[发明专利]基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及红外数字图像注入式仿真技术，具体来说是一种基于USB3.0的高速数据传输的红外注入式仿真系统及方法，它主要用于为红外图像实时信号处理平台提供仿真环境。

背景技术：

红外光电成像探测设备通常是由红外成像传感器和实时图像信号处理平台两部分构成。实时图像信号处理平台的主要任务是将红外成像传感器发送过来的图像信号进行分析处理，利用相应的算法从复杂背景中检测出特定目标，对目标进行跟踪或识别。红外光电成像探测设备的性能好坏在很大程度上取决于目标检测和跟踪算法的实现情况，在研制过程中需要反复验证。正因为如此，各种仿真试验和仿真系统的设计便应运而生了。

仿真试验主要有两种类型，数字注入式仿真与半实物仿真。前者花费低且灵活性高。传统的红外注入式仿真系统一般是基于USB2.0接口或者PCI总线的。USB2.0最高的总线传输速率能达到60MByte/s，但是考虑到协议开销、数据发送进程优先级等因素，实际使用过程中发现只能达到20MByte/s的平均传输速率。对于图像分辨率为320x256的一帧红外仿真图像，如果数据精度为14-bit，那么受到USB2.0数据传输速率的限制，帧频只能达到100帧/s的水平；更严重的是，如果要配合一些大面阵、多波段探测的红外光电成像探测设备，其每一帧全景图像数据大小就达到了大约21.75MByte，结合实际帧频要求之后平均数据传输速率不低于30MByte/s。因此，USB2.0总线的传输带宽是无法满足高速的红外数字图像注入式仿真系统的。

PCI是CPU和系统总线之间的一级局部总线标准，其传输速率高于USB2.0。最新的PCI-E总线标准在传输速率上更是突飞猛进，采用了点对点串行连接方式，规定总线可以拥有1～32个通道的多种规格，每个通道的单向传输速率可以达到2.5Gbit/s，可以满足高速传输的要求。但是PCI总线不支持热插拔，也不利于做成便携式设备，应用普及程度远不及USB接口那么广泛。

因此设计一个能够实现高速数据传输、体积小巧、便携性强的红外数字图像注入式仿真系统非常必要。2008年新的USB3.0协议制定并发布，支持该协议的商用控制器及接口芯片也于2009年下半年推出。新协议规定计算机与外围设备能够以超高速模式下5Gbit/s的传输速率通信，是USB2.0高速模式下的10倍，非常适合红外注入式仿真系统的高速传输要求。同时，利用FPGA作为接口控制器和SDRAM控制器的设计，可以充分发挥FPGA可重复配置、实时性控制性能好的特点，在编程时能够合理地划分数据交换模块和时序逻辑控制模块。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于USB3.0的红外数字图像注入式仿真系统及方法，解决红外注入式仿真数据传输速率低、实时性差的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的硬件平台主要包括主机和红外数字图像注入式仿真器。

各个硬件组成部分需要满足：所述的主机具有USB3.0接口。所述的红外数字图像注入式仿真器包括一片USB3.0控制器芯片，一片FPGA，一片DDR2SDRAM以及外围设备接口。所述的USB3.0控制器芯片具有一个连接主机的USB3.0接口，和一个连接外部设备的GPIF II接口。所述的FPGA具有存储器控制器模块(MCB)。所述的DDR2SDRAM具有1Gbit存储容量和16位数据总线。所述的外围设备接口具有与后级的红外图像实时信号处理平台相匹配的接口。

各个硬件组成部分的连接关系为：主机和红外数字图像注入式仿真器之间通过USB3.0传输线缆连接；注入式仿真器和红外图像实时信号处理平台之间通过外围设备接口连接。

本发明具体实现红外注入式仿真的流程如下：

步骤1：通过固件程序设计将USB3.0控制器芯片配置成从器件FIFO(Slave FIFO)模式，建立一个DMA传输通道；

步骤2：主机通过USB3.0接口将红外仿真图像数据发送到USB3.0控制器芯片的从器件FIFO(Slave FIFO)中；

步骤3：利用FPGA中的图像数据接收模块不间断地读取从器件FIFO(Slave FIFO)中主机发送过来的数据，并在输入FIFO缓冲单元中进行缓存；

步骤4：通过FPGA内建的图像数据缓存模块中的SDRAM控制单元将输入FIFO缓冲单元中接收到的数据写入DDR2SDRAM中；

步骤5：SDRAM控制单元将缓存在DDR2SDRAM中的红外仿真图像数据读回并写入输出FIFO缓冲单元中；