуализации может быть снабжена модулем управления оптической системой (7), в составе которого выполнен микроконтроллер (8), и модулем управления сканированием (9), в составе которого выполнен микроконтроллер (10). Указанные модули выполнены в виде отдельных плат.
С набором модулей обработки сигналов связаны матричный фотоприемник (11), регистрирующий ИК излучение от объекта наблюдения, - с платой модуля предварительной обработки сигналов (1) посредством цепей питания (13) и шин (14) и телевизионный монитор (12), на который выводится после цифровой обработки визуализируемое ИК изображение, - с платой модуля цифровой обработки сигналов посредством шин. Между модулем предварительной обработки сигналов (1) и модулем цифровой обработки сигналов (2) выполнен канал LVDS (15), обеспечивающий обмен данными между модулем предварительной обработки сигналов (1) и модулем цифровой обработки сигналов (2) Для сокращения количества и ширины цифровых шин формируют стандартный цифровой поток, принятый для обмена данными в рамках рассматриваемого модуля системы, что позитивно отражается на масса-габаритных показателях и показателях надежности системы в целом. Данные обмена между модулями обработки сигналов приведены к единому стандарту, который принят для конкретной системы.
Каждый из модулей (1), (2), (3), (7), (9) снабжен, в зависимости от выполняемой им функции, микроконтроллером или микропроцессором, что позволяет между модулями реализовать интерфейс TWI с помощью встроенных аппаратных функций (при их наличии в микросхеме) или программно (при их отсутствии). Соответственно, наличие микроконтроллера (4), (6), (8), (10) и микропроцессора (5) предназначено обеспечить управление модулями (1), (3), (7), (9) и (2), соответственно, посредством интерфейса TWI-участков интерфейса TWI (18), (16), (20), (22). Микроконтроллеры (4), (6), (8), (10) и микропроцессор (5) посредством участков интерфейса TWI (18), (16), (20), (22) связаны друг с другом сквозным образом; микроконтроллер (6) связан посредством участка интерфейса TWI (16) с микропроцессором (5), микропроцессор (5) - посредством участка интерфейса TWI (18) с микроконтроллером (4), микроконтроллер (4) - посредством участка интерфейса TWI (20) с микроконтроллером (8), последний связан посредством участка интерфейса TWI (22) с микроконтроллером (10), причем порядок в последовательной сквозной связи микроконтроллеров и микропроцессора может отличаться от приведенного. Указанный интерфейс TWI предназначен для тестирования и управления модулями системы центральным процессором - микропроцессором (5). Интерфейс TWI позволяет центральному процессору системы связать до 128 различных устройств через одну двухпроводную двунаправленную шину, в которой имеются одна линия - линия синхронизации (SCL) и вторая линия - линия данных (SDA). При этом в качестве внешних аппаратных компонентов, требуемых для реализации шины, необходимы подтягивающие к «плюсу питания» резисторы на каждой линии шины. Каждое из устройств, подключенных к шине, имеет индивидуальный адрес, процедура определения содержимого шины поддерживается протоколом TWI. Наличие интерфейса TWI обеспечивает минимизацию числа проводников между модулями, что существенно влияет в позитивном плане на масса-габаритные показатели модулей, повышение надежности, снижение удельных затрат при эксплуатации системы, достижение унификации, поскольку для обслуживания интерфейса кроме стандартных микросхем приемопередатчиков не требуется дополнительных элементов. Каждый модуль имеет два контакта интерфейса TWI на разъеме питания.
Модуль источника питания (3) вырабатывает из напряжения питания системы, подаваемого к модулю (3) по цепи питания (25), базовые напряжения питания для всех модулей, подача которых осуществляется по цепям питания (19), (17) - цепи питания модулей (3) и (2), соответственно, и по цепям питания (21), (23) - цепи питания модулей (7) и (9), соответственно. Модуль источника питания (3) связан цепями питания (19) с модулем цифровой обработки сигналов (2), последний связан цепями питания (17) с модулем предварительной обработки сигнала (1). С другой стороны, модуль источника питания (3) связан цепями питания (21) с модулем управления оптической системой (7), который в свою очередь связан цепями питания (23) с модулем управления сканированием. Порядок выполнения связи модулей цепями питания может быть и иным: от модуля источника питания (3) к модулю предварительной обработки сигналов (1), от последнего - к модулю цифровой обработки сигналов (3); от модуля источника питания (3) к модулю управления сканированием (9), от которого - к модулю управления оптической системой (7). Для каждого модуля выбирается одно внутреннее базовое напряжение питания - наиболее оптимальное для дальнейшего преобразования, которое используется для формирования напряжений, необходимых для функционирования модуля. Дополнительно, к выработке напряжений питания каждого модуля, модуль источника питания (3) также транслирует и линии интерфейса TWI для соединения всех модулей на одной двухпроводной шине.
Дополнительные модуль управления оптической системой (7) и модуль управления сканированием (9) связаны шинами (24). Шины (24) и шины (14) (см. Фиг.1) служат шинами передачи данных, управления и адреса.
Разъемы питания в отношении каждого модуля выполнены так, что любой модуль снабжен двумя разъемами питания, стандартными для всех модулей. Один из разъемов используют для подсоединения модуля к модулю источника питания (3), разъем соединяет земляные шины и шины напряжения питания, вырабатываемого модулем источника питания (3), которые необходимы для питания модулей определенного функционального набора. Второй разъем используют для трассировки питания от модуля источника питания (3) к другим модулям данного функционального набора модулей, на него подаются все напряжения, которые подаются на первый разъем. Оба разъема имеют два контакта интерфейса TWI.
В каждом модуле из набора модулей обработки сигналов, а также из набора модулей управления исполнительными системами (в случае наличия его в электронной системе визуализации), формируются источники напряжения (на Фиг.1-6 не показаны) мощностью до 0,6 Вт с суммарным рассеянием мощности до 0,1 Вт в виде тепла от элементов, образующих источник напряжения. Целесообразность формирования таких индивидуальных в отношении каждого модуля источников питания обусловлена следующим. Для функционирования модуля (одного, нескольких или всех) требуется обеспечить его питание, при этом может возникнуть необходимость в разных питающих напряжениях, например: 1,5 В; 2,5 В; 3,3 В; 5 В. В случае подачи питающих напряжений посредством шлейфа, соединяющего модуль источника питания и конкретный модуль, указанный шлейф будет содержать большое количество проводников, что приводит к громоздкости, неудобству укладки шлейфа в приборе, увеличению габаритов, поскольку требуется большой объем корпуса, в котором располагают систему, такой шлейф плохо сгибаем и трудно укладываем. Как следствие, это приводит к ухудшению надежности, в результате большей вероятности обрыва провода.
В случае какого-либо из модулей, связанного с прочими модулями только посредством интерфейса TWI (для тестирования и передачи данных для управления модулем), при отсутствии дополнительной шины передачи данных, управления и адреса (на фигурах этот случай не показан), подвод напряжения питания для указанного модуля осуществляют непосредственно от модуля источника питания с целью исключения замкнутых контуров «земли», что предотвращает, таким образом, негативное влияние модулей друг на друга посредством земляной шины.
Так, при последовательном соединении нагрузок, получающих напряжение питания от одного источника питания (от источника питания получает напряжение питания первая нагрузка, к точке подключения напряжения питания к первой нагрузке подключается шина напряжения питания второй нагрузки и так далее), происходит воздействие модуляции ВЧ (высоких частот) возвратными токами последующих нагрузок на предыдущие. То есть, поскольку общая цепь «земли», по которой протекает ток питания нагрузок, характеризуется некоторым сопротивлением, то при токе потребления, даже минимальном, и при минимальном сопротивлении «земляных» шин, все равно возникает некоторое падение напряжения на указанном сопротивлении шины. В результате наличия указанного падения напряжения в отношении каждой нагрузки возникают влияющие на нее в той или иной степени помехи от остальных нагрузок. С целью максимального снижения негативного влияния нагрузок друг на друга применяется схема включения «звезда». При этом все нагрузки подключаются максимально близко к источнику напряжения питания из одной точки. Здесь будет отсутствовать участок (участки) «земляной» шины с проходящими токами, обеспечивающими падения напряжения от остальных нагрузок.
В нашем случае под нагрузками понимаются функциональные наборы модулей - набор модулей обработки и набор модулей управления исполнительными системами.
Кроме того, схема «звезда» исключает образование «земляных» контуров. Иначе возвратные токи могут иметь несколько путей протекания (например, к источнику питания подключена первая нагрузка, к первой нагрузке подключена вторая нагрузка, ко второй нагрузке - третья и к третьей - четвертая, которая соединена с источником, в результате на первую нагрузку влияют как нагрузки вторая, третья, четвертая, а на последнюю влияют нагрузки первая, вторая, третья и так далее); соответственно помехи от нагрузок могут существенно увеличиться.
В случае модуля, связанного с прочими модулями не только посредством интерфейса TWI (для тестирования и передачи данных), а и дополнительной шиной передачи данных, управления и адреса (как показано на Фиг.1), подвод напряжения питания для него может осуществляться через модуль, наиболее оптимально расположенный в системе относительно модуля источника питания. Здесь «оптимально расположенный» подразумевает модуль ближайший к модулю источника питания, с учетом электромагнитной совместимости модулей друг относительно друга. Так, например, модуль предварительной обработки сигналов (1), в составе которого присутствует высокочувствительная аналоговая схема, не рекомендуется располагать вблизи модуля источника питания (3) а, с другой стороны, модуль цифровой обработки сигналов, как менее чувствительный к помехам от модуля источника питания, может быть выбран в качестве ближайшего к модулю источника питания (3) (см. Фиг.1). Отметим, что если в модуле источника питания (3) системы используются импульсные преобразования (как в рассматриваемом здесь случае), то возникают значительные электромагнитные помехи.
Для подключения дополнительных модулей, например, модулей (7) и (9), модуль цифровой обработки сигналов (2) снабжен разъемами расширения. При этом используют один или несколько однорядных разъемов, расположенных по периметру платы модуля (2) и вплотную к краю платы. Для переходного разъема используют разъем типа PBS1.27 с шагом выводов разъема 1,27 мм. Количество контактов разъема соответствует количеству сигнальных линий, обеспечивающих работоспособность плат расширения (дополнительных модулей), подключаемых к модулю цифровой обработки сигналов (2).
Набор модулей обработки сигналов (см. Фиг.1) реализован в составе модуля предварительной обработки сигналов (1) (см. Фиг.2) и модуля цифровой обработки сигналов (2) (см. Фиг.3).
В частном случае выполнения системы модуль предварительной обработки сигналов (1) (см. Фиг.2) содержит микроконтроллер (6), АЦП (26), источник опорного напряжения (27), ПЛИС (28), SDRAM (29), микросхему LVDS (30). Рассматриваемый здесь модуль реализован в следующей комплектации. В качестве микроконтроллера (6) используют ATmegal28, в качестве АЦП (26) - ADS850, в качестве ПЛИС (28) - EP3C120F78017, в качестве SDRAM (29) - MT48LC16M16A2BG-75 IT, в качестве микросхемы LVDS (30) - до нескольких DS92LV18. Модуль предварительной обработки сигналов (1) может содержать взамен SDRAM (29) микросхему SRAM (статическая оперативная память) -K.6R4016C1D. Источник опорного напряжения (27) выполнен на базе микросхемы ADP3335ARM-5, REF193AR, AD8602AR.
Микроконтроллер (6) связан с источником опорного питания (27) посредством шин (31) и связан с ПЛИС (28) посредством двунаправленных шин (35). АЦП (26) связан с матричным фотоприемником (11) посредством двунаправленных шин (14), а также посредством двунаправленных шин (32) связан с ПЛИС (28). ПЛИС (28) связана с мультиплексором матричного фотоприемника (11) двунаправленными цепями управления мультиплексором фотоприемника (позиция на Фиг.2 не показана), а также связана посредством двунаправленных шин (33) со SDRAM (29) и посредством двунаправленных шин (34) с микросхемой LVDS (30). Цепи управления мультиплексором фотоприемника (позиция на Фиг.2 не показана) необходимы для подачи цифровых сигналов на фоточувствительную матрицу (такими цифровыми сигналами может быть тактовая частота, импульсы управления строками и кадрами, в обратную сторону, к ПЛИС (28), может поступать сигнал разрешение считывания данных). Источник опорного питания (27) связан цепями питания (13) с матричным фотоприемником (11). Под шинами здесь следует рассматривать шины управления, передачи данных и адреса.
Источник опорного напряжения (27) формирует напряжения питания и смещения фоточувствительных элементов матричного фотоприемника (11) (см. Фиг.1) необходимые для его работы. Величины напряжений смещения регулируются посредством шин (31) микроконтроллером (6) (см. Фиг.2). Также микроконтроллер (6) посредством команд по шинам (31) может управлять включением и отключением матричного фотоприемника (11), что важно при включении тепловизионного прибора, поскольку фотоприемники отдельных производителей не позволяют осуществлять подачу к ним питания, если температура кристалла фотоприемника не достигла заданной температуры охлаждения. То есть, сначала осуществляют включение всей системы прибора - всех электронных модулей прибора, и только при достижении требуемого уровня охлаждения кристалла фотоприемника происходит включение последнего.
Модуль (1) кроме микроконтроллера (6) содержит элементы необходимые для преобразования аналогового сигнала в цифровой, содержит схему, обеспечивающую все необходимые для функционирования фотоприемника сигналы, схему формирования сигналов управления коммутатором фотоприемника, модуль (1) также обеспечивает требуемые напряжения питания и смещения фотоприемника. Для обмена данными с модулем цифровой обработки сигналов (2) имеется схема подготовки данных, обеспечивающая передачу цифровых потоков в заданном формате.
Для обеспечения обмена данными между модулем предварительной обработки сигналов (1) и модулем цифровой обработки сигналов (2) используют микросхемы приемопередатчиков LVDS (микросхема LVDS (30)). Указанная микросхема преобразует 18-ти разрядный параллельный двоичный код в 18-ти разрядный последовательный код канала LVDS (15). Передача в одну сторону, от передатчика к приемнику, осуществляется по двум линиям, что повышает надежность системы. Каждая микросхема DS92LV18 в составе микросхемы LVDS (30) содержит в себе один приемник и один передатчик, что обеспечивает двунаправленный обмен данными по четырем линиям. Микросхема DS92LV18 обладает полосой пропускания 2,376 Гбит/сек., что соответствует передаче в одну секунду 298 полноформатных кадров размером 576×768 элементов.
Для передатчика LVDS данные подготавливаются строго определенным образом независимо от формата кадра и способа формирования данных на выходе матричного фотоприемника (11). Цифровой стандарт имеет следующие назначения бит: 0-13 бит - данные, 17 - кадровый синхроимпульс, 14-16 - служебные сигналы. Стандартом регламентируется следующий порядок передачи данных. Данные передаются пачками-кадрами. Кадр соответствует массиву данных, выдаваемому с фотоприемника в модуль предварительной обработки сигналов (1). Размер кадра N×М соответствует формату фотоприемника и содержит считанную со всех фоточувствительных элементов фотоприемника информацию. N-количество строк в кадре, М-количество пикселей в строке. Начало передачи данных кадра обозначается кадровым синхроимпульсом, биты 14 и 15 обозначают формат кадра. Все данные кадра N×М передаются построчно, последовательно: строка - 1, элементы 1, 2, 3 … М, строка - 2, элементы 1, 2, 3 … М и так далее, строка - N, элементы 1, 2, 3, … М. Стандарт предполагает одинаковое исполнение передачи данных в обе стороны.
Основное назначение модуля предварительной обработки сигналов (1) - обработка и формирование сигналов цифровой формы, подготовленных для дальнейшей цифровой обработки и получения изображения на телевизионном мониторе. Модуль предварительной обработки сигналов (1) должен обеспечить формирование питающих напряжений матричного фотоприемника (11) с возможностью их регулирования с целью достижения оптимального режима работы мультиплексора фоточувствительной матрицы; обеспечить реализацию четырехканального режима работы мультиплексора; обеспечить усиление и согласование сигнала для работы с АЦП (26); обеспечить согласование уровней цифровых сигналов матричного фотоприемника (11) и микросхемы LVDS (30). Источник опорного напряжения (27) обеспечивает напряжение питания фоточувствительной матрицы фотоприемника по цепям питания (13). АЦП (26) выполняет преобразование аналогового сигнала, поступающего по шинам (14) с матричного фотоприемника (11) в 14-ти битный код, далее код поступает посредством шин (32) на ПЛИС (28). ПЛИС (28) формирует сигналы управления для работы матричного фотоприемника (11) с возможностью его работы в 1-канальном, 2-канальном и 4-канальном режимах. SDRAM (29) предназначена для накопления массивов данных, передаваемых с ПЛИС (28) посредством шин (33), с целью проведения над ними предварительной обработки (например, при использовании микросканера, когда кадр 384×288 увеличивается до размера 768×576). С ПЛИС (28) 18-битный код используемого цифрового стандарта, в соответствии с которым подготавливаются данные для передатчика LVDS, поступает посредством шин (34) на микросхему LVDS (30), которая предназначена для формирования двунаправленного последовательного потока данных заданной структуры, обеспечивает передачу/прием данных в линию и синхронную работу с модулем цифровой обработки сигналов (2).
В частном случае выполнения системы модуль цифровой обработки сигналов (2) (см. Фиг.3) содержит микропроцессор (5), ПЛИС (36), SDRAM (37)-(42), флэш-память (43), EEPROM (44), узел замещения дефектных элементов (45), телевизионный генератор (46), узел регулировки яркости и контраста (47), узел формирования символов (48), узел цифровой фильтрации (49), ЦАП (50), АЛУ (51), контроллер памяти (52). Рассматриваемый здесь модуль (3) реализован в следующей комплектации. В качестве микропроцессора (5), являющегося центральным процессором, используют процессор ADSP-BF533SBBC500, в качестве ПЛИС (36) - микросхему EP3C120F78017, в качестве SDRAM (37)-(42) - микросхемы MT48LC16M16A2BG-75 IT, в качестве флэш-памяти (43) - микросхему M25P64VME6G, в качестве EEPROM (44) - микросхему AT25256AN-10SI-2.7, в качестве узла замещения дефектных элементов (45), телевизионного генератора (46), узла регулировки яркости и контраста (47), узла формирования служебных символов (48), узла цифровой фильтрации (49), а также контроллера памяти (52) используют элементы ПЛИС (36), в качестве ЦАП (50) - AD9762ARU. Здесь имеются все ресурсы, необходимые для цифровой обработки выходного сигнала фотоприемника. Необходимые ресурсы выбраны с учетом ориентации на перспективные фотоприемники, имеющие формат выходного сигнала с максимальным количеством пикселов на кадр. Такой модуль обработки цифрового сигнала будет максимально отвечать достижению возможности унификации системы. За счет оптимального подбора элементной базы и их расположения на плате достигается максимум унификации при минимальных габаритах модуля и минимальном энергопотреблении.
Микропроцессор (5) связан посредством шин (56)с ПЛИС (36) через контроллер памяти (52), а также связан со SDRAM (40), синхронным динамическим оперативным запоминающим устройством хранения промежуточных, микропроцессор (5) - ПЛИС (36), данных. SDRAM (40) имеет общие шины адреса и данных относительно микроконтроллера (5) и ПЛИС (36), что обеспечивает возможность обращения к промежуточной памяти SDRAM (40) микропроцессора (5) и ПЛИС (36) для записи и считывания данных. Также микропроцессор (5) связан с флэш-памятью (43) и EEPROM (44) - электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, соответственно, посредством двунаправленных шин (59) и (60). С ПЛИС (36) через контроллер памяти (52) связаны SDRAM (37), синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения дефектных элементов, посредством двунаправленных шин (53), SDRAM (38), синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов, посредством двунаправленных шин (54), SDRAM (39), синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения коэффициентов коррекции темнового фона, посредством двунаправленных шин (55), SDRAM (41), первое синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения данных изображения, посредством двунаправленных шин (57), SDRAM (42), второе синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство хранения данных изображения, посредством двунаправленных шин (58). С контроллером памяти (52) соединены двунаправленными шинами (61) узел замещения дефектных элементов (45), двунаправленными шинами (62) - телевизионный генератор (46), двунаправленными шинами (63) - узел регулировки яркости и контраста (47), двунаправленными шинами (64) - узел формирования символов (48), двунаправленными шинами (65) - узел цифровой фильтрации (49), двунаправленными шинами (66) - АЛУ (51). Кроме того, узел замещения дефектных элементов (45) посредством шин (67) соединен с контроллером памяти (52), а также посредством шин (68) соединен с телевизионным генератором (46). Телевизионный генератор (46) посредством шин (69) соединен с узлом регулировки яркости и контраста (47), в свою очередь, последний соединен шинами (70) с узлом формирования символов (48). Наконец, узел формирования символов (48) посредством шин (71) соединен с узлом цифровой фильтрации (49), который связан шинами (72) с ЦАП (50). ЦАП (50) соединен шинами (позиция на Фиг.3 и Фиг.1 не указана) с телевизионным монитором (12). Канал LVDS (15) связывает АЛУ (51) в составе ПЛИС (36) модуля цифровой обработки сигналов (2) с модулем предварительной обработки сигналов (1). Под шинами здесь следует рассматривать шины управления, передачи данных и адреса.
В модуле цифровой обработки сигналов (2) кроме промежуточной памяти - SDRAM (40) имеется телевизионная память в составе SDRAM (41) и SDRAM (42), а также синхронные динамические оперативные запоминающие устройства - SDRAM (37), (38) и (39) в количестве, равном количеству переменных, используемых в алгоритмах обработки.
На базе ПЛИС (36) реализован узел исходной цифровой обработки, осуществляющий собственные функции обработки изображения, и узел окончательной цифровой обработки, осуществляющий замещение дефектных элементов. На базе микропроцессора (5) реализован узел промежуточной цифровой обработки, накапливающий полноформатные массивы изображения и осуществляющий над ними функции обработки.
Узел промежуточной цифровой обработки связан с узлом исходной цифровой обработки посредством промежуточной памяти SDRAM (40), предназначенной для хранения промежуточных данных.
Модуль предварительной обработки сигналов (1) связан с узлом исходной цифровой обработки. Узел исходной цифровой обработки снабжен оперативно запоминающими устройствами, подключенными к программируемой логической интегральной схеме, с индивидуальными шинами адреса и данных в указанном количестве. Микроконтроллер (5) выполнен с возможностью обращения к любому оперативно запоминающему устройству, подключенному к ПЛИС (36). Узел исходной цифровой обработки связан с узлом окончательной цифровой обработки посредством телевизионной памяти, подключенной к ПЛИС (36). Узел окончательной цифровой обработки связан с ЦАП (50).
Узел исходной цифровой обработки, осуществляющий собственные функции обработки изображения, реализованный на базе ПЛИС (36), в частности, выполнен в составе АЛУ (51) ПЛИС (36). Узел исходной цифровой обработки снабжен синхронным динамическим оперативным запоминающим устройством хранения дефектных элементов - SDRAM (37), синхронным динамическим оперативным запоминающим устройством хранения коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов - SDRAM (38) и синхронным динамическим оперативным запоминающим устройством хранения коэффициентов коррекции темнового фона - SDRAM (39). АЛУ (51) связано с указанными SDRAM (37), SDRAM (38) и SDRAM (39) через контроллер памяти (52).
Телевизионная память, подключенная к ПЛИС (36), выполнена в составе первого и второго синхронных динамических оперативных запоминающих устройств хранения данных изображения SDRAM (41) и SDRAM (42), соответственно, которые подключены к ПЛИС (36) посредством контроллера памяти (52). SDRAM (41) и SDRAM (42) выполнены с индивидуальными шинами адреса и данных, с возможностью переключения их с частотой смены кадров телевизионного монитора. Указанное выполнение обеспечивает использование одного из них для записи обработанных узлом исходной цифровой обработки данных, а другого - для чтения данных и окончательной цифровой обработки.
Узел промежуточной цифровой обработки, реализованный на базе микропроцессора (5), накапливающий полноформатные массивы изображения и осуществляющий над ними функции обработки, выполнен в составе непосредственно микропроцессора (5), флэш-памяти (43) и EEPROM (44). Микропроцессор (5) связан с контроллером USB для доступа к персональному компьютеру (на Фиг.3 не показано). Флэш-память (43), связанная с микропроцессором (5), используется для хранения массивов коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности и темнового фона с целью периодической, при необходимости, их перезаписи микропроцессором (5) в промежуточную память SDRAM (40). Электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство EEPROM (44), связанное с микропроцессором (5), используется для осуществления микропроцессором (5) учета времени работы.
Для достижения возможности обращения ПЛИС (36) к промежуточной памяти SDRAM (40) с общими шинами адреса и данных и возможности обращения к ней микропроцессора (5) и ПЛИС (36) для записи и считывания данных выводы микропроцессора (5) реализованы с возможностью переключения их в третье состояние.
Микропроцессор (5) выполнен с возможностью обращения к любому подключенному к ПЛИС (36) синхронному динамическому оперативному запоминающему устройству: SDRAM (37), SDRAM (38) и SDRAM (39), а также SDRAM (40), посредством использования контроллера памяти (52). Подключение шин адреса и данных микропроцессора (5) к ПЛИС (36) посредством контроллера памяти (52) обеспечивает возможность обращения к любому оперативно запоминающему устройству, подключенному к ПЛИС (36).
Реализованный на базе ПЛИС (36) узел окончательной цифровой обработки, осуществляющий замещение дефектных элементов, выполнен в составе последовательно связанных узла замещения дефектных элементов (45), телевизионного генератора (46), узла регулировки яркости и контраста (47), узла формирования служебных символов (48), узла цифровой фильтрации (49). Элементы (47)-(49) являются составляющими ПЛИС (36). Узел замещения дефектных элементов (45) связан с телевизионной памятью, предоставляющей возможность считывания обработанных узлами исходной цифровой и промежуточной цифровой обработки данных. Узел цифровой фильтрации (49) связан с ЦАП (50).
Модуль предварительной обработки сигналов (1) связан с узлом исходной цифровой обработки, реализованным на базе ПЛИС (36), посредством АЛУ (51), осуществляющего алгоритмы обработки в отношении поступающих на него с модуля (1) сигналов.
В устройстве узлы исходной, промежуточной и окончательной цифровой обработки посредством контроллера памяти (52) синхронизированы с обрабатываемым потоком данных.
Основное назначение модуля цифровой обработки сигналов (2) - обработка цифровой формы сигналов, направленная на получение изображения требуемого качества на телевизионном мониторе.
Узел исходной цифровой обработки, на который подается в цифровой форме сигнал с модуля предварительной обработки сигналов (1), реализованный на базе ПЛИС (36), предназначен для выполнения алгоритмов коррекции темнового фона или коррекции неоднородной чувствительности элементов. АЛУ (51) - один из элементов, составляющих ПЛИС (36), осуществляет выполнение алгоритмов коррекции темнового фона или коррекции неоднородной чувствительности элементов. Синхронно со значением каждой адресной шины оперативно запоминающих устройств, подключенных к ПЛИС (36), - SDRAM (37), (38) и (39) считывается соответствующий массив данных. Каждому адресу памяти соответствует значение пикселя в массиве данных с матричного фотоприемника (11). В микросхемах SDRAM (37), (38) и (39) хранятся, соответственно, массивы дефектных элементов, коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности и коррекции темнового фона. Считывание данных из указанных оперативно запоминающих устройств происходит синхронно с тактами частоты опроса матричного фотоприемника (11), что позволяет за один такт частоты опроса получить для АЛУ (51) значения трех переменных для арифметических операций. Телевизионная память предназначена для записи результата арифметических операций в одно из оперативных запоминающих устройств телевизионного вывода, SDRAM (41) или SDRAM (42). Шины адреса и данных оперативных запоминающих устройств SDRAM (41) и SDRAM (42) переключаются с частотой смены кадров телевизионного монитора (12), что позволяет попеременно использовать одно из них для записи обработанных АЛУ (51) данных, а другое для чтения данных и окончательной их обработки.
Совместно с узлом исходной цифровой обработки осуществляет свое предназначение - накопление и обработку промежуточных массивов данных узел промежуточной цифровой обработки. После выполнения обработки в АЛУ (51) результат кроме телевизионной памяти (SDRAM (41) и SDRAM (42)) записывается в промежуточную память SDRAM (40), где данный массив может накапливаться требуемое количество раз и далее обрабатываться центральным процессором - микропроцессором (5). После обработки центральный процессор - микропроцессор (5) пересылает массив данных в синхронные динамические оперативные запоминающие устройства SDRAM (37), (38) и (39). Если положить за полный цикл обработки промежуточных данных 50 кадров, то записывая в промежуточную память SDRAM (40), в первом кадре значение темнового фона, во втором кадре значение скорректированного изображения, а в 48 кадре записывая из промежуточной памяти SDRAM (40) в оперативное запоминающее устройство SDRAM (37) обновленную таблицу дефектных элементов, в 49 кадре записывая из промежуточной памяти SDRAM (40) в оперативное запоминающее устройство SDRAM (38) обновленный массив коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов, в 50 кадре записывая из промежуточной памяти SDRAM (40) в оперативное запоминающее устройство SDRAM (39) усредненный по заданному количеству раз темновой фон массива элементов матричного фотоприемника (11), то оставшееся время, включая с 3 кадра по 47 кадр, центральный процессор - микропроцессор (5) выполняет накопление темнового фона заданное количество раз, формирует скорректированную таблицу дефектных элементов и обновляет коэффициенты коррекции неоднородной чувствительности в зависимости от температуры наблюдаемого объекта. Кроме того, массивы коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов фотоприемника, хранящиеся во флэш-памяти (43), периодически, в зависимости от внешних условий, переписываются центральным процессором - микропроцессором (5) в промежуточную память SDRAM (40). Также микропроцессор (5) осуществляет учет времени работы системы и записывает данную информацию в электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство EEPROM (44). Загрузка первичных данных в указанные микросхемы памяти и управление обработкой осуществляется посредством использования, например, интерфейса USB 2.0. Доступ микропроцессора (5) к каждому оперативному запоминающему устройству осуществляется благодаря контроллеру памяти (52), составляющему элементу ПЛИС (36), и позволяет использовать микропроцессор (5) для чтения-записи массивов данных по каналу контроллер USB - персональный компьютер (на Фиг.1 и Фиг.3 не показаны).
Узел окончательной цифровой обработки осуществляет завершение цифровой обработки сигналов для вывода изображения на телевизионный монитор (12).
Обработанные совместно узлами исходной и промежуточной цифровой обработки данные считываются из оперативного запоминающего устройства SDRAM (41) или SDRAM (42) телевизионной памяти и поступают на узел замещения дефектных элементов (45). Дефектному элементу устанавливается среднее значение от соседних справа и слева полноценных элементов. Сигнал поступает на телевизионный генератор (46), предназначенный для осуществления привязки к телевизионным сигналам синхронизации. Далее сигнал поступает на узел регулировки яркости и контраста (47), назначением которого является проведение анализа массива изображения для формирования значений необходимых при работе автоматических регулировок яркости и контраста. После чего сигнал поступает на узел формирования символов (48), где в массив изображения вставляют символы служебной информации. В завершении окончательной цифровой обработки сигнал поступает на узел цифровой фильтрации (19), предназначенный для непосредственного замещения дефектных элементов на среднее значение от окружающих полноценных элементов и медианной фильтрация изображения.
Прошедший все стадии обработки цифровой сигнал поступает на ЦАП (50) и преобразуется в аналоговую форму.
Следующий необходимый компонент рассматриваемой системы визуализации инфракрасного изображения матричных тепловизоров - модуль источника питания (3) (см. Фиг.4). Основное назначение модуля источника питания (3) - обеспечение питающих напряжений для всех прочих модулей системы. В конкретном случае выполнения системы модуль источника питания (3) (см. Фиг.4) содержит микроконтроллер (4), преобразователь источника питания (73). Рассматриваемый здесь модуль (4) реализован в следующей комплектации. В качестве микроконтроллера (4) используют ATmega 128, а преобразователь источника питания (73) выполнен на базе микросхем LM5576. Микроконтроллер (4) связан посредством двунаправленных шин (74) с преобразователем источника питания (73). Посредством использования микроконтроллера (4) с помощью интерфейса TWI осуществляют управление микросхемами преобразователя источника питания (73). Кроме того, микроконтроллер (4) с помощью имеющихся в его составе АЦП осуществляет контроль за выходными напряжениями модуля (3), поступающими на прочие модули по цепям питания (21) и (19). Под шинами здесь следует рассматривать шины управления, передачи данных и адреса.
Далее, помимо базовой основы, содержащей модули (1)-(3), система может содержать дополнительные модули, в частности, модуль управления оптической системой (7) и модуль управления сканированием (9) (см. Фиг.6), входящие в набор модулей управления исполнительными системами (см. Фиг.1).
Модуль управления оптической системой (7) предназначен для осуществления автоматической коррекции изменения фокусировки объектива, а также поиска фокуса объектива по команде от микропроцессора (5) модуля цифровой обработки сигналов (2). Модуль (7) выполнен в составе микроконтроллера (8), ПЛИС (75), схемы управления электроприводом (76), флэш-памяти (77), EEPROM (78) (см. Фиг.5). В качестве микроконтроллера (8) используют ATmegal28, в качестве ПЛИС (75) - микросхему ЕРМ240Т100С4, в качестве схемы управления электроприводом (76) - микросхемы драйвера КР1128КТ3А, в качестве флэш-памяти (77) - микросхему M25P64VME6G, в качестве EEPROM (78) - микросхему AT25256AN-10SI-2.7. Микроконтроллер (8) связан двунаправленными шинами (79) с ПЛИС (75), а также двунаправленными шинами (81) связан с флэш-памятью (77) и двунаправленными шинами (82) - с EEPROM (78). Шины (80) связывают ПЛИС (75) со схемой управления электроприводом (76). Сигнал управления электроприводом со схемы управления электроприводом (76) по двунаправленным шинам (24) поступает в модуль управления сканированием (9). Под шинами здесь следует рассматривать шины управления, передачи данных и адреса.
Посредством микроконтроллера (8) по интерфейсу TWI осуществляется управление через ПЛИС (75) микросхемами драйверами схемы управления электроприводом (76) и, в конечном счете, управление электроприводом линзового блока системы. Флэш-память (77) предназначена для хранения координат перемещения элементов оптической системы. EEPROM (78) служит для хранения данных времени работы модуля (7) и текущих координат перемещения элементов оптической системы при сбоях в питании модуля (7).
Модуль управления сканированием (9) осуществляет двумерное (по вертикали и по горизонтали) электронное (при использовании пьезоэлементов, осуществляющих перемещения проекционной системы по вертикали и по горизонтали) сканирование. Сканирование осуществляется на расстояние ½ пикселя от конкретного пикселя (так называемое микросканирование). Микросканирование используется в целях повышения разрешающей способности тепловизора и, соответственно, его чувствительности. Модуль (9) выполнен в составе микроконтроллера (10), ПЛИС (83), схемы управления приводом смещения поля обзора (84), флэш-памяти (85), EEPROM (86) (см. Фиг.6). В качестве микроконтроллера (10) используют ATmega 128, в качестве ПЛИС (75) - микросхему EPM7064STC44-10, в качестве схемы управления приводом смещения поля обзора (84) - микросхемы драйвера РА12А, в качестве флэш-памяти (85) - микросхему M25P64VME6G, в качестве EEPROM (86) - микросхему AT25256AN-10SI-2.7. Микроконтроллер (10) связан двунаправленными шинами (87) с ПЛИС (83), а также двунаправленными шинами (89) связан с флэш-памятью (85) и двунаправленными шинами (90) - с EEPROM (86). Шины (88) связывают ПЛИС (83) со схемой управления приводом смещения поля обзора (84). Сигнал управления приводом со схемы управления приводом смещения поля обзора (84) по двунаправленным шинам (24) поступает в модуль управления оптической системой (7). Под шинами здесь следует рассматривать шины управления, передачи данных и адреса.
Посредством микроконтроллера (10) по интерфейсу TWI осуществляется управление через ПЛИС (83) микросхемами драйверами схемы управления приводом смещения поля обзора (84). Флэш-память (85) предназначена для хранения начальных состояний и переменных модуля. EEPROM (86) служит для хранения данных времени работы модуля (7) и текущих состояний работы модуля (9) при сбоях в питании.
Электронная система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров (см. Фиг.1) функционирует следующим образом.
Сигнал с матричного фотоприемника (11) поступает на модуль предварительной обработки сигналов (1), приводится к единому стандарту, подготавливается для передачи по каналу LVDS (15), передается по указанному каналу в модуль цифровой обработки сигналов (2), в котором проходит полную цифровую обработку. Обработанные данные отображают на экране телевизионного монитора (12). Управление системой осуществляют посредством интерфейсов управления от персонального компьютера (см. Фиг.1). Модуль источника питания (3) формирует от внешнего источника напряжения, связанного цепями питания (25) с указанным модулем, напряжения питания для функциональных наборов модулей, подаваемых по цепям питания (19) и цепям питания (21). Посредством общей шины интерфейса TWI, состоящей из участков (16), (18), (20), (22), к которой подключены микроконтроллер (6), микропроцессор (5), микроконтроллер (4), микроконтроллер (8), микроконтроллер (10), осуществляется управление модулями системы, тестирование модулей и низкоскоростная передача данных. Каждый разъем питания модулей имеет два контакта интерфейса TWI-SDA и SDL, в связи с этим любой модуль, подключенный к цепям питания (17), (19), (21) (23) через указанный разъем при сборке в единую систему, оказывается подключенным и к общей шине интерфейса TWI.