ТЕПЛОВИЗОР НА ОСНОВЕ "СМОТРЯЩЕЙ" МАТРИЦЫ ФОРМАТА 256Х256
THERMAL IMAGER BASED ON STARING ARRAY OF 256X256 FORMAT

Изобретение относится к технике формирования и передачи изображений, а точнее к тепловидению, и может использоваться для поиска и идентификации потерь тепла и анализа выхода из строя в тепловых машинах и сетях, жилых и производственных помещениях с целью энергосбережения, а также для контроля электросетей для предотвращения аварийных ситуаций.
Известен тепловизор, в котором отсутствует ручная регулировка по эталонному источнику, так как опорная температура автоматически вводится в алгоритм обработки сигнала [1]. Указанный тепловизор содержит зеркало, служащее оптическим переключателем, с датчиком положения и приводом вращения, оптически связанный с ним источник эталонного излучения, с датчиком температуры, находящимся с ним в тепловом контакте, последовательно расположенные по ходу оптического сигнала объектив и фотоприемник (ФП), а также последовательно соединенные с ФП усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессорный контроллер с блоком памяти. Сигнал с датчика температуры эталонного источника поступает в микропроцессорный контроллер и используется для вычисления температуры объекта. Оптический зеркальный переключатель попеременно направляет на ФП поток от объекта и эталонного источника. ФП преобразует оптический сигнал в электрический, который после усиления поступает на АЦП, где преобразуется в цифровую форму и заносится в память микропроцессорного контроллера. В свою очередь в память микропроцессорного контроллера записана калибровочная кривая зависимости амплитуды сигнала, поступающего на АЦП от температуры. Сигнал с эталонного источника и сигнал с датчика температуры эталонного источника используются для автоматической корректировки калибровочной кривой сигнала по оси температур. Таким образом, достигается соответствие (привязка) выходного сигнала опорной температуре.
Недостатками известного прибора являются увеличенные габариты, обусловленные наличием эталонного источника, и связанное с этим повышенное энергопотребление, а также наличие ошибки, возникающей в результате дрейфа параметров ФП. Эта ошибка в описанном тепловизоре не может быть устранена, так как автоматическая корректировка калибровочной кривой в нем возможна только по одной точке.
0,2
0,8
Известен тепловизор на основе «смотрящей» матрицы из CdHgTe формата 128×128 [2].
Указанный тепловизор содержит матрицу фотоприемников (МФП), микрокриогенную систему типа Сплит-Стирлинга, ИК-объектив с фокусным расстоянием 70 мм и относительным отверстием 1:1,5, аналого-цифровой преобразователь(АЦП) и блок цифровой обработки, первый выход которого соединен с первым входом МФП, второй вход которой соединен со вторым выходом блока цифровой обработки, третий выход которого соединен с телевизором, причем первый вход блока цифровой обработки соединен с первым выходом МФП, третий вход которой соединен с выходом объектива, вход которого является входом тепловизора, четвертый вход МФП соединен с микрокриогенной системой, вход которой соединен с блоком управления микрокриогенной системы, причем блок цифровой обработки, состоящий из центрального процессора (ЦП), ОЗУ и ПЗУ, выполняет двухточечную коррекцию неравномерности чувствительности и осуществляет алгоритм устранения из изображения дефектных элементов. На выходе блока формируется стандартный телевизионный сигнал с частотой кадров 25 Гц.
Данное устройство имеет следующие недостатки:
- не слишком высокая предельная температурная чувствительность;
- недостаточная контрастность изображения;
- недостаточное качество изображения.
Известен тепловизор на основе «смотрящей» матрицы формата 256×256 [3], содержащий объектив, матрицу фотоприемников (МФП), микрокриогенную систему (МКС), блок управления МКС, АЦП, ЦАП, группа входов которого соединена с первой группой выходов блока управления с клавиатуры, выход которого соединен со вторым входом блока прерываний, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов центрального процессора и третьей группой входов блока управления, первый выход которого соединен с первым входом блока формирования цифровых сигналов, первая и вторая группы выходов которого являются первой и второй группами выходов тепловизора соответственно, группа входов которого соединена со второй группой входов блока прерываний и четвертой группой входов блока управления, причем выход блока формирования цифровых сигналов соединен со вторым входом центрального процессора, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов блока управления с клавиатуры, со вторыми группами входов блока формирования цифровых сигналов и блока формирования телевизионных сигналов, с третьими группами входов блока прерываний, блока управления МФП, с пятой группой входов блока управления и седьмой группой входов блока формирования данных, восьмая группа входов которого соединена со вторым входом блока формирования цифровых сигналов и первым входом блока формирования телевизионных сигналов, с четвертой группой входов блока прерываний и второй группой выходов блока управления, шестая группа входов которого соединена с пятой группой входов блока прерываний и с третьей группой выходов центрального процессора, четвертая группа выходов которого соединена с первыми группами входов ОЗУ и ПЗУ, причем третий вход центрального процессора соединен с первым выходом блока формирования телевизионных сигналов, второй и третий выходы которого соединены с первым и вторым входами ЦАП соответственно, группа входов которого соединена с группой выходов блока формирования телевизионных сигналов, четвертый выход которого соединен с третьим входом блока прерываний, причем третья группа выходов блока управления МФП соединена с третьей группой входов блока формирования цифровых сигналов, а первая группа выходов с клавиатуры соединена со второй группой входов блока управления с клавиатуры.
Недостатками известного прибора являются недостаточное быстродействие, задержка выходных данных относительно входных составляет 20 мсек, невозможность подключения камеры camera link.
Задачей изобретения является увеличение быстродействия за счет уменьшения задержки (2 мсек) выходных данных относительно входных.
Расширение функциональных возможностей за счет введения стандартного интерфейса camera link.
Улучшение качества изображения достигается за счет введения алгоритма медианной фильтрации.
Сущность заявляемого изобретения, возможность его осуществления и промышленного использования поясняются чертежами, представленными на фиг.1-18, где:
- на фиг.1 представлена структурная схема тепловизора;
- на фиг.2 представлена функциональная схема блока передачи данных по LINKO;
- на фиг.3 представлена функциональная схема блока приема данных по LINK2;
- на фиг.4 представлена функциональная схема блока формирования данных для ТВ;
- на фиг.5 представлена функциональная схема блока формирования данных для цифровой обработки;
- на фиг.6 представлена функциональная схема блока управления камерой camera link;
- на фиг.7, 7а представлен алгоритм работы МС блока передачи данных по LINK-0;
- на фиг.8 представлен алгоритм работы блока приема данных по LINK-2;
- на фиг.9, 9а, 9б, 9в представлен алгоритм работы МС блока формирования данных для ТВ;
- на фиг.10, 10а представлен алгоритм работы МС блока формирования данных для цифровой обработки;
- на фиг.11, 11а представлен алгоритм работы МС блока управления камерой camera link;
- на фиг.12 представлена структура интерфейса link порта;
- на фиг.13 представлен состав интерфейсных сигналов link порта;
- на фиг.14 представлена временная диаграмма обмена данными по link порту;
- на фиг.15 представлены физические адреса внутренних регистров тепловизора;
- на фиг.16 представлено соотношение сигналов элементов строк;
- на фиг.17 представлены временные характеристики сигналов FVAL и LVAL;
- на фиг.18 представлено кусочно-линейное контростирование с подстройкой параметров в реальном времени.
Указанные преимущества заявляемого устройства перед прототипом достигаются за счет того, что в тепловизор, содержащий объектив 1, матрицу фотоприемников (МФП) 2, микрокриогенную систему (МКС) 3, блок управления МКС 4, первый АЦП 5, второй АЦП 6, блок управления МФПУ 7, блок управления клавиатурой 8, клавиатуру 9, блок прерываний 10, блок управления 11, блок вторичной обработки 12, ЦАП 13, телевизор 14, блок цифровой обработки 15, состоящий из центрального процессора (ЦП) 16, ОЗУ 17, ПЗУ18, группа входов-выходов 19 которого соединена с группами входов-выходов ОЗУ 17, центрального процессора 16, с группами входов-выходов блока управления 11 и блока прерываний 10, адресные входы которых соединены с первой 20 группой выходов блока цифровой обработки 15, вторая 21 группа выходов которого соединена со вторыми группами входов блока управления 11 и блока прерываний 10, причем вход 22 тепловизора является входом объектива, выход 23 которого соединен с первым входом МФП 2, второй вход которой соединен с выходом 24 МКС 3, вход 25 которой соединен с блоком управления МКС 4, выход 26 ЦАП 13 соединен с входом телевизора 14, причем первый 27 и второй 28 выходы МФП 2 соединены с первыми входами первого 5 и второго 6 АЦП, вторые входы которых соединены с первым 29 выходом блока управления МФПУ 7, второй 30 выход которого соединен с первым входом блока прерываний 10, второй вход которого соединен с первым 31 выходом блока управления клавиатурой 8, второй 32 выход которого соединен с клавиатурой 9, а группа входов соединена с третьей 33 группой выходов блока цифровой обработки 15 и третьими группами входов блока управления 11, блока прерываний 10 и с первой группой входов блока управления МФПУ 7, первая 34 группа выходов которого соединена с группой входов МФП 2, причем группа выходов 35 блока управления клавиатурой 8 соединена с четвертой группой входов блока управления 11, группа выходов 36 блока прерываний 10 соединена с первой группой входов блока цифровой обработки 15, дополнительно введены блок передачи данных по LINK-0 37, первый 38 генератор, второй 39 генератор, блок приема данных по LINK-2 40, первое 41 ОЗУ, второе 42 ОЗУ, третье 43 ОЗУ, четвертое 44 ОЗУ, пятое 45 ОЗУ, шестое 46 ОЗУ, седьмое 47 ОЗУ, восьмое 48 ОЗУ, блок формирования данных для ТВ 49, блок формирования данных для цифровой обработки 50, блок управления камерой camera link 51, буферное ОЗУ 52, группа выходов 53 которого соединена с первой группой входов блока формирования данных для ТВ 49, первая 54 и вторая 55 группы выходов которого соединены с первой и второй группами входов буферного ОЗУ 52, первый, второй и третий входы которого соединены с первым 56, вторым 57 и третьим 58 выходами блока формирования данных для ТВ 49, третья 59 группа выходов которого соединена с группой входов ЦАП 13, первый и второй входы которого соединены с четвертым 60 и пятым 61 выходами блока формирования данных для ТВ 49, шестой 62 выход которого соединен с первыми входами блока формирования данных для цифровой обработки 50, блока управления камерой camera link 51, блока приема данных по LINK-2 40 и блока передачи данных по LINK-0 37, первая 63 группа выходов которого соединена со второй группой входов блока цифровой обработки 15, четвертая группа выходов 64 которого соединена с первыми группами входов третьего 43, четвертого 44, пятого 45, шестого 46, седьмого 47 и восьмого 48 ОЗУ, вторые группы входов которых соединены с группой выходов 65 блока приема данных по LINK-2 40, первый выход 66 которого соединен с первыми входами третьего 43, пятого 45 и седьмого 47 ОЗУ соответственно, вторые входы которых соединены с седьмым 67 выходом блока формирования данных для ТВ 49 и первыми выходами 68, 69 блока формирования данных для цифровой обработки 50 и блока управления камерой camera link 51, четвертая 70, третья 71 и первая 72 группы выходов которых соединены с третьими группами входов третьего 43 и четвертого 44 ОЗУ, пятого 45 и шестого 46 ОЗУ, седьмого 47 и восьмого 48 ОЗУ, первые входы восьмого 48, шестого 46 и четвертого 44 ОЗУ соединены со вторыми выходами 73, 74 блока управления камерой camera link 51 и блока формирования данных для цифровой обработки 50 и восьмым 75 выходом блока формирования данных для ТВ 49, первые группы входов и вторая группа входов которых соединены с группами выходов 76, 77, 78 седьмого 47, пятого 45 и третьего 43 ОЗУ соответственно, причем группы выходов 79, 80, 81 четвертого 44, шестого 46 и восьмого 48 ОЗУ соединены с третьей группой входов блока формирования данных для ТВ 49, со вторыми группами входов блока формирования данных для цифровой обработки 50 и блока управления камерой camera link 51, третья группа входов которого соединена с третьей группой входов блока формирования данных для цифровой обработки 50 и со второй группой выходов 82 блока управления МФПУ 7, третья группа выходов 83 которого соединена со вторым входом блока управления камерой camera link 51, с первой группой входов блока приема данных по LINK-2 40 и с четвертой группой входов блока формирования данных для ТВ 49, пятая группа входов которого соединена с четвертыми группами входов блока формирования данных для цифровой обработки 50 и блока управления камерой camera link 51, со второй группой входов блока приема данных по LINK-240, с третьей группой выходов 33 блока цифровой обработки 15 и с первой группой входов блока передачи данных по LINK-037, вторая группа выходов 84 которого соединена с первыми группами входов первого 41 и второго 42 ОЗУ, группы выходов 85, 86 которых соединены со второй и третьей группами входов блока передачи данных по LINK-037, третья группа выходов 87 которого соединена со второй группой входов первого 41 ОЗУ, третья группа входов которого соединена со второй группой входов второго 42 ОЗУ и четвертой группой выходов 88 блока передачи данных по LINK-037, пятая группа выходов 89 которого соединена с четвертой группой входов первого 41 ОЗУ и третьей группой входов второго 42 ОЗУ, четвертая группа входов которого соединена с шестой группой выходов 90 блока передачи данных по LINK-037, четвертая группа входов которого соединена с первой группой выходов 91 блока управления 11, вторая группа выходов 92 которого соединена с первым входом блока формирования данных для ТВ 49 и пятой группой входов блока формирования данных для цифровой обработки 50, третий выход 93 которого соединен с третьим входом пятого 45 ОЗУ и вторым входом шестого 46 ОЗУ, третий вход которого соединен со вторыми входами четвертого 44 и восьмого 48 ОЗУ и вторым выходом 94 блока приема данных по LINK-240, третий 95 выход и второй вход которого соединены с первым входом и первым 96 выходом соответственно блока цифровой обработки 15, второй 97 выход которого соединен со вторым входом блока передачи данных по LINK-037, первый 98 выход которого соединен с третьими входами третьего 43 и четвертого 44 ОЗУ и вторым входом блока цифровой обработки 15, третий вход которого соединен с выходом 99 второго 39 генератора, причем выход 100 первого 38 генератора соединен с третьим входом блока передачи данных по LINK-037 и входом блока управления МФПУ 7, четвертая 101 и пятая 102 группы выходов которого соединены с пятой и шестой группами входов блока передачи данных по LINK-037, седьмая и восьмая группы входов которого соединены с выходами 103, 104 первого 5 и второго 6 АЦП, причем третья группа выходов 105 блока управления 11 соединена с шестой группой входов блока формирования данных для цифровой обработки 50 и с пятой группой входов блока управления камерой camera link 51, четвертая группа выходов 106 блока управления 11 соединена с шестой группой входов блока управления камерой camera link 51, третий выход 107 которого соединен с третьими входами седьмого 47 и восьмого 48 ОЗУ, пятая группа входов блока управления 11 соединена с группой выходов 108 блока вторичной обработки 12, причем вторая и третья группы выходов блока управления камерой camera link 51 являются первой 109 и второй 110 группами выходов тепловизора, группа входов 111 которого соединена с седьмой группой входов блока управления камерой camera link 51, первая 112 и вторая 113 группы выходов блока формирования данных для цифровой обработки 50 соединены с первой и второй группами входов блока вторичной обработки 12.
Блок передачи данных по LINK-037 состоит из первого 114 блока констант, второго 115 блока констант, первого 116 регистра, второго 117 регистра, третьего 118 регистра, первого 119 сумматора, второго 120 сумматора, первого 121 счетчика, второго 122 счетчика, третьего 123 счетчика, четвертого 124 счетчика, первого 125 мультиплексора, второго 126 мультиплексора, третьего 127 мультиплексора, четвертого 128 мультиплексора, машины состояния (МС) 129, элемента ИЛИ 130, выход которого соединен со сбросовым входом второго 117 регистра, тактовый вход которого соединен с тактовыми входами первого 116 и третьего 118 регистров, первого 121, второго 122 и четвертого 124 счетчиков, с первым входом МС 129 и третьим 100 входом блока передачи данных по LINK-037, первый 98 выход которого соединен с первым выходом МС 129, второй и третий выходы которой являются третьей 87 группой выходов блока передачи данных по LINK-037, первая 63 и вторая 84 группы выходов которого соединены с группами выходов четвертого 128 мультиплексора и третьего 123 счетчика, тактовый вход которого является первым сигналом четвертой 91 группы входов блока 37, которая соединена с первой группой входов МС 129, четвертый и пятый выходы которой являются шестой 90 группой выходов блока 37, четвертая 88 группа выходов которого соединена с группой выходов первого 121 счетчика и первой группой входов третьего 127 мультиплексора, группа выходов которого является пятой 89 группой выходов блока передачи данных по LINK-037, второй сигнал первой 33 группы входов которого соединен со сбросовыми входами первого 116 и третьего 118 регистров, первого 121, третьего 123 и четвертого 124 счетчиков, с первым и вторым входами элемента ИЛИ 130 и МС 129 и с инверсным входом второго 126 мультиплексора, группа выходов которого соединена с группой информационных входов второго 122 счетчика, группа выходов которого соединена со второй группой входов МС129, шестой выход которой соединен с информационным входом третьего 123 счетчика, причем вторая 85 и третья 86 группы входов блока передачи данных по LINK-037 соединены с первой и второй группами входов четвертого 128 мультиплексора, вход которого соединен с седьмым выходом МС 129, восьмой выход которой соединен с инверсным, информационным входом четвертого 124 счетчика, группа выходов которого соединена с третьей группой входов МС 129, девятый и десятый выходы которой соединены с загрузочным и разрешающим входами второго 122 счетчика, причем пятая 101 группа входов блока передачи данных по LINK-037 соединена с разрешающими входами первого 116 регистра, группы выходов которого соединены с первыми группами входов первого 119 и второго 120 сумматоров, группы выходов которых соединены со своими вторыми группами входов и с информационными группами входов второго 117 регистра, группы выходов которого соединены с информационными группами входов третьего 118 регистра, группа выходов которого соединена со второй группой входов третьего 127 мультиплексора, шестая 102 группа входов блока приема данных по LINK-037 соединена с четвертой группой входов МС 129, группа выходов которой соединена с первым входом первого 125 мультиплексора, с загрузочным и разрешающим входами первого 121 счетчика, группа информационных входов которого соединена с группой выходов первого 125 мультиплексора, первая и вторая группы входов которого соединены с первой и второй группами выходов первого 114 блока констант, первая и вторая группы выходов второго 115 блока констант соединены с первой и второй группами входов второго 126 мультиплексора, причем седьмая 103 и восьмая 104 группы входов блока передачи данных по LINK-037 соединены с информационными группами входов первого 116 регистра, первый 62 и второй 97 входы блока передачи данных по LINK-037 соединены с третьим и четвертым входами МС 129, одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый выходы которой соединены с разрешающими входами третьего 118 и второго 117 регистров и вторым входом элемента ИЛИ 130.
Блок приема данных по LINK-240 состоит из первого 131 триггера, второго 132 триггера, третьего 133 триггера, счетчика 134, дешифратора 135, первого 136 элемента ИЛИ, второго 137 элемента ИЛИ, первого 138 элемента И-НЕ, второго 139 элемента И-НЕ, инверсный выход которого соединен с информационным входом первого 131 триггера, выход которого является вторым 94 выходом блока приема данных по LINK-2 40, первый 66 и третий 95 выходы которого соединены с выходами третьего133 и второго 132 триггеров соответственно, установочный вход которого соединен с первым входом второго 137 элемента ИЛИ и является первым сигналом первой группы входов 83 блока приема данных по LINK-240, группа выходов 65 которого соединена с группой выходов счетчика 134, информационный вход которого соединен с выходом второго 132 триггера и первыми входами первого 138 и второго 139 элементов И-НЕ, вторые входы прямой и инверсный которых соединены с девятым разрядом группы выходов 65 блока приема данных по LINK-240, второй сигнал второй группы входов 33 которого соединен с первым входом первого 136 элемента ИЛИ, второй вход которого является первым 62 входом блока приема данных по LINK-2 40, второй 96 вход которого соединен с тактовыми входами первого 131, второго 132, третьего133 триггеров и счетчика 134, сбросовый вход которого соединен со сбросовым входом второго 132 триггера, выходом первого 136 элемента ИЛИ и вторым входом второго 137 элемента ИЛИ, выход которого соединен с установочными входами первого 131 и третьего 133 триггеров, информационный вход третьего 133 триггера соединен с инверсным выходом первого 138 элемента И-НЕ, причем группа выходов счетчика 134 соединена с группой входов дешифратора 135, выход которого соединен с информационным входом второго 132 триггера.
Блок формирования данных для ТВ 49 состоит из первого 140 счетчика, второго 141 счетчика, третьего 142 счетчика, четвертого 143 счетчика, пятого 144 счетчика, шестого 145 счетчика, седьмого 146 счетчика, восьмого 147 счетчика, девятого 148 счетчика, десятого 149 счетчика, одиннадцатого 150 счетчика, сдвигового регистра 151, МС 152, первого 153 мультиплексора, второго 154 мультиплексора, третьего 155 мультиплексора, первого 156 регистра, второго 157 регистра, константы 158, первого 159 элемента ИЛИ, второго 160 элемента ИЛИ, выход которого соединен с загрузочным входом девятого 148 счетчика, группа выходов которого соединена с первой 54 группой выходов блока формирования данных для ТВ 49, вторая 55 группа выходов которого соединена с группой выходов второго 157 регистра, информационная группа входов которого соединена с группой выходов третьего 155 мультиплексора, первая и вторая группы входов которого являются второй 78 и третьей 79 группами входов блока формирования данных для ТВ 49, третья 59 группа выходов которого соединена с группой выходов второго 154 мультиплексора, первая группа входов которого соединена с группой выходов первого 156 регистра, информационная группа входов которого соединена с первой группой входов 53 блока формирования данных для ТВ 49, четвертая группа выходов 70 которого соединена с группой выходов десятого 149 счетчика, загрузочный вход которого соединен с первыми входами первого 153 мультиплексора и второго 160 элемента ИЛИ и первым выходом МС 152, второй и третий выходы которой являются пятым 61 и четвертым 60 выходами блока формирования данных для ТВ 49, первый 56, второй 57 и третий 58 выходы которого соединены с четвертым, пятым и шестым выходами МС 152, причем пятый выход которой соединен с инверсным, разрешающим входом первого 156 регистра, сбросовый вход которого соединен с выходом первого 159 элемента ИЛИ, инверсный вход которого является первым 92 входом блока формирования данных для ТВ 49, шестой 62 выход которого соединен с седьмым выходом МС 152, восьмой выход которой соединен с информационным входом сдвигового регистра 151, группа выходов которого соединена с первой группой входов МС 152, девятый выход которой соединен с первым входом третьего 155 мультиплексора и является седьмым 67 выходом блока формирования данных для ТВ 49, восьмой 75 выход которого соединен со вторым входом третьего 155 мультиплексора и десятым выходом МС 152, одиннадцатый выход которой соединен с первым входом второго 154 мультиплексора и сбросовым входом одиннадцатого 150 счетчика, группа выходов которого соединена со второй группой входов МС 152, двенадцатый выход которой соединен с разрешающим входом одиннадцатого 150 счетчика, тактовый вход которого соединен с тактовыми входами сдвигового регистра 151, первого 156 и второго 157 регистров, первого 140, второго 141, третьего 142, четвертого 143, пятого 144, шестого 145, седьмого 146, восьмого 147, девятого 148, десятого 149 счетчиков и первым входом МС 152 и является первым сигналом пятой группой входов 33 блока формирования данных для ТВ 49, второй сигнал которой соединен со сбросовыми входами сдвигового регистра 151, второго 157 регистра, первого 140, второго 141, третьего 142, четвертого 143, пятого 144, шестого 145, седьмого 146, восьмого 147, девятого 148, десятого 149 счетчиков, вторым входом МС152 и прямым входом первого 159 элемента ИЛИ, причем тринадцатый выход МС 152 соединен со вторым входом второго 154 мультиплексора, вторая группа входов которого соединена с группой выходов константы 158, причем четырнадцатый выход МС 152 соединен с разрешающим входом девятого 148 счетчика, группа установочных входов которого соединена с группой выходов первого 153 мультиплексора, первая группа входов которого соединена с группой выходов седьмого 146 счетчика, группа выходов которого соединена с третьей группой входов МС 152, пятнадцатый выход которой соединен с разрешающим входом седьмого146 счетчика, шестнадцатый выход МС 152 соединен со вторыми входами первого 153 мультиплексора и второго 160 элемента ИЛИ, семнадцатый и восемнадцатый выходы МС 152 соединены с разрешающими входами восьмого 147 и десятого 149 счетчиков, группа выходов восьмого 147 счетчика соединена со второй группой входов первого 153 мультиплексора и установочной группой входов десятого 149 счетчика, девятнадцатый и двадцатый выходы МС 152 соединены с разрешающим и инверсным информационным входами первого 140 счетчика, группа выходов которого соединена с четвертой группой входов МС 152, двадцать первый и двадцать второй выходы МС 152 соединены с разрешающим и инверсным информационным входами второго 141 счетчика, группа выходов которого соединена с пятой группой входов МС 152, двадцать третий и двадцать четвертый выходы МС 152 соединены с разрешающим и инверсным информационным входами третьего 142 счетчика, группа выходов которого соединена с шестой группой входов МС 152, двадцать пятый и двадцать шестой выходы МС 152 соединены с разрешающим и инверсным информационным входами четвертого 143 счетчика, группа выходов которого соединена с седьмой группой входов МС 152, двадцать седьмой и двадцать восьмой выходы МС 152 соединены с разрешающим и инверсным информационным входами пятого 144 счетчика, группа выходов которого соединена с восьмой группой входов МС 152, двадцать девятый и тридцатый выходы МС 152 соединены с разрешающим и инверсным информационным входами шестого 145 счетчика, группа выходов которого соединена с девятой группой входов МС 152, десятая группа входов которой является четвертой группой входов 83 блока формирования данных для ТВ 49, причем выход восьмого 147 счетчика соединен с третьим входом МС 152, группа выходов которой соединена с разрешающими входами второго 157 регистра.
Блок формирования данных для цифровой обработки 50 состоит из первого 161 счетчика, второго 162 счетчика, сумматора адреса 163, первого 164 регистра, второго 165 регистра, первого 166 мультиплексора, второго 167 мультиплексора, первой 168 константы, второй 169 константы, третьей 170 константы, схемы сравнения 171, МС 172, элемента ИЛИ 173, выход которого соединен с сбросовым входом второго 162 счетчика, группа выходов которого соединена с первой группой входов МС 172, первый, второй и третий выходы которой являются первой 112 группой выходов блока формирования данных для цифровой обработки 50, вторая 113 группа выходов которого соединена с группой выходов второго 165 регистра, группа информационных входов которого соединена с группой выходов второго 167 мультиплексора, первая группа входов которого соединена с группой выходов первого 164 регистра и с его информационной группой входов, вторая часть информационных входов которого соединена с группой выходов первого 166 мультиплексора, первая и вторая группы входов которого являются первой 77 и второй 80 группами входов блока формирования данных для цифровой обработки 50, третья 71 группа выходов которого соединена с группой выходов сумматора адреса 163 и его информационными входами, вторая часть информационных входов которого соединена с группой выходов второй 169 константы, причем первый 68 и второй 74 выходы блока формирования данных для цифровой обработки 50 соединены с четвертым и пятым выходами МС 172 и первым и вторым входами первого 166 мультиплексора соответственно, третий 93 выход блока формирования данных для цифровой обработки 50 соединен с шестым выходом МС 172, седьмой выход которой соединен с загрузочным и инверсным информационным входами первого 161 счетчика, тактовый вход которого соединен с тактовыми входами первого 164 и второго 165 регистров, сумматора адреса 163, второго 162 счетчика и первым входом МС 172 и является первым сигналом четвертой 33 группы входов блока формирования данных для цифровой обработки 50, второй сигнал которой соединен со сбросовыми входами первого 161 счетчика, первого 164 и второго 165 регистров, сумматора адреса 163 и первым и вторым входами элемента ИЛИ 173 и МС 172, восьмой выход которой соединен с разрешающими входами сумматора адреса 163 и второго 162 счетчика, загрузочный вход которого соединен с девятым выходом МС 172, десятый выход которой соединен со вторым входом элемента ИЛИ 173, причем третья 82 группа входов блока формирования данных для цифровой обработки 50 соединена со второй группой входов МС 172 и первой группой входов схемы сравнения 171, вторая группа входов которой является шестой 105 группой входов блока формирования данных для цифровой обработки 50, пятая 92 группа входов которого соединена со второй группой входов и первым входом второго 167 мультиплексора, группа выходов первого 161 счетчика соединена с третьей группой входов МС 172, третий вход которой является первым 62 входом блока формирования данных для цифровой обработки 50, причем выход схемы сравнения 171 соединен с четвертым входом МС 172, группы выходов первой 168 и третьей 170 констант соединены с группой входов первого 161 счетчика и с группой информационных входов второго 162 счетчика.
Блок управления камерой camera link 51 состоит из сдвигового регистра 174, первого 175 счетчика, второго 176 счетчика, регистра 177, мультиплексора 178, первого 179 триггера, второго 180 триггера, схемы сравнения 181, МС 182, элемента ИЛИ 183, элемента И 184, выход которого соединен с прямым входом элемента ИЛИ 183, выход которого соединен с информационным входом второго 180 триггера, выход которого соединен с первым входом МС 182, первый, второй и третий выходы которой являются второй 109 группой выходов блока управления камерой camera link 51, первая 72 группа выходов которого соединена с группой выходов первого 175 счетчика, разрешающий вход которого соединен с четвертым выходом МС 182, пятый и шестой выходы которой являются первым 69 и вторым 73 выходами блока управления камерой camera link 51, третий 107 выход которого соединен с выходом первого 179 триггера, с тактовыми входами сдвигового регистра 174, регистра 177, первого 175 и второго 176 счетчиков, второго 180 триггера и со вторым входом МС 182, седьмой выход которой соединен с инверсным информационным входом второго 176 счетчика и первым входом элемента И 184, второй вход которого соединен с восьмым выходом МС 182, девятый и десятый выходы которой соединены с разрешающими входами регистра 177 и сдвигового регистра 174, первая группа выходов которого соединена со своей первой группой входов, вторая группа выходов которого соединена со своей второй группой входов, третья группа выходов которого соединена со своей третьей группой входов, четвертая и пятая группы выходов которого соединены с информационной группой входов регистра 177, группа выходов которого является третьей группой выходов 110 блока управления камерой camera link 51, первая 76 и вторая 81 группы входов которого соединены с первой и второй группами входов мультиплексора 178, группа выходов которого соединена с четвертой группой входов сдвигового регистра 174, сбросовый вход которого соединен со сбросовыми входами регистра 177, первого 175 и второго 176 счетчиков, первого 179 и второго 180 триггеров, с третьим входом МС 182 и является вторым сигналом четвертой 33 группы входов блока управления камерой camera link 51, третья 82 группа входов которого соединена с первыми группами входов МС 182 и схемы сравнения 181, вторая группа входов которой соединена со второй группой входов МС 182 и является пятой 105 группой входов блока управления камерой camera link 51, шестая 106 группа входов которого соединена с третьей группой входов МС 182, одиннадцатый и двенадцатый выходы которой соединены с инверсным входом элемента ИЛИ 183 и с входом мультиплексора 178, причем первый 62 и второй 83 входы блока управления камерой camera link 51 соединены с четвертым и пятым входами МС 182, четвертая группа входов и шестой вход которой соединены с группой выходов второго 176 счетчика и с выходом схемы сравнения 181, пятая группа входов МС 182 является седьмой 111 группой входов блока управления камерой camera link 51.
Тепловизор работает следующим образом:
Блок управления МФПУ 7 после синхронизации по кадрам между матрицей 2 и телевизором (ТВ) 14 (каждый полукадр 50 Гц) формирует группу 34 управляющих импульсов, поступающих на матрицу МФП 2 для синхронной работы регистров и секций накопления кремниевой интегральной схемы считывания и создания оптимального режима работы фотодиодной матрицы. Причем группа 34 выходов блока управления МФПУ 7 состоит из:
первый сигнал - f1d - частота двойных пикселей (871 Кгц), меандр;
второй сигнал - f3d - строчная синхронизация, частота следования 12,8 кГц, длительность импульса 78 мкс;
третий сигнал - f3g - кадровая синхронизация, частота следования 50 Гц, длительность импульса 154 мкс;
четвертый сигнал - f1g - частота двойных строк (3,25 кГц), меандр;
пятый сигнал - kg1 - управление матрицей;
шестой сигнал - kg2 - управление матрицей;
седьмой сигнал - kd - управление матрицей.
Длительность kd, kg1, kg2 определяет время накопления фототока и может составлять (2-128)* f1d, но не превышать 80 мкс при фоне, соответствующем температуре 65°С и 160 мкс при фоне, соответствующем температуре 20°С. Длительность программируется на регистре задержки в разрядах (15-8).
Прием и усиление фотосигналов до уровня, необходимого для последующего аналого-цифрового преобразования. Для привязки к началу кадра используется сигнал внешнего прерывания IRQ0 (первый сигнал группы выходов 36), который формируется в блоке прерываний 10, если данное прерывание разрешено (4 разряд регистра управления находится в «1»). С некоторой задержкой из матрицы МФП 2 начинает поступать информация на соответствующие АЦП 5 и АЦП 6. Далее информация с помощью АЦП преобразуется в цифровой 14-разрядный двоичный код, при этом преобразование обеспечивается без потерь динамического диапазона и отношения сигнал/шум.
По сигналу F3D (строчная синхронизация) из блока управления МФПУ 7 поступает сигнал прерывания 30 в блок прерываний 10. Одновременно в блоке передачи данных по link037 начинает считать счетчик импульсов дискретизации 122 (q_out), задерживая начало записи во внутренние ОЗУ1-41 и ОЗУ2-42 на блокировку кадровой синхронизации и задержку на заполнение конвеера АЦП5, 6, поэтому по 194 импульсу формируется сигнал slren поз.26, а по 247 импульсу - slclken поз.28 в соответствии с алгоритмом работы МС 129 блока передачи данных по link0 фиг.7.
Из блока управления МФПУ 7 поступают три сигнала clkadc 29, sen1adc 101 (первый сигнал) и sen2adc 101 (второй сигнал): по первому сигналу стробируется прием данных в АЦП 5, 6, по второму и третьему сигналам в блоке передачи данных по link037 выполняется прием данных с АЦП 5, 6 в буферный регистр SRDOB 116, по следующему синхроимпульсу, данные из буферного регистра запишутся в регистр ARDOB 117 при наличии сигнала rzrardob, который формируется МС 129 блока передачи данных по link037. Регистр ARDOB 117 и сумматоры 119, 120 предназначены для выполнения сглаживающей фильтрации. По следующему синхроимпульсу данные из регистра ARDOB 117 запишутся в регистр RDOB 118 при наличии сигнала rzrrdob. С помощью регистра RDOB 118 и мультиплексора МП 127 осуществляется преобразование 32-х разрядных слов в 4 байта, которые по шине wdata поступают на вход первого 41 и второго 42 ОЗУ. При установке первого байта и наличии сигнала clclken, если waddr(9) равен 0, то формируется сигнал записи в первое внутреннее ОЗУ 41 we1b 87, а затем содержимое счетчика адреса cntaddr 121 увеличивается на «1», таким образом запись в первое внутреннее ОЗУ 41 выполняется до тех пор, пока waddr(9) не установится в «1», после этого запись производится во второе внутреннее ОЗУ 42 (we2b 90), а из первого внутреннего ОЗУ 41 начинают считываться данные и передаваться в блок цифровой обработки 15 по каналу link0.
Если tg512d (второй сигнал пятой 102 группы выходов блока управления МФПУ 7) равен нулю, то при наличии сигналов sdlren и sdmaoen (поз.11, 12, 13 алгоритма работы МС фиг.7) формируется импульс чтения ОЗУ1 - 41 re1b 87 (второй сигнал).
Затем считанные данные 85, 86 из ОЗУ через мультиплексор 128 поступают на выход Idat 63 блока 37. Если lack097, разрешающий передачу данных по порту link0, равен «1», есть частота mclk, разрешение на выдачу данных по link0 (SR7=1) и сигналы, разрешающие запись и чтение данных из ОЗУ, то формируется lclk097, сопровождающий данные, передаваемые по порту link0, затем состояние счетчика raddr 123 увеличивается на «1».
Данные из блока передачи данных по link037 вводятся в систему обработки строками.
Структура интерфейса представлена на фиг.12. Состав интерфейсных сигналов и их назначение приведены в таблице 1, представленной на фиг.13. Временная диаграмма обмена данными приведена на фиг.14.
Архитектура центрального процессора (ЦП) 161892 ВМ5 [4] специально адаптирована для поддержания, параллельно с обработкой, приема интенсивных потоков данных. 1892 ВМ5 имеет мощный встроенный программируемый контроллер порта внешней памяти и многоканальный DMA-процессор.
ЦП 16 позволяет подключать и программировать различные типы внешней памяти, настраивать их объем и расположение в адресном пространстве, циклы ожидания, разрядность данных (от 8 до 64 бит). Ширина адресной шины - 32 бита.
DMA - каналы (каналы прямого доступа) могут работать поочередно или одновременно, запускаться программно или аппаратно (от DMA либо от ЦП), поддерживают разнообразные режимы адресации (двумерную, двоично-инверсную).
Адресное пространство распределяется следующим образом:
0×В500 - 0000 … 0×В520-0000 - внешнее ОЗУ;
0×В700 - 0000 … 0×В700-0020 - системный контроллер;
0×BFC0 - 0000 … 0×С000-0000 - ПЗУ.
Управление работой тепловизора со стороны ЦП 16 обеспечивается программируемыми регистрами.
Физические адреса внутренних регистров тепловизора указаны в таблице 2 фиг.15.
Все регистры 32-х разрядные.
Назначение разрядов регистра управления блока управления 11:
4 р. - "1" - разрешение прерывания IRQ0 соответственно или "0" - его блокировка (программный сброс каждого прерывания осуществляется в регистре прерываний QR);
6 р. - "0" - блокировка синхросмеси на ТВ;
7 р. - разрешение выдачи данных по Link0;
8 р. - разрешение выдачи данных по Link1;
9 р. - режим калибровки (выход);
10 р. - тепловизионная камера исправна (выход);
11 р. - триггер целеуказания (вход);
12 р. - триггер захвата и слежения (вход);
13р. - триггер блокировки калибровки (вход);
14р. - GОТОVT (вход);
16 р. - "1" - разрешение прерывания IRQ3 или "0" - его блокировка (программный сброс каждого прерывания осуществляется в регистре прерываний QR);
17 р. - разрешение приема данных по Link2;
18 р. - кадровый синхроимпульс по цифровому выводу (резерв);
20 р. - расфокусировка (выход);
21 р. - остановка МКС (выход);
22 р. - дежурный режим МКС (выход);
31 … 24 р. - уровень белого в тестовом режиме (0 … 255);
Назначение разрядов регистра прерывания блока прерываний 10:
3 … 0 р. - разряды прерываний IRQ3, IRQ2, IRQ1 и IRQ0 соответственно;
19 … 16 р. - разряды маски записи в соответствующие разряды прерываний.
Назначение разрядов регистра «камера линк» блока управления 11:
По reset имеет значение = 0×00000000;
0 - power down;
1 - UART data enable;
2 - CC enable;
3 - Frame enable;
4 - Camera Link Synchronization;
20 … 16 - задержка на количество строк (1 … 32) для выдачи по Link2.
Назначение разрядов регистра задержек блока управления 11:
По reset имеет значение = 0×7F01;
2 … 0 р. - разряды задержки тактовой частоты АЦП (допустимые значения от 0 до 4). Полутакт F1D разбит на 5 дискретов тактовой частоты 10 МГц, т.е. 100 нс;
15 … 8 - разряды длительности сигналов KD, KG1, KG2 (0×7F ~ 62 мкс, 0×CF ~ 22 мкс, (KD = 0×FB - (0×CF) = 44F1D ~ 22 мкс)).
Назначение разрядов регистра клавиатуры блока управления клавиатурой 8:
По reset имеет значение = 0×00;
6 … 0 р. - код клавиш;
0 - холодная калибровка;
1 - горячая калибровка;
2 - увеличение яркости;
3 - уменьшение яркости;
4 - увеличение контрастности;
5 - уменьшение контрастности;
6 - стоп кадр.
Клавиатура работает следующим образом:
При нажатии какой-либо клавиши возникает прерывание IRQ3 и в регистр клавиатуры в соответствующий разряд записывается «1». Для сброса прерывания в регистре прерывания необходимо установить 19 бит в «1», а 3 бит в «0». При отжатии клавиши через 0,1 сек соответствующий разряд в регистре клавиатуры установится в «0».
Назначение разрядов счетчика строк по вводу:
По reset имеет значение = 0×1 FB;
8 … 0 - счетчик от 0 до 511.
Получив прерывание (группа выходов 36 блока прерываний 10) ЦП 16 считывает содержимое счетчика строк, формируя сигналы выборки (ncs2 - первый сигнал второй 21 группы выходов), адрес (первая 20 группа выходов) счетчика строк в соответствии с таблицей 2 фиг.15 и сигнал чтения (nrd - второй сигнал второй 21 группы выходов), и по значению, равному «1», запускается выдача по прямому доступу (link0) первой строки из ОЗУ1-41 во внутреннюю память, формируя сигналы в соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг.14, выдача происходит, пока ЦП 16 не примет 128 слов (256 точек), а затем перезапускается для ввода следующей строки.
Загрузка выполняется в двухбуферном режиме с тем, чтобы совмещать обработку и пересылки данных. Параллельно с DMA0 работают каналы DMA1, DMA2 и DMA3. Последний построчно загружает из ОЗУ 17 в память ЦП 16 таблицы, необходимые для выполнения обработки, канал DMA2 (с задержкой на 5-10 строк) выгружает обработанные строки из памяти ЦП 16 в блок формирования данных для цифровой обработки 50. Оба канала также работают в двухбуферном режиме.
После того как триггер tg512D (переключения ОЗУ)(второй сигнал пятой 102 группы выходов блока управления МФПУ 7) устанавливается в «1», начинается запись данных во второе 42 ОЗУ, а из первого 41 ОЗУ данные считываются и передаются по link0 порту в ЦП 16, после приема целой строки, данные обрабатываются, а затем с некоторой задержкой (8 строк) начинают передаваться по link2 порту для записи данных в ОЗУ3-43, ОЗУ5.-45, ОЗУ7-47 или в ОЗУ4-44, ОЗУ6-46, ОЗУ8-48 для последующей передачи этих данных на ТВ, на «камера линк» или цифровой вывод.
Передача данных из ЦП 16 выполняется в соответствии с функциональной схемой блока приема данных по link240 порту, представленной на фиг.3, и алгоритмом работы блока приема данных по link2 фиг.8.
По первому сигналу третьей 83 группы выходов syncar, поступающему из блока управления МФПУ 7, в блоке приема данных по link2 40 порту устанавливаются в «1» сигналы: разрешение приема данных по link2 порту - lack2 95, запись в четные ОЗУ - wr1b 66, запись в нечетные ОЗУ - wr2b 94 (исходное состояние при отсутствии записи). Если сигнал lack2 95 находится в «0», то выходной порт приостанавливает выдачу нового слова.
По переднему фронту lclk2 96 содержимое счетчика адреса waddr 134 увеличивается на «1», а по заднему фронту, если 9 разряд счетчика адреса waddr 134 и lack2 95 равны единицам, то устанавливается в «0» сигнал wr1b 66, выполняя запись данных в четные ОЗУ, иначе если 9 разряд счетчика адреса waddr равен «0», то устанавливается в «0» сигнал wr2b 94, выполняя запись данных в нечетные ОЗУ.
Блок формирования данных для ТВ (ФДТВ) 49 обеспечивает формирование сигналов синхросмеси ssm 61 по ГОСТ 7845-92, данных VT 59 и синхроимпульса clkdac 60, сопровождающего данные. Для формирования этих сигналов необходимы три счетчика: счетчик полустрок cntpstr 144, счетчик импульсов в полустроке cnt256d 145 и счетчик импульсов в строке cnt512d 142.
Частота кадров ввода составляет 50 Гц, а вывода - 25 Гц.
Выдаваемый кадр должен учитывать чресстрочную развертку. Выдаваться должны сначала нечетные строки (1, 3, 5 … 511 - первое поле), а затем - четные (2, 4, 6 … 512 - второе поле). Так как обработка входных кадров происходит на частоте 50 Гц, каждому полю вывода на ТВ должен соответствовать новый кадр ввода. При этом происходит масштабирование на 2 по вертикали (входной кадр имеет 256Х256 элементов изображения). Масштабирование по горизонтали происходит аппаратно за счет выбора тактовой частоты: (6 МГц) в 2 раза ниже разрешающей способности по горизонтали.
Из-за различия частоты строк МФПУ и ТВ стандарта необходимо буферное ОЗУ на телевизионный кадр.
Передача данных из ОЗУ (ОЗУЗ-43, ОЗУ4-44) в буферное ОЗУ 52, а затем на ТВ 14 выполняется в соответствии с функциональной схемой блока формирования данных для ТВ 49, представленной на фиг.4, и алгоритмом работы МС 152 блока формирования данных для ТВ 49, представленным на фиг.9, 9а, 9б, 9в.
Если состояние счетчика cnt6d 141 не равно 4 или 5, то МС 152 формирует сигнал разрешения на счет (rzr6d) счетчика cnt6d 141. Если состояние счетчика cnt7d 140 не равно 3 или 6 и если нет признака hsync (алгоритм работы МС фиг.9 поз.19), то МС 152 формирует сигнал разрешения на счет (rzr7d) счетчика cnt7d 140. Когда состояние счетчика cnt6d 141 будет равно 5, МС 152 сформирует сигнал t6d (rzr512d), разрешающий работу счетчику импульсов в строке (cnt512d) 142.
По состоянию счетчика cnt6d 141, равному 4, и счетчика cnt512d 142, равному 511, устанавливается в «1» признак hsync (алгоритм работы МС фиг.9 поз.19), который устанавливает в «1» триггер t7d, разрешающий чтение данных из ОЗУ3-43 или ОЗУ4-44 и запись их в буферное ОЗУ 52.
По сигналу s1t7d, задержанному на 1 такт относительно сигнала t7d, устанавливается в «0» сигнал выборки ОЗУ mcs 56, формируется сигнал разрешения загрузки (rzrzag), по которому содержимое счетчика smar 146 переписывается в счетчик maddr 148. Если есть сигнал oewr (алгоритм работы МС фиг.9в поз.140), то устанавливается в «1» нулевой разряд raddr(0) 149, переписывается содержимое smaw(7 … 0) 147 в raddr(8 … 1) 149. Если 8 разряд smaw 147 равен «1», то устанавливается в «0» сигнал rd1b 67, иначе устанавливается в «0» сигнал rd2b 75.
По сигналу s2t7d, задержанному на 2 такта относительно сигнала t7d, устанавливается в «0» нулевой разряд raddr(0) 149 и переписывается содержимое smaw(7 … 0) 147 в raddr(8 …1) 149, а затем если сигналы soes (алгоритм работы МС фиг.9а поз.54), и soevt (алгоритм работы МС фиг.9 поз.29), равны «1», то устанавливается в «0» сигнал mое 57.
По сигналу s3t7d, задержанному на 3 такта относительно сигнала t7d, устанавливаются в «1» сигналы rd1b 67, rd2b 75, moe 57.
По сигналу s4t7d, задержанному на 4 такта относительно сигнала t7d, содержимое smaw 147 переписывается в счетчик maddr 148.
По сигналу s5t7d, задержанному на 5 тактов относительно сигнала t7d, и если сигнал oewr (алгоритм работы МС фиг.9в поз.140) равен «1», то устанавливается в «0» сигнал mwe 58.
По сигналу s6t7d, задержанному на 6 тактов относительно сигнала t7d, устанавливается в «1» сигнал mwe 58, при наличии сигнала tvsync (алгоритм работы МС фиг.9 поз.36) устанавливаются в «0» с 8 по 16 разряды счетчика smar 146, а при наличии сигнала hsync (алгоритм работы МС фиг.9 поз.19) устанавливаются в «0» с 0 по 7 разряды счетчика smar 146.
Блок формирования данных для цифровой обработки (ФДЦО) 50 обеспечивает формирование данных VD 113 и синхроимпульса, сопровождающего данные dclk (первый сигнал первой группы выходов 112). Передача данных из ОЗУ (ОЗУ5-45, ОЗУ6-46), а затем в блок вторичной обработки 12 выполняется в соответствии с функциональной схемой блока ФДЦО 50, представленной на фиг.5, и алгоритмом работы МС 172 блока ФДЦО 50, представленного на фиг.10, 10а.
По сигналу stv 62, поступающему из блока ФДТВ 49, который устанавливается в «1» по 625 импульсу счетчика полустрок (cntpstr) 144 и нулевому состоянию счетчика импульсов в полустроке cnt256d 145, в блоке ФДЦО 50 устанавливаются в «0» сигналы кадрового (ksi) и строчного (ssi) синхроимпульсов (второй и третий сигналы первой группы выходов 112) и признак s1stv и формируется сигнал сброса (sbrcnt) счетчика импульсов в строке cntssi 162.
При отсутствии сигнала stv 62 (stv=«0») начинает считать счетчик cntclk 161 и формировать тактовые сигналы cclk 93, для тактирования ОЗУ, и dclk (первый сигнал первой группы выходов 112), для сопровождения данных VD 113, поступающих в блок вторичной обработки 12, и разрешающие тактовые импульсы sclken для счетчика cntssi 162 и сумматора адреса raddrc 163. По 20 импульсу счетчика cntssi 162 МС 172 устанавливает сигнал чтение ОЗУ5-45 rc1b 68 в «0» и данные rd1c 71 с выхода ОЗУ5-45 передаются через первый МП 166 на регистр RGD 164, а затем через второй МП 167 на регистр SVD 165 и на выход 113 блока ФДЦО 50, данные стробируются сигналом dclk (первый сигнал первой группы выходов 112), а затем по разрешающему импульсу sclken сумматор адреса 163 увеличивается на единицу и выполняется чтение следующей ячейки ОЗУ. По 23 импульсу счетчика cntssi 162 устанавливается в «1» строчный синхроимпульс ssi (третий сигнал первой группы выходов 112), по 267 импульсу счетчика cntssi 162 строчный синхроимпульс ssi устанавливается в «0», а по 532 импульсу счетчика cntssi 162 сигнал чтения rclb 68 из ОЗУ устанавливается в «1» и чтение из ОЗУ5-45 прекращается.
По 532 импульсу счетчика cntssi 162 МС 172 формирует сигнал ustc установки константы 170 (1024) в счетчик cntssi 162, а по 1044 импульсу МС 172 формирует сигнал rс2b 74 чтение из ОЗУ6-46 и данные начинают считываться из ОЗУ6-46, по 1047 импульсу МС 172 формирует строчный синхроимпульс ssi (третий сигнал первой группы выходов 112), а по 1556 импульсу сигнал rс2b 74 устанавливается в «1» и чтение из ОЗУ6-46 прекращается, по 1559 импульсу счетчика cntssi 162 сигнал ssi и счетчик cntssi 162 устанавливаются в «0».
Когда содержимое пяти младших разрядов счетчика количества строк q0cnt(4 … 0) 82 совпадет с программной задержкой str(4 … 0) 105 выдачи данных относительно приема данных, схемой сравнения 171 формируется сигнал rav, по которому если разряды q0cnt(8 … 5) 82 равны нулям и состояние счетчика cntssi 162 равно 535 или 1559, то устанавливается в «1» сигнал кадровая синхронизация ksi (второй сигнал первой группы выходов 112).
Когда содержимое пяти младших разрядов счетчика количества строк q0cnt(4 … 0) 82 совпадет с программной задержкой str(4 … 0) 105 выдачи данных относительно приема данных, схемой сравнения 171 формируется сигнал rav, по которому если разряды q0cnt(8 … 5) 82 равны «1000» и состояние счетчика cntssi 162 равно 535 или 1559, то устанавливается в «0» сигнал кадровая синхронизация ksi (второй сигнал первой группы выходов 112).
Блок управления камерой camera link (БУК camera link) 51 обеспечивает формирование данных dout 110 и синхроимпульса, сопровождающего данные dval (третий сигнал второй группы выходов 109), кадровый синхроимпульс fval (второй сигнал второй группы выходов 109) и строчный синхроимпульс ival (первый сигнал второй группы выходов 109). Формирование выполняется в соответствии с функциональной схемой БУК camera link 51, представленной на фиг.6, и алгоритмом работы МС 182 БУК camera link 51, представленным на фиг.11, 11а.
Кадровая (50 Гц) и строчная (~15 кГц) частоты (а также fval и ival) должны получаться из пиксельной частоты. Сигнал сопровождения данных (dval) должен выделять пару пикселей (каждый по 12 разрядов) по диаграмме, представленной на фиг.16. Временные параметры сигналов fval и ival представлены на фиг.17.
По внутренней частоте sclk (первый сигнал четвертой 33 группы входов) на счетном триггере 179 формируется сигнал strbin частоты, пониженной в 2 раза, поступающий в МС 182, и формируется сигнал strb 107. Если есть сигнал синхронизации по строкам syncstr 83, поступающий из блока управления МФПУ 7, и есть разрешение на передачу данных fve 106 в камеру camera link, то устанавливается в «0» ival (первый сигнал второй 109 группы выходов).
Когда содержимое пяти младших разрядов счетчика количества строк q0cnt(4 … 0) 82 совпадет с программной задержкой str(4 … 0) 105 выдачи данных относительно приема данных, схемой сравнения 181 формируется сигнал rav, по которому МС 182, если разряды q0cnt(8 … 5) 82 равны нулям, устанавливает в «1» сигнал кадровый синхроимпульс fval (второй сигнал второй 109 группы выходов), если разряды q0cnt(8 … 5) 82 равны «1000», то fval устанавливает в «0». При состоянии счетчика cnt2048 176, равном 71, МС 182 устанавливает в «1» сигнал строчный синхроимпульс ival (первый сигнал второй 109 группы выходов).
Если str 105 равен «0», то по переднему фронту синхроимпульса strbin содержимое счетчика cnt2048 176 увеличивается на «1», если сигналы dren(алгоритм работы МС фиг.11а поз.50,44) и fval (второй сигнал второй 109 группы выходов) равны «1», то по заднему фронту синхроимпульса strbin содержимое счетчика адреса raddrcl 175 увеличивается на «1», и если tgstr 180 равен «0», то устанавливается в «0» сигнал чтения rl1b 69 из ОЗУ7-47, а если tgstr 180 равен «1», то устанавливается в «0» сигнал чтения rl2b 73 из ОЗУ8-48.
Данные dm1b 76 из ОЗУ7-47 через МП 178 принимаются на 8 старших разрядов сдвигового регистра sdvrg, а затем по strbin разряды с 24 по 31 сдвигаются в 16 … 23 разряды и т.д., по сигналу rzr24 из МС 182 разряды сдвигового регистра sdvrg с 27 по 16 и с 11 по 0 записываются в регистр rgdout 177 и передаются на группу выходов 110 БУК camera link 51 и так до тех пор, пока все ячейки ОЗУ7-47 не передадутся в камеру camera link, затем когда tgstr 180 установится в «1», из МС 182 передается сигнал rzrm и данные dm2b 81 из ОЗУ8-48 через МП 178 принимаются на 8 старших разрядов сдвигового регистра sdvrg и выполняется чтение ячеек ОЗУ8-48 и передача их на группу выходов 110 БУК camera link 51.
Блок управления клавиатурой 8 предназначен для управления режимами работы.
Число управляющих команд технологического пульта не более 8, в т.ч.:
- сброс;
- калибровка по уровню фоновых сигналов элементов МФП;
- поиск, запись в память дефектных элементов и замена их сигналов по алгоритму деселекции;
- увеличение контраста;
- уменьшение контраста;
- стоп кадр.
По нажатию любой кнопки (с 0 по 5) формируется сигнал 31, поступающий в блок прерываний 10 для формирования прерывания IRQ3, если он разрешен, т.е. 16 р регистра управления (CR) равен "1", ЦП 16 прерывается, считывает регистр клавиатуры KB и приступает к выполнению заданного режима, одновременно записывая нуль (сброс команды с пульта) в те разряды, которые находились в единицах. При отжатии клавиши через 0,1 сек соответствующий разряд в регистре клавиатуры установится в "0".
Блок цифровой обработки 15 данных тепловизора, состоящий из центрального процессора 16 1892ВМ5 с тактовой частотой 80 МГц, ОЗУ 17 и ПЗУ 18 обеспечивают надежную и высокопроизводительную обработку сигналов и изображений в реальном времени и одновременную поддержку интенсивных входных и выходных потоков данных.
На центральный процессор 16 возлагаются следующие задачи:
1) Обслуживание потоков входных данных от МФП 2 и выходных
данных на телевизор 14 и блок вторичной обработки 12.
2) Цифровая обработка данных МФП 2 в реальном времени.
3) Периодическая калибровка МФП 2 для вычисления коэффициентов, используемых в цифровой обработке.
4) Периодическая калибровка МФП 2 для вычисления коэффициентов, используемых в цифровой обработке.
Причем цифровая обработка должна происходить в реальном времени, на фоне работающих входных и выходных потоков.
Основными сложностями в цифровой обработке тепловизионных изображений являются значительная неравномерность чувствительности по каждому кадру, высокий уровень и нестабильность пьедестала, большой динамический диапазон (74 дБ), а также существенные требования к задержке обработки (5-10 строк входного кадра). Обработка должна происходить без пропусков кадров.
В блоке цифровой обработки обслуживаются следующие потоки данных:
1. Поток входных данных с МФП 2;
2. Поток выходных данных из тепловизора в телевизор 14;
3. Поток выходных данных из тепловизора в блок вторичной обработки 12.
Каждый из трех потоков имеет собственную синхронизацию и обслуживается отдельным каналом прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA).
С МФП 2 поступают тепловизионные кадры, размером 256×256 точек с частотой 50 Гц. Разрядность яркости каждой точки - 14 бит, яркость передается 16-разрядным кодом. Интенсивность входного потока от МФП 2 равна 6,25 Мбайт/с.
Обработанные данные выводятся на телевизор 14 кадрами размера 512×512 точек, с чересстрочной разверткой, частотой вывода полукадров в 50 Гц, разрядностью 1 байт на каждую точку.
Кроме того, обработанные данные также выводятся на блок вторичной обработки 12 кадрами размера 256×256 точек, с частотой вывода 50 Гц, разрядностью 1 байт на каждую точку.
ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ЭЛЕКТРОННОЙ ОБРАБОТКИ ВИДЕОСИГНАЛА
Обработка тепловизионных данных происходит в ядре центрального процессора 161892 ВМ5. Для этого по каналу DMA3 во внутреннюю память ЦП 16 построчно вводятся тепловизионные данные и необходимые для обработки коэффициенты (см. ниже). Обработка включает в себя:
1) улучшение качества тепловизионного изображения;
2) приведение к нужному формату и динамическому диапазону потребителей тепловизионных данных;
3) формирование и организация выходных потоков.
Дополнительной особенностью центрального процессора 161892 ВМ5 является наличие режима SIMD («single instruction, multiple data», «один поток инструкций, множественные потоки данных»). Данный режим позволяет выполнять один и тот же блок линейных арифметических операций параллельно над несколькими блоками данных. В 1892 ВМ5 существует 2 секции SIMD, таким образом, есть возможность ускорить линейные участки обработки в два раза. В случае, если обработка происходит нелинейно (есть операции условных переходов и ветвлений), используется стандартный режим SISD («single instruction, single data», «один поток инструкций, один поток данных»).
Рассмотрим все процедуры последовательной обработки каждой строки кадра.
А. Нормализация
Ввиду неоднородной чувствительности датчиков МФП 2, а также высокого уровня постоянной составляющей, входные данные подвергаются нормализации (1)
Где i, j - координаты обрабатываемой точки, D - матрица входного кадра, В - матрица постоянных составляющих, вычисленных для каждого датчика на этапе калибровки, S - матрица чувствительностей, также вычисленных на этапе калибровки.
Б. Коррекция бракованных точек
На данном этапе производится коррекция нормализованного кадра Х в соответствии с таблицей коррекции С, построенной на этапе калибровки. В зависимости от содержимого таблицы коррекции значение забракованной точки заменяется. В качестве замены берется либо полусумма двух соседних не бракованных точек, занимающих относительно данной симметричное положение, либо значение ближайшей не бракованной точки, если пары соседних точек тоже бракованы.
Б. Приведение кадра к диапазону [-4096; 4095]
Поскольку уровни постоянной составляющей датчиков МФП 2 изменяются (колеблются) во времени, в результате нормализации кадра матрица Х вполне может содержать отрицательные значения, поэтому необходимо вычислить минимальное значение по кадру, вычесть его из каждого элемента матрицы X, а затем ограничить элементы Х сверху значением 4095 (2).
Г. Обновление гистограммы кадра
z
z
При обработке каждого кадра постоянно строится его гистограмма H, используемая в дальнейшем для построения таблицы преобразования Т. Гистограмма H дает частоту появления значений яркости в диапазоне [-4096; 4095] в текущем кадре, гисторамма обновляется по каждой обрабатываемой строке кадра.
КУСОЧНО-ЛИНЕЙНОЕ КОНТРАСТИРОВАНИЕ
В методе кусочно-линейного контрастирования параметры переходной характеристики к выходному диапазону вычисляются в зависимости от динамических характеристик изображения. Ручная регулировка контрастности не предусматривается.
.
Суть метода заключается в том, чтобы сохранить при переквантовании контрастность в области относительной интенсивности, близкой к нулю, за счет некоторого сокращения квантов, выделенных для кодирования интенсивностей вне этой области. При этом контрастирование в этой области всегда будет осуществляться по коэффициентам, кратным отношению входного и выходного диапазонов. Поскольку гистограмма строится в диапазоне [0;4095] по модулю (отдельно для положительной и отрицательной части), то коэффициент и для положительной, и для отрицательной области, близкой к нулю, всегда будет кратен
min
Регулировка параметров осуществляется в два этапа. На первом этапе осуществляется построение гистограммы и вычисление значений ее границ G  и
max
min
max
G . Границы G  и G  определяются как точки гистограммы, для которых сумма ее значений слева и справа соответственно превышает установленное пользователем значение Р.
Определение контрастирования в положительном и отрицательном диапазонах относительной интенсивности происходит отдельно, одним и тем же способом.
max
Рассмотрим построение отрезков контрастирования для положительной области. В первую очередь значение G  представляется в виде формулы:
max
∧
∧
G = 128*2р+n, где р≥0, n< = 128*2p
+
+
+
-p
Затем определяется значение Y, т.e количество точек в выходном диапазоне от нуля, в которых возможно осуществление переквантования исходных значений в окрестности нуля с коэффициентом k=2. Значение Y вычисляется по формуле:
.
+
Соответствующая точка во входном диапазоне Х определяется по формуле:
+
+
p
X= 2(Y-1)+1.
Тогда параметры прямой, образующей второй отрезок контрастирования положительной области, определяются следующей системой:
В результате проведения аналогичных операций для отрицательной части преобразуемого диапазона определяется кусочно-линейная функция из четырех отрезков, по которой и будет осуществляться контрастирование (см. фиг.18).
Результирующая функция контрастирования описывается системой:
p
p
p
p
Следует отметить, что при реализации данного метода используется целочисленная арифметика и имеет место ограничение значения n: n≥2. Это ограничение связано с вычислением отношения n/2, т.к.очевидно, что при n<2 отношение всегда будет равняться нулю, что повлечет ошибку превышения выходного диапазона, т.е переполнение (переход «белого» в «черный»). Чтобы избежать данной проблемы, рекомендуется либо использовать арифметику с плавающей точкой, либо обнулять все значения n, меньшие 2:
p
∀ n<2, n=0.
КАЛИБРОВКА
Для корректной работы алгоритмов регулярной обработки тепловизионных кадров необходимо вычислить коэффициенты чувствительности датчиков МФП 2 (S), матрицу их постоянных составляющих (В), составить таблицу неисправных точек (С). Эти действия осуществляются в рамках «холодной» и «горячей» калибровок.
А. «Холодная» калибровка
Данный вид калибровки предназначен для измерения уровней постоянной составляющей датчиков МФП 2. Для этого объектив тепловизора закрывается холодной заслонкой, после чего происходит усреднение 32-х «холодных» кадров, последовательно принимаемых в ОЗУ 17 и построчно копируемых во внутреннюю память ядра ЦП 16. Таким образом, матрица постоянных составляющих В вычисляется по формуле (3).
Кроме того, на этапе «холодной» калибровки происходит первичная отбраковка значений для последующего заполнения таблицы С.
В процессе отбраковки программа ядра ЦП 16 заполняет вспомогательную двоичную матрицу 256×256, устанавливая "1", если точка забракована, и "0", если нет. В рамках «холодной» калибровки отбраковка осуществляется по двум параметрам:
1. По превышению порога отклонения от уровня постоянной составляющей. Также, как и для вычисления матрицы В, накапливается кадр модулей средних отклонений от постоянных составляющих ΔB (4):
По результатам вычислений отбраковываются те точки, в которых АВ превышает пороговое отклонение (=25), также вычисляется число забракованных точек nС;
2. По превышению порога отклонения от глобального усредненного уровня постоянной составляющей. Для этого вычисляется среднее значение постоянной составляющей mВ, без учета уже отбракованных точек (5):
Точка отбраковывается, если ее пьедестал не попадает в диапазон [0,5В:1В], по результатам также обновляется двоичная матрица брака и значения nС.
Б. «Горячая калибровка»
Данный вид калибровки предназначен для измерения чувствительности датчиков МФП. Для этого объектив тепловизора закрывается горячей заслонкой, после чего происходит усреднение 32-х «горячих» кадров, осуществляемое также, как и для «холодной» калибровки. В результате аналогично формуле (3) мы получаем усредненный кадр для горячей нагрузки Н.
По формуле (6) вычисляется глобальное среднее по кадру Н. Происходит отбраковка точек по превышению отклонения от mН, аналогично отбраковке по отклонению от среднего уровня постоянной составляющей в «холодной» калибровке. По результатам обновляется двоичная таблица брака и значение nС.
После отбраковки по mН вычисляется матрица отклонений между значениями горячей и холодной нагрузок (7):
.
По значениям DC также происходит отбраковка: бракуются те точки, для которых DC<10.
min
Затем, из числа не бракованных точек, по DC определяется минимальное значение DC, по которому вычисляется матрица коэффициентов чувствительности (8):
B. Построение таблицы коррекции
По результатам всех отбраковок строится таблица коррекции неисправных точек С. В таблицу С входят номер строки, номер столбца неисправной точки, а также номер способа коррекции для нее. Для определения способа коррекции обходится ранее построенная вспомогательная двоичная матрица, из которой определяется, какие точки, ближайшие к данной, являются корректными, по ним определяется способ исправления (усреднение симметричных корректных точек или замена на ближайшую корректную точку). Впоследствии номера способа коррекции заменяются в таблице С на непосредственные адреса соответствующих функций. В результате таблица С состоит из nС 32-битных элементов, причем считается, что для исправного тепловизора значение nС не превышает 3% общего числа датчиков (256×256).
Алгоритм медианной фильтрации
ij
Для исправления оставшихся после обработки кадра точечных дефектов в тепловизоре используется медианный фильтр с крестообразным окном 3×3. Суть алгоритма медианной фильтрации заключается в замене каждого элемента кадра a по формуле (9):
,
i-1j
ij-1
ij
ij+1
i+1j
где функция med(a, a, a, a, a) осуществляет следующие действия:
1-ij
jj-1
ij
ij+1
i+1j
1) Сортировку значений {a, a, a, a, a} по возрастанию яркости;
2) Возврат третьего (то есть лежащего в середине массива) элемента.
Таким образом, значение каждого кадра изменяется на медианную яркость по крестообразному окну 3×3, что позволяет, с одной стороны, отфильтровать дефекты в изображении, площадью не более 2-х точек, а с другой, - не ухудшает резкость изображения, т.к. при замене используются реальные (а не вычисленные) яркости.
Источники информации
[1] А.С. СССР №1814195, 1-104 N5/33, 1991 г.
[2] Прикладная физика 2-1999, стр.50-54.
[3] Патент RU №2382516 C2, H04N 5/33, 2006 г.
[4] Микросхема 1892ВМ5Я ГУПНПЦ ЭЛВИС, Руководство пользователя.