紅外成像跟蹤系統通過紅外探測器獲得目標的紅外圖像，然后對紅外圖像進行預處理和潛在目標檢測，最后利用一定的算法對目標進行跟蹤。在實際系統設計中，一塊電路板往往難以完成所有功能，電路板與電路板之間需要進行高速圖像傳輸和通信，因此設計一個傳輸速率快、可靠性高的圖像傳輸與通信平臺是紅外成像跟蹤系統的關鍵技術[1]。

    由于并行總線在印制電路板上占空間量大，布線時很難保證每條線路長度、電氣特征一致，兩條數據線間容易產生串擾等，因此隨著電子系統對速度以及精度要求的提高，高速串行數據通信模式正在逐步取代傳統的并行總線式結構[2]。

    串行傳輸的迅速發展得力于差分信號技術的發展。在嵌入式應用方面，主流的FPGA 中都已對差分信號提供了硬件支持，如Xilinx公司的Virtex系列FPGA中，相鄰的兩個I/O口都以差分信號對形式出現。從Virtex2 Pro系列開始，更是在片上集成了固化的Rocket I/O模塊，以提供超高速的串行通信支持[3]。并且Xilinx公司針對高速傳輸開發了一種可裁剪的輕量級鏈路層協議——Aurora協議，可以在相應的器件上通過制定IP核生成[3]。

    本文在基于Aurora IP核的基礎上構建了一個圖像高速傳輸和通信平臺，其總體設計框架如圖1所示。

圖1  高速圖像傳輸與通信平臺框架

探測器處理板與信號處理板在基于Aurora協議的基礎上通過光纖進行圖像傳輸和通信。

1 高速圖像傳輸和通信平臺設計

1.1 硬件平臺搭建

    搭建高速圖像傳輸和通信平臺需要兩塊處理板，每塊處理板均需包含一片FPGA和一個光纖模塊。光纖模塊采用了中航光電的單光纖雙向收發一體光模塊OEA01-Dxx-326-613-01Y；FPGA采用了Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX50T-FF665，并采用100 MHz的時鐘模塊對Rocket I/O模塊提供參考時鐘，用一個XCF32P的PROM以主串模式對FPGA進行配置[4-5]；兩個光纖頭之間通過光纖相連。硬件平臺如圖2所示。

圖2  硬件平臺框圖

1.2 Aurora IP核的定制及生成

    在Xilinx提供的CORE Generator工具中生成Aurora IP核[6]。其中通道數目設置為1，通道的寬度設置為2 B，數據速率為1.25 Gb/s，參考時鐘為100 MHz；為了使兩個處理板可以同時進行數據收發，數據流模式采用雙工模式；由于本紅外系統傳輸的紅外圖像數據以幀為單位，傳輸過程中需要完整的幀有效信號，故數據接口采取幀模式；因為所設計平臺需要完成通信，需要用戶添加流控制信息，所以流控制模式采用UFC模式。

    定制完成后，生成Aurora IP核，所生成的IP核主要包括以下功能模塊：

    (1)用戶接口模塊(User Interface)：用于提供用戶接口，處理來自用戶接口的控制信息。該模塊負責與Aurora核8 B/10 B模塊的接口，負責來自8 B/10 B編解碼模塊的數據讀寫。數據端口的寬度取決于GTP/GTX的收發器的個數和寬度。

    (2)用戶流控制模塊(User Flow Control Interface)：幀模式下可選的一種流控制模式，該模塊可以在正常傳輸的數據流中添加控制信息，進一步提高傳輸效率。本文中用作兩塊處理板通信的方式。

    (3)時鐘模塊(Clock Interface)：包括時鐘生成模塊和時鐘接口模塊，用于生成整個系統所需的時鐘。該模塊主要由PLL(時鐘延遲鎖相環)和BUFG(全局時鐘緩沖器)構成。PLL和BUFG構成時鐘產生模塊，生成GTP收發器內所需的各種時鐘。

    (4)時鐘補償模塊(Clock Compensation Interface)：該模塊內嵌于數據傳輸模塊中，對整個Aurora模塊提供時鐘補償。由于信道兩端設備的參考時鐘必然存在或多或少的差異，時鐘相位偏差不可避免，為了保證接收端能正確地恢復數據，時鐘補償模塊必不可少。接收端根據接收數據流內嵌的時鐘補償信息對自身參考時鐘進行修正，以降低誤碼。

    (5)GTP/GTX接口模塊(Transceiver Interface)：吉比特收發器模塊，用于控制數據的收發。該模塊為Aurora協議中與物理層接口模塊，是Aurora模塊中最重要的模塊之一[7]。不過ISE軟件生成Aurora 例程之后，該接口模塊自動生成，普通的使用中幾乎不需要修改該模塊。

    在生成Aurora IP核后，必須對Aurora IP核進行正確配置才能正常使用，Xilinx的CORE Generator工具在生成一個Aurora IP核的同時還會生成一個示例工程，工程中包含了一些與Aurora IP核各功能模塊相對應的配置模塊，包括時鐘配置模塊（clock_module）、時鐘補償配置模塊（standardard_cc_module）、復位配置模塊（reset_logic）、幀發送配置模塊（frame_gen）、幀接收配置模塊（frame_check）。示例工程可以直接使用，但是需要進行修改才可以完成自己所需要的功能，一般需要修改工程中的幀發送配置模塊、幀接收配置模塊和時鐘補償配置模塊。

1.3 圖像發送接收配置及UFC通信設置

    紅外探測器接收到的圖像為640×512個像素，在Aurora的幀傳輸模式下，每幀圖像中的一行有640個字，用512幀可將圖像傳輸完畢。與此相對應，圖像接收模塊處于一直等待接收模式下，每次接收一幀，即為圖像對應的一行。

    通過配置用戶流控制模塊來進行兩個處理板之間的指令傳輸，發送UFC信息無需等待一幀數據發送完畢，可以先發送請求，請求被許可之后就可以立即發送。UFC信息最多可以一次發送8個字，即16 B的數據。對這8個字進行定義，用來進行通信，格式定義如表1所示。

    按照上述要求修改發送配置模塊、幀接收配置模塊，實現圖像發送和接收。ISE 生成的例程中的時鐘補償配置模塊由定時器產生DO_CC 信號，GTP 收發器模塊根據DO_CC 信號的有效長度來產生時鐘補償序列。如果直接使用會導致TX_DST_RDY_N信號不定期地無效，從而會引起在幀模式傳輸時不定期中斷，從而導致傳輸效率的下降。在實際應用中，以每幀640個字的方式進行傳輸。為了解決不定期中斷這一問題，重新設計了DO_CC 模塊。采用方式如下：

    (1)對時鐘周期USER_CLK進行計數，計數到5 000時做一個長度為10個時鐘周期的DO_CC，并將計數清零。

    (2)當需要發送圖像時，在每次發送一幀640個字之前做一個10個時鐘周期的DO_CC，并將計數清零；

    (3)當需要發送一個UFC通信時，在發送之前做一個10個時鐘周期的DO_CC，并將計數清零。

2 實驗驗證

    為了驗證所設計的通信平臺，設計了一個實驗驗證方案，方案如下：

    (1)探測器處理板將接收到的熱紅外圖像發送到信號處理板，圖像大小為513×640，以Aurora的幀模式，一幀發送一行，前512行為圖像數據。第513行為附加信息,513行的前兩個字為固定字符，用來作為圖像起始信號。在信號處理板上設置檢驗邏輯，根據在513行中設置的圖像起始信號，計算兩個圖像起始信號之間的幀起始信號rx_sof_n_i的個數,如果個數始終為513，則證明沒有丟行。同理，計算幀起始rx_sof_n_i和幀結束信號rx_eof_n_i之間的USER_CLK的個數，如果個數始終為640，則證明沒有丟字。

    (2)探測器處理板以UFC方式發送數據包，重復發送一萬次，在探測器處理板上將每次接收到的數據與發送數據進行比對，如果完全相同則計數器加1，如果計數值能夠達到10 000，則證明UFC通信沒有出錯。

實驗結果表明，在傳輸圖像時，沒有出現丟行和丟字的現象；在發送10 000個UFC數據包時，正確率為100%。圖3和圖4是分別是通過ChipScope[8]抓取的圖像傳輸信號和UFC傳輸信號。

圖3  圖像傳輸信號

圖4  UFC傳輸信號

    本文在基于Aurora IP核的基礎上構建了一個圖像高速傳輸和通信平臺，使得兩塊處理板之間的圖像傳輸和通信可以通過一根光纖實現，大大簡化了系統。通過實驗驗證，所構建的圖像高速傳輸和通信平臺工作性能穩定，其中圖像沒有出現丟行和丟字現象，基于UFC模式傳輸的通信連續發送10 000個數據包時沒有出現一個錯誤。目前所設計的圖像高速傳輸和通信平臺已應用于紅外成像跟蹤系統、雷達信號處理等場合。

參考文獻

[1] 張琳琳，張涌.Aurora協議在紅外告警系統中的應用[J].科學技術與工程，2012，12(21)：5308-5311.

[2] 陳長林，邱兆坤.RocketIO及其在高速數據傳輸中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用.2010(11)：25-28.

[3] Xilinx Inc..RocketIOTM transceiver user guide UG024 (v3.0)

     [EB/OL].(2007-02-22)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[4] Xilinx Inc..Virtex-5 FPGA data sheet：DC and switching characteristics DS202(v5.3)[EB/OL](2010-05-05)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[5] 岳振，顧海峰，李范鳴.基于Verilog HDL的一種絕對值編碼器實時讀出算法[J].微型機與應用，2013，32(3)：29-31.

[6] Xilinx Inc..LogiCORETM IP Aurora 8B/10B v6.1 user guideug766[EB/OL].(2010-09-21)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[7] Xilinx Inc..Aurora 8B/10B protocol specification SP002 (v2.2)[EB/OL].(2010-04-19)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

[8] Xilinx Inc..ChipScope Pro Tutorial：using an IBERT core with ChipScope Pro Analyzer UG811(v13.1)[EB/OL].(2011-04-01)[2014-04-28].http：//www.xilinx.com.

(收稿日期：2014-05-01)  

作者簡介：

岳振，男，1988年生，博士研究生，主要研究方向：紅外圖像處理及FPGA開發等。

李范鳴，男，1969年生，研究員，博士生導師，主要研究方向：紅外光電系統工程及信息與圖像處理技術。