512×512 MOS電阻陣列驅動控制方法研究

鐘國靂，廖守億，楊薪潔

512×512 MOS電阻陣列驅動控制方法研究

鐘國靂，廖守億，楊薪潔

（火箭軍工程大學 精確制導與仿真實驗室，陜西 西安 710025）

MOS電阻陣列是構成紅外成像目標仿真系統的關鍵核心設備，其投射出的紅外圖像的質量將直接影響紅外成像制導半實物仿真試驗的逼真度和可信度。針對新一代國產512×512元MOS電阻陣列工作方式的改變、像元規模與圖像數據傳輸量的倍增對驅動控制系統提出的更高要求，研究了與其配套的驅動控制方案。研究基于光纖數據傳輸、PCI-E高速總線、FPGA解決了高數據吞吐率、高精度時序信號生成問題，并設計了一種多路模擬信號高速建立的方法。經仿真驗證表明，該驅動方案可滿足512×512 MOS電阻陣列快照模式下圖像刷新率達到200Hz，單個像元灰度等級為16bit，為電阻陣列的實際工程應用提供了參考。

紅外成像制導；MOS電阻陣列；圖像刷新率；PCI-E總線；快照模式

0 引言

紅外成像目標仿真是紅外成像半實物仿真系統的關鍵和基礎，主要負責將上位機生成的紅外圖像實時轉換為具有真實紅外輻射特性的紅外熱圖像[1]，實現該過程需要一種物理轉換裝置，目前這類裝置主要包括MOS電阻陣列、數字微鏡系統（digital micromirror device，DMD）、紅外液晶光閥等[2]。其中，MOS電阻陣列由于具有溫度范圍大、可滿足高幀頻、高分辨率、模擬圖像的光譜波段寬等特點而得到了廣泛的應用[3]。512×512元MOS電阻陣列芯片作為最新一代紅外成像半實物仿真系統的圖像轉換器件，器件上有大量呈陣列分布的微型電阻作為紅外輻射元，每個輻射元可在對應像素的圖像輻射信號控制下被加熱或冷卻到不同的溫度[4]，從而將數字化的動態紅外圖像信息轉換為真實的二維紅外熱圖像加以顯示。

美國在該領域處于絕對領先地位，已研究并投入使用2048×2048像元的MOS電阻陣列[5]，圖像刷新率達200Hz以上，溫度分辨率為0.02K。近年來，國內128×128、256×256規格電阻陣列的驅動控制技術已非常成熟，如朱巖等人基于FPGA、雙端口RAM、PC104模塊等技術設計的128×128電阻陣列驅動控制方案[6]；黃勇等人基于FPGA、光纖、PCI總線以及分塊驅動等技術設計的256×256電阻陣列驅動控制方案[7]，均能穩定實現200Hz幀頻的圖像刷新率、像元灰度等級不小于12bit。而對于512×512元電阻陣列，由于其像元規模與圖像數據量的劇增以及單元控制電路由掃描模式改換為快照模式，導致在控制邏輯、數據傳輸速率、時序信號精度、多路模擬信號建立速度上面臨了新的挑戰，以往電阻陣列的驅動控制方案均無法滿足512×512電阻陣列的驅動控制需求。

因此，圍繞512×512電阻陣列的工作原理與性能需求，本文研究了一種與之適應的驅動控制方案。該方案可實現圖像數據的高速傳輸、高速D/A轉換、高精度時序控制信號生成，驅動512×512電阻陣列幀頻可達到200Hz幀頻，16bit像元灰度等級。

1 電阻陣列工作原理

1.1 快照工作模式

電阻陣列有掃描模式和快照模式兩種工作方式。快照模式下，各像元控制電路中有一對保持電容交替工作，一個用于存儲下一幀的溫度電壓信號，另一個用于在當前幀放電驅動發熱電阻，溫度電壓信號在一個幀周期內以掃描的方式逐個寫入各像元當前非放電的電容中，等待下一個幀同步信號的到來，然后在快照開關控制信號的控制下同時驅動全屏電阻，更新一整幀紅外圖像[4]；掃描模式下，各像元控制電路中僅有一個保持電容，在一個幀周期內，各像元同樣以掃描的方式逐個讀入溫度電壓信號，在讀入的同時，即刻開始給電阻加熱，并通過保持電容持續加熱電阻，當最后一行（列）被加熱像元的溫度穩定下來時即完成一幀紅外圖像的投射。

128×128、256×256規格電阻陣列均采用了電路結構相對簡單的掃描模式。而對于512×512元電阻陣列，由于其像元規模倍增的同時還需保持200Hz的高幀頻，若繼續沿用掃描模式，會出現當下一幀圖像開始投射時，上一幀圖像的末尾幾行（列）像元還未穩定或穩定時間過短的情況[8]，這樣會導致被測單元在半實物仿真試驗中無法探測到完整穩定的紅外圖像。因此，512×512元電阻陣列采用了快照模式，在此模式下，每個幀周期開始時全屏像元的電阻同時加熱，最大限度地延長了圖像穩定的時間，但此模式下會存在一幀圖像的延遲，這在半實物仿真中是可以接受的。

1.2 器件總體工作原理

快照工作模式下，當前幀圖像的投射與下一幀圖像的數據準備同時進行，圖像投射以及電容的切換由快照開關控制信號1、2控制（1、2＝01或10），當前幀圖像開始投射時，控制1、2將存放當前幀溫度電壓信號的電容加入放電回路，驅動全屏發熱電阻，并將上一幀的放電電容切換到充電回路，為下一幀圖像的投射做好數據準備。數據準備過程采用逐列分組掃描的方式對512×512個像元的電容進行均勻掃描充電，即整塊電阻陣列按列分為32組分別包含512×16個像元的區域，行選通移位寄存器依次選通電阻陣的512行，在其中一行被選通的時間內，32組列選通移位寄存器順序選通各組在該行的16個像元，各像元在被選通時讀入相應的溫度電壓信號。為防止相鄰列或相鄰幀切換時溫度電壓信號的競爭冒險和混淆，移位寄存器均在首端增添1位冗余位，一組（512×16個單元）的工作示意圖如圖1所示。

圖1 快照工作模式示意圖

2 驅動控制方案設計

2.1 圖像數據傳輸方案

對于512×512元電阻陣列，若控制數據為16位電壓或圖像數據，并且最高要達到200Hz幀頻，則要求圖像數據吞吐率可達：

可以看出，該規模電阻陣列對數據傳輸速率的要求是很高的，過去使用的33MHz、32bit PCI總線可達132MByte/s數據傳輸速率，看似仍舊可以滿足當前研究工作需求，但由于104.9MB已接近總線帶寬的80%，再考慮到數據傳輸過程中存在的各種時間損耗。因此，基于PCI總線，難以實現高速數據傳輸的要求。

本文采用了一種基于光纖和PCI-E總線的數據傳輸方案：在上位機圖形工作站的控制下，512×512紅外圖像數據通過PCI-E總線寫入光纖數據傳輸卡，再通過光纖傳輸至下位機驅動控制卡。光纖數據傳輸卡設計如圖2所示，位于工作站的戰場環境紅外圖像生成軟件生成512×512紅外圖像后，配置光纖數據傳輸卡的寄存器啟動硬件DMA，光纖數據傳輸卡DMA將圖像數據搬至板卡上的內存緩存，板上的光纖接口模塊根據DDR3中緩存的圖像幀數，對圖像數據進行組幀并通過光纖發送至下位機驅動控制器驅動控制卡中。光纖數據傳輸卡設計有數據下發通道和指令輸入通道，可通過指令輸入通道接收下位機驅動控制卡發出的同步時鐘脈沖，接收到該脈沖后，工作站才開啟新一幀圖像的渲染。

圖2 光纖數據傳輸卡功能組成框圖

2.2 驅動控制卡總體設計

驅動控制卡主要完成紅外圖像數據的接收并產生驅動512×512電阻陣列所需的時序控制脈沖及32路溫度電壓信號。驅動控制卡光模塊收到上位機光纖數據傳輸卡的數據后，進行數據處理，數據處理主要是解幀圖像并進行非均勻性校正處理，處理完成后得到D/A數據，將該電壓數據寫入乒乓緩沖模塊，完成數據的接收。驅動控制卡根據同步觸發信號，將晶振輸出的時鐘信號經過分頻和相移后，得到滿足掃描時序需求的各時序控制脈沖，并聯合D/A轉換控制邏輯，從乒乓緩沖中讀出當前幀D/A數據，控制D/A轉換，再在時序控制脈沖的驅動下將生成的32路并行溫度電壓信號送入電阻陣列，結合快照開關控制信號生成紅外圖像。

驅動控制卡總體設計原理如圖3所示，控制芯片采用FPGA實現，包括3個主要模塊：時序控制模塊、D/A控制模塊、乒乓緩沖控制模塊。此外還具備A/D采樣通道，采集電阻陣列組件所輸出的模擬電壓形式的襯底溫度信息，將其轉換為數字量傳輸至計算機，便于監控芯片的工作狀態；具備信號檢測模塊，接收掃描電路的輸出檢測信號EOS_X、EOS_Y，對掃描電路工作狀態進行判斷，并將兩信號差分轉換后傳輸至示波器顯示其波形。

2.3 時序控制模塊設計

在數據準備過程中，行、列掃描周期是兩個很重要的參數。紅外圖像實時投射的最高幀頻需要達到200Hz，那么其刷新周期為5ms，由圖3可得行掃描周期也即行選通移位寄存器的時鐘（X_CLK）周期為：

1＝5ms/513≈9.69ms (2)

列掃描周期也即列選通移位寄存器的時鐘（Y_CLK）周期為：

2＝1/17≈0.57ms (3)

式中：2也等于單個像元的選通時間。列、行驅動時序如圖4、5所示。

圖3 驅動控制卡工作原理

圖4 列驅動時序

圖5 行驅動時序

hQ、hQ分別為冗余行、冗余列。有效信號SYNC_X、SYNC_Y分別在時鐘X_CLK、Y_CLK信號的驅動下，在移位寄存器中進行移位并順序選通各行各列，但是相鄰的兩列在選通交替的瞬間時刻，有效信號的移位可能導致兩列之間產生潛在的通路，從而出現信號的串擾。為解決該問題，將列選通移位寄存器的門控信號Reset_Y與時序控制信號同步工作。在Y_CLK上升沿附近使Reset_Y保持d時間的低電平，讓列選通信號在此刻短暫的無效，如圖6所示。此時，各列也即各像元的選通時間為：

T＝2－d(4)

圖6 列選通隔離時序

2.4 D/A控制模塊設計

整個電阻陣列分為32組，由32路溫度電壓信號V1～V32分別驅動各組像元，每個像元對應的溫度電壓大小決定了該像元輻射溫度大小。本文以16位串行輸入D/A轉換芯片AD5541ABRMZ為例，改進了一種多路模擬信號高速建立的方法，可擴展使用到未來更大規模電阻陣列的驅動控制中。

該型D/A轉換器的模擬信號建立時間為1ms，而單個像元的選通時間略小于0.57ms，更大規模電阻陣列此時間將會更小，所以會面臨在像元選通的時間內無法完成對s信號的建立以及對保持電容充電的情況。為解決此問題，本文對每組像元使用3個D/A轉換器輪流建立其s信號，即當其中一個D/A轉換器的模擬電壓輸出端在對當前選通像元的電容充電時，其余兩個D/A轉換器正在分別建立后兩個像元的驅動電壓，這樣每個D/A轉換器將擁有兩個行掃描周期時間建立s信號，使每個像元選通時其對應的s信號都已建立完畢。每個D/A轉換器都需工作在雙緩沖模式下，即當某D/A轉換器完成對第個像元驅動的同時，立即將輸入寄存器中第＋3個像元的數據更新至鎖存器開啟新的s的建立，并將第＋6個像元的數據移入輸入寄存器，為下一次模擬信號建立做準備。該模塊的功能由狀態機實現，狀態轉移圖如圖7所示。

“IDLE”為空閑狀態，該狀態時D/A轉換器不工作。當每幀圖像同步觸發信號的上升沿到來時，進入“WRITE_DAC”狀態，同時啟動延時計數器“Cnt_dly”。“WRITE_DAC”狀態主要負責在行掃描信號選通冗余行期間，將前3個像元的控制電壓數據分別寫入到3個D/A轉換器的輸入寄存器，等到距第一個像元被選通的時刻剛好還有兩個列掃描時鐘周期時，狀態跳轉到“DAC1_Drive”。“DAC1_Drive”、“DAC2_Drive”、“DAC3_Drive”狀態分別控制3個D/A轉換器啟動模擬信號建立，同時讀入下一次需建立的電壓數據，它們之間順序跳轉的條件為行掃描信號的上升沿到來。經計算，每一組最后一個像元都由DAC3來驅動，所以當EOS_Y信號（行移位寄存器輸出檢測脈沖）的上升沿計數器計數值為513時，狀態由“DAC2_Drive”跳轉到“WAIT”，“WAIT”狀態僅起延時作用，目的是延時一個行掃描周期，確保最后一個像元的電容充電結束后狀態再跳轉到“IDLE”，等待下一幀掃描的同步觸發信號。

圖7 狀態轉移圖

2.5 乒乓緩沖控制模塊設計

本文使用32路雙端口RAM組成數據緩沖區，每路雙口RAM分別負責緩存一組像元的圖像電壓數據。該緩沖區使用“乒乓緩沖”技術，將每個RAM的存儲地址分為A區和B區，所有RAM的A區共同構成緩沖區的A區，所有RAM的B區共同構成緩沖區的B區。

乒乓緩沖控制模塊需負責的工作有：

1）將圖像生成計算機傳來的圖像數據分塊寫入32個雙口RAM，第1列到第16列的數據寫入第1片RAM，第17列到第32列的數據寫入第2片RAM，……第497列到第512列數據寫入第32片RAM，并根據坐標轉換表將冗余單元對應的地址內存入無效數據。

2）控制數據緩沖器進行“乒乓緩沖”。即在當前幀掃描周期內，D/A轉換控制模塊從A區按照坐標轉換表讀取數據，那么B區要同時進行下一幀圖像數據的寫入工作。當前幀掃描結束后，下一幀圖像掃描時所需數據就將從B區中讀取，同時A區再寫入新一幀的圖像數據[9]，如此循環往復。

3 仿真實驗

在QuartusII軟件中將各模塊例化到一個頂層文件中，做好各模塊之間的聯結，再為該文件編寫一個testbench仿真文件，在文件中模擬驅動控制卡所需的所有輸入信號，如圖3所示。運行ModelSim軟件對其進行調試與驗證，在各輸入信號的驅動下觀察系統的各路輸出信號。各模塊的仿真結果如圖8、9、10所示（僅截取主要部分，圖中箭頭與文字均為后期標注）。結果顯示：輸出的時序信號滿足前文分析所得時序指標，幀頻可達到200Hz，可有效避免信號串擾；每組3個D/A轉換器按照預先規劃有序地協同工作，能滿足16bit像元灰度等級與高速模擬信號建立需求，同時驗證了該方法的理論有效性，可在更大規模電阻陣列的驅動控制中，D/A轉換器硬件性能不足以支撐所需的轉換速率時沿用此思路；乒乓緩沖過程穩定進行，解決了驅動控制卡數據接收速率與D/A驅動模塊數據讀取速率不匹配問題，實現了數據讀寫和D/A掃描的有序銜接，保證了溫度電壓信號s的穩定生成。

4 結束語

若將電阻陣列看作為整個紅外成像半實物仿真系統的“顯示器”，那么驅動控制卡就扮演著顯示適配卡的角色。因此，本文研究的是整個紅外成像半實物仿真系統的基礎，詳細介紹了512×512元電阻陣列的結構與工作原理，給出了驅動控制卡的總體方案，分析了其驅動控制時序、D/A以及數據緩沖等相關需求。最后結合方案與需求完成了主要模塊的FPGA程序設計并進行了仿真驗證，實現了預期功能，為512×512元MOS電阻陣列的實際工程應用提供了參考。

圖8 時序控制模塊仿真結果

圖9 D/A控制模塊仿真結果

圖10 乒乓緩沖控制模塊仿真結果

[1] 李賾浩, 廖守億, 張作宇. 電阻陣列非均勻測試與矯正方法研究[J].激光與紅外, 2020, 50(1): 67-73.

LI Z H, LIAO S Y, ZHANG Z Y. Research on non-uniform testing and correction method of resistor array[J]., 2020, 50(1): 67-73.

[2] 范永杰, 金偉其, 朱麗紅. 紅外場景輻射模擬技術發展[J]. 紅外技術, 2013, 35(3): 133-138.

FAN Y J, JIN W Q, ZHU L H. Development of dynamic infrared scene projection technique[J]., 2013, 35(3): 133-138.

[3] 李根焰, 王茜, 馬海濤, 等. 紅外圖像生成技術綜述[J]. 紅外, 2015, 36(6): 1-6, 12.

LI G Y, WANG Q, MA H T, et al. Overview of infrared image generation[J]., 2015, 36(6): 1-6, 12.

[4] 李鑫. 基于MOS電阻陣列的紅外場景仿真系統驅動技術研究[D]. 上海: 中國科學院研究生院, 2015: 7-9.

LI X. Research on the Driving Technology of Dynamic Infrared Projector Based on MOS Array[D]. Shanghai: Graduate School of Chinese Academy of Sciences, 2015: 7-9.

[5] 孫嗣良, 黃勇, 馬斌, 等. 基于回路的MOS電阻陣單像素紅外模型建模方法研究[J]. 紅外與激光工程, 2019, 48(12): 283-292.

SUN S L, HUANG Y, MA B, et al. Research on infrared single pixel modeling for MOS resistor array based on loop[J]., 2019, 48(12): 283-292.

[6] 朱巖, 蘇德倫, 廖守億, 等. MOS電阻陣列驅動控制器設計[J]. 紅外技術, 2009, 31(7): 377-380, 385.

ZHU Y, SU D L, LIAO S Y, et al. Design of drive-and-control unit for resisitor array[J]., 2009, 31(7): 377-380, 385.

[7] 黃勇, 吳根水, 趙松慶, 等. 256×256元MOS電阻陣列驅動方法研究[J]. 航空兵器, 2013(6): 39-42.

HUANG Y, WU G S, ZHAO S Q, et al. Research of driver method for 256′256 MOS resistor array[J]., 2013(6): 39-42.

[8] 陳世軍. 電阻陣列紅外景象產生器工作模式的研究[J]. 激光與紅外, 2010, 40(3): 307-311.

CHEN S J. Research on operating mode in resistor array DIRSP[J]., 2010, 40(3): 307-311.

[9] 趙松慶, 吳根水, 劉曉寧, 等. 256×256元MOS微電阻陣列動態場景生成裝置[J]. 航空兵器, 2015(6): 40-45.

ZHAO S Q, WU G S, LIU X N, et al. 256′256 unit element MOS minute resistance array dynamic scene producing device[J]., 2015(6): 40-45.

Drive-and-control Scheme for 512×512 MOS Resistor Array

ZHONG Guoli，LIAO Shouyi，YANG Xinjie

(,,710025,)

The metal oxide semiconductor (MOS) resistor array is the key core device of infrared imaging target simulation systems. The quality of its projected infrared image directly affects the fidelity and reliability of infrared imaging guidance hardware-in-the-loop simulation tests. As the new generation domestic 512′512 MOS resistance array work mode and the multiplication of pixel scale and image data transmission resulted in higher requirements for drive control systems, the appropriate drive-and-control scheme was studied. The study was based on optical fiber data transmission and a PCI-Express high-speed bus and field programmable gate array. The problems of high data throughput and high-precision timing-signal generation were solved, and a high-speed establishment method for multi-channel analog signal was designed. The simulation verification showed that the drive-and-control scheme can reach a refresh rate of more than 200Hz in the snapshot mode of the 512×512 MOS resistance array, and the gray-scale of each pixel was 16 bits. This study provides a reference for practical engineering applications of 512×512 MOS resistor array.

infrared imaging guidance, MOS resistor array, image refresh frequency, PCI-E bus, snapshot mode

TN214

A

1001-8891(2022)10-1052-07

2021-09-24；

2022-02-16.

鐘國靂（1998-），男，碩士研究生，主要研究方向為導航制導與仿真。E-mail：1135763789@qq.com。

廖守億（1974-），男，教授，博士生導師，主要研究方向為紅外成像制導半實物仿真，復雜系統建模與仿真的研究。E-mail：6127725@qq.com。