项目信息
项目名称:非制冷红外热像仪  
项目信息:
应用领域:工业控制、科研、医疗
设计摘要:
红外线是一种电磁波,它处于电磁波的特定区域,其波长范围在太阳光谱中处于微米波和厘米波之间,即0.76-1000 的区间,也即微米波中紧靠厘米波的一段。根据国际照明委员会(CIE)的建议,红外线被分为以下三个类别:红外线-A(IR-A)(700nm-1400nm);红外线-B(IR-B)(1400-3000nm);红外线-C(3000nm-1 )。理论上讲,任何物体,只要其温度高于绝对零度(-273℃)就会从其表面辐射出远红外线。红外线在医学、军事、食品等领域都有着广泛的应用。
本项目的目的为实现一个非制冷的红外成像系统,其主要用于医学红外成像。
系统原理和技术特点:

 

1. 红外成像系统组成原理

红外成像系统主要是通过红外探测器将外部的红外线转换为可以供电子系统采集的电能,通过探测器读出电路读出响应的电子信号,最后通过后期的处理将其转变为可视性较强的红外图像信息。系统具体的框架图如图1-1所示

 

1‑1红外成像系统框架图

 

红外图像处理系统主要的系统架构有FPGA+DSP的系统架构和单FPGA的系统架构。本设计中为了达到设备的小型化特点,使用了单FPGA架构。

2. 非制冷探测器

非制冷探测器采用的是ULIS公司的384288的非制冷红外探测器。ULIS是法国SOFRADIR公司的子公司,其专门负责生产非制冷红外焦平面阵列。本系统中采用的是UL03191非制冷微测辐射计。探测器的敏感区域为8-12的红外长波段。探测器包括一个由无定形硅制成的384288的二维检测器阵列,硅读出集成电路(ROIC)以及热电冷却器(TEC)

 

1‑2微测辐射计的外形图

 

1‑3探测器的光谱响应

 

该微测辐射计由384288的二维阵列组成,其敏感面积为9.69.6,每个像素点的尺寸为2525。探测器的典型响应值为10mV/K

探测器支持最高每秒50帧的模拟视频数据输出。

同时,探测器还支持转换增益的变换以及窗口大小的变换。增益变换可调节为11.33。窗口大小可支持:392296384288以及320240

 

1‑4探测器窗口尺寸

 

3. 探测器读出电路

CMOS读出电路(ROIC)可以在大背景电流下提取微弱的信号。ROIC电路的结构允许微型探测器用图像减法去除大背景电流,进而提取有用信息(信息提取功能)。用这种方法,探测器就可以对信息进行逐行取样,然后通过多路复用器传输将信息传送到输出端。

 

5 探测器内部读出电路模块

 

如图1-5所示,图中Pixel Array为探测器读出阵列,Skimming为探测器共同的背景电流模块。探测器读出的信号减去背景电流模块的共同背景电流,其经过积分电路,最后通过一个多路复用器将模拟信号输出。

 

6 探测器像素读出结构

 

在每一行的末尾采集的电流都在电流电压转换模块中进行积分处理。这一模块受到一个电容跨阻抗放大器(CTIA)的影响。具体结构如图1-6所示。通过改变电容的数值,能够达到放大倍数改变的效果。

探测器整体的读出控制由外部的三个数字信号控制——MCINTRESET,其时序如图1-7所示。

 

7 探测器读出时序图

 

4. 数字成像系统

4.1 AD电路数据采集电路

A/D数据的转换是采集数据进入数字系统进行处理的第一步。AD的选择关系到整个系统的后期数据的精度。一般选择AD时,需要考虑到噪声、带宽、数据转换速率、分辨率、积分非线性(INL)、差分非线性(DNL)等。

UL03191探测器是主时钟频率最高为14.5MHz,信号的动态输出范围为1.0V-4.2V,响应率为10,噪声等效温差小于100mK。由此从式可以大致确定AD的采样位数13位以上。

                                                                                        21

虽然探测器的主时钟最高频率为14.5MHz,但实际中使用的频率多为5MHz6MHz。所以AD的转换速率至少应为6MHz

根据以上信息以及功耗、噪声、精度等要求,系统选择了ANALOG DEVICE公司的高速AD9240。其主要特点如下[24]

l  单片集成的有效位数14位、采样速率可达10MSPSAD转换器

l  低功耗:285mW

l  单电源+5V供电

l  积分非线性:2.5LSB

l  差分非线性:0.6LSB

l  片上采样保持放大器以及电压比较

l  信噪比:77.5dB

l  无失真动态范围:90dB

AD9240需要一个外部参考电压输入——VREF。系统中采用的基准电源芯片为ADR3425。其具体配置方式[25],如图2-7所示:

 

8 ADR34XX基本连接图

 

4.2 FPGA及其周边电路

XC3SLX100XILINX公司Spartan-6系列中的一款芯片。

Spartan-6 FPGAXilinx的低成本、低功耗FPGA。第六代Spartan系列基于低功耗45nm9金属铜层、双栅极氧化层工艺技术,以及高级功耗管理技术。此系列含最多150000个逻辑单元、集成式PCI Express模块、高级储存器支持、250Mhz DSP Slice3.125Gbps低功耗收发器。可提供的密度从3840个逻辑单元到147443 个逻辑单元不等。与上一代Spartan系列相比,该系列功耗仅为其50%,且速度更快、连接功能更丰富全面。Spartan-6 系列采用成熟的 45nm 低功耗铜制程技术制造,实现了性价比与功耗的完美平衡,能够提供全新且更高效的双寄存器 6 输入查找表(LUT)逻辑和一系列丰富的内置系统级模块,其中包括18Kb(2 x 9Kb)Block RAM、第二代 DSP48A1 SliceSDRAM 存储器控制器、增强型混合模式时钟管理模块、SelectIO™ 技术、功率优化的高速串行收发器模块、PCI Express® 兼容端点模块、高级系统级电源管理模式、自动检测配置选项,以及通过 AES Device DNA 保护功能实现的增强型 IP 安全性。这些优异特性的易用性为定制 ASIC 产品提供了低成本的可编程替代方案。Spartan-6 FPGA 可为大批量逻辑设计、以消费类为导向的 DSP设计以及成本敏感型嵌入式应用提供最佳解决方案。Spartan-6 FPGA 奠定了坚实的可编程芯片基础,非常适用于可提供集成软硬件组件的目标设计平台。系列的特性总结表如下[26]

 

2‑1 SP6系列芯片内部资源

 

  2‑2

研究方向: (1)红外、可见光、超声成像及图像的智能增强识别技术
(2)基于电化学原理的生物传感器设计技术
(3)微流控芯片控制检测一体化设计技术
(4)多生理参数信息融合技术(包括心电、脑电、眼电以及肌肉电等)
(5)基于zigbee物联网的综合参数现场监控技术
参赛情况: OpenHW2014开源硬件与嵌入式计算大赛
需求信息:
拟采用的平台:Nexys4
是否需要设计扩展板?
需要的基本功能:
最新版本:
暂无发布的版本信息   了解目前项目的开发进度
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