（光学工程专业论文）基于pxa270的红外热成像测温系统.pdf

硕士论文 基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 摘要 红外热成像测温系统是一种二维的热图像成像和温度测温装置，该系统利用目标与 环境之间由于温度辐射和发射率的差异所产生的热对比度不同，把红外辐射能量密度的 分布探测并显示出来，成为“热像，然后根据已获取的灰度图像的某处的灰度值，显 示出该处对应的温度( 或平均温度) 的一种非接触式测温系统。 本文从宏观和系统的角度出发，围绕i n t e lp x a 2 7 0 主处理器详细介绍了热成像测 温系统各主要组成部分的指导理论、详细设计( 包括软件设计和硬件设计两部分) 及其 功能，尤其是存储介质方面的理论基础和详细设计，完成后该系统可将图像和语音存储 在s d 卡或内置f l a s h 上，备存档及计算机分析之用。 该系统实现了丰富的测温视频显示功能，可从液晶屏和寻像器获得清晰的伪彩色图 像。系统工作稳定，可靠性高，具有最高温度实时追踪、点测温、区域测温、线测温、 等温线分析等功能。 关键词：热成像测温，p x a 2 7 0 ，s d 卡，视频显示 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r ac t i rt h e r m a li m a g i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mi sat w o d i m e n s i o n a lt h e r m a l i m a g i n gd e v i c e ， w h i c hi sb a s e do no p t i c a l - e l e c t r oc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y a n df i n a l l yi t c o u l dd i s p l a yi n f r a r e di m a g e so ft a r g e t s ， a n dc o u l dt e l lt h eu s e rw h a tt h et e m p e r a t u r eo fa p o i n t ( o ra v e r a g et e m p e r a t u r eo fa na r e ao ral i n e ) i s ，a c c o r d i n gt ot h eg r a yv a l u eo f t h e p o i n t ( t h ea r e ao rt h el i n e ) t h es y s t e mr e a l i z ea b u n d a n t l yt e m p e r a t u r em e a s u r i n gv i d e o d i s p l a yf u n c t i o n ， m a yr e c e i v el e g i b l ep s e u d o c o l o ri m a g ef r o ml c da n dm o n i t o r t h em a i np r o c e s s o ro ft h i ss y s t e mi si n t e lp x a 2 7 0 ，a n dt h i sp a p e ri n t r o d u c e sa l lk i n d s o ff u n c t i o n s ，t h eg u i d i n gt h e o r ya n dd e s i g no fe a c hp a r t sb a s e do ni n t e la r mp x a 2 7 0i n d e t a i l s ( i n c l u d i n gh a r d w f a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ) ， f r o mt h em a c r op e r s p e c t i v eo f t h es y s t e m o n ec h a p t e rf o c u so ni n t r o d u c i n gt h et h e o r ya n dd e s i g no fs dc a r d u s e r sc a l ls a v e k i n d so fd a t ai n t os dc a r d ( f o re x a m p l ei m a g e sa n ds o u n df i l e s )i no r d e rt os t u d y e x p e r i m e n t si n d i c a t e ： i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n ga n dt e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e mi s s t e a d ya n dc r e d i b l e c o m p a r e dw i t ht h ec o n g e n e rh i g h - c o s tp r o d u c t si na b r o a da n dh o m ei t s i m a g eq u a l i t ya n dt e m p e r a t u r em e a s u r i n gp r e c i s i o n a r ev e r yp e r f e c t k e y w o r d s ：i n f r a r e d t h e r m a li m a g i n ga n dt e m p e r a t u r em e a s u r i n gt e c h n i q u e ，p x a 2 7 0 ，s d c a r d ，v i d e od i s p l a y i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：匿霾兰圣 砌雷年月，o 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：刃嘭年6 , 目t o 日 硕士论文 基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 l 绪论 红外测温技术作为一门非接触性测温技术在温度测量领域内已有一定的历史，它与 传统测温方式相比有很多优点：1 ) 它的测量不干扰被测温场，不影响温场的分布，因 此具有较高的测量准确度，温度分辨率达到o 0 1o c ；2 ) 测温范围宽，红外测温的方法 在理论上无测量上限；3 ) 红外测温与用普通接触式温度计测温不同之处在于它不需要 与测温对象达到热平衡就能读出被测物体的温度，所以测温速度非常快，可实时观测， 适于快速与动态测量；可以对高电压和大电流的导线、正在运转的机器、远距离难于接 近的物体等测温对象进行温度测量；5 ) 可以确定微小目标的温度；6 ) 可实现实时观测 和自动控制，测量距离也可近可远，并且可以夜间作业。由于上述传统测温技术无法比 拟的优势，目前红外测温技术已在电力工业、石油化工、航天航空、质量检测及冶金等 领域中获得广泛应用。 1 1 红外热成像测温系统的简介及现状 本课题开发的红外热成像测温系统是在红外热像仪的基础上，根据实际应用过程中 的需要，经过仔细的研究分析和设计，加入了在一定范围内的温度的测量功能，从而实 现了红外热成像和非接触式测温的结合。 1 1 1 红外热像仪的分类 红外热成像系统分为制冷型和非制冷型。制冷红外热像系统又有一代、二代和三代 之分。第一代红外热成像系统主要由红外探测器( 含致冷器) 、光机扫描器、信号处理 电路和视频显示器组成。红外探测器通常使用的有铟锑( i n s b ) 和碲镉汞( c m t ) 器件， 目前发展的是高性能多元c m t 探测器，器件元数已高达6 0 元、1 2 0 元和1 8 0 元。多元 c m t 器件不但提高了探测度，而且可以增大视场，提高分辨率和信噪比，并可在3 5 m 和8 1 4 m 两个大气窗口波段下工作。2 0 世纪8 0 年代初，又有一种称为s p r i t e 的新 型红外探测器( 或称扫积型探测器) 问世，它是由n 条纵横比大于1 0 ：1 的窄条光导c m t 元件所组成，在高偏压下工作。s p r i t e 探测器除了具有探测功能外，又能在元件内部实 现信号的时间延迟和积分，从而取消了普通线列器件所需的后接信号处理电路，减少了 元件引线和热负载，使红外系统简化紧凑，工艺难度下降，大大提高了可靠性。目前美 国的热成像通用组件采用多元( 6 0 元、1 2 0 元、1 8 0 元) c m t 探测器，并扫体制，图像 清晰度可与采用图像增强技术的图像相比，最小可分辨温差达0 1 k 。 第二代红外热成像系统与第一代通用组件相比，它的响应速度更快、分辨率更高、 视场更大、尺寸更小、质量更轻、可靠性更好、能耗更少、自动化程度更高，且应用范 l 绪论硕士论文 围更广。第二代热成像系统采用位于光学系统焦平面、具有，2 xm 元且带有信号处理的 面阵探测器，即红外焦平面探测器阵列( i r f p a ) 。它是借助集成电路的方法将探测器装 在同一块芯片上，并利用极少量引线把每个芯片上成千上万个探测器信号传输到信号处 理器中。这种焦平面阵列的优点是，既能在焦平面上封装高密度探测器，又能在焦平面 上进行信号处理。红外焦平面阵列是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物，有 两种工作方式：一种是扫描式，其阵列规模多在5 0 4 - - - - 1 0 0 0 x 3 2 元之间，前一数字表 示分辨通道的数目，后一数字决定时间延迟和积分的次数；另一种是凝视式，其阵列规 模在3 2 3 2 - - - 5 1 2 5 1 2 元之间。阵列中元数越多，能获得视场景物的分辨率就越高。 目前红外焦平面凝视式阵列( 俗称第三代红外热成像器件) 已日趋成熟，除3 2 x 3 2 和 6 4 6 4 元凝视式中波红外阵列外，5 1 2 5 1 2 元高密度c 册阵列也已经阀世。 红外探测器是红外成像系统的核心部件，而红外探测器则分为光子探测器和热探测 器两大类。虽然光子探测器如碲镉汞( h g c d t e ) 探测器( 工作在8 1 4 m 波段) 和锑 化铟( i n s b ) 探测器( - f 作在3 - - - 5 m 波段) 的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都 比较高，但必须用低温致冷器进行制冷，而且红外成像系统几乎都要使用机械扫描装置， 因而整个红外成像系统显得结构复杂、体积大、成本高，尤其是昂贵的价格不仅限制了 它在军事上的普遍应用，而且也使商业( 民用) 用户望而却步。所以研究开发轻、小、 低成本的非致冷焦平面( u f p a ) 及其成像系统成为了一种必然的发展趋势。近年来，军 用、民用的低成本非致冷焦平面及其成像系统飞速发展，标志着这门高新技术的美好前 景。非致冷热成像技术采用热电探测器探测景物的热辐射，利用热电探测器对红外辐射 引起的温度变化敏感，而温度变化速度和探测器某些电参量成正比，通过光电和电光转 换成像。其主要优点是可以在一般环境温度下工作，不需要致冷；缺点是灵敏度低和响 应速度慢。非致冷焦平面的出现和应用标志红外技术的又一次革命，拓宽了红外热成像 技术发展领域。目前研制非制冷焦平面阵列( u f p a ) 的两大代表是以德克萨斯仪器公司 ( t i 公司) 为首的热释电u f p a 和霍尼威尔公司为首的微测辐射热计u f p a p - 4 l i ：2 9 l 。 1 1 2 红外热成像测温系统的简介 本课题研究的红外热成像测温系统是在红外热像仪的基础上再次开发而成的，热像 仪是一种利用红外探测器将不可见的红外辐射转换成可见图像的被动成像仪器。是目前 发展较快、性能较高的现代化多层次多方面应用中不可缺少的重要的红外辐射测温系 统，也是一个国家军事力量的一个重要技术指标。到目前为止，红外热像仪还在不断发 展中，并且不断地从军用转向民用。 由于目前红外器件发展的限制，红外热成像测温系统的成像效果还不够理想，主要 表现为红外图像中噪声较大，对比度较低，视觉效果不好，分辨图像细节能力比较差等 缺点，影响了红外热成像系统在实际应用中的应用效果。因此，在本课题中，为了解决 2 硕士论文 基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 以上所有问题，加入了各种实时图像处理功能。实时图像处理技术能在现有的条件下不 仅能提高红外图像质量、增大作用距离，更主要的是它能在较短的时间内迅速改善和提 高红外热成像测温的各项性能指标，提高了系统的测温精度。因此，本课题在开展红外 热成像测温系统整机研制的同时，极力进行着红外图像实时处理技术的研究。其核心任 务是研制模块化红外图像实时处理系统，从而有效地提高红外热成像系统的动态范围、 抑制图像噪声、消除非均匀性、改善图像质量。 实时图像处理系统必须具有快速处理巨大数据量的能力，以一幅分辨率为3 2 0 2 4 0 的1 6 位灰度图像为例，其包含的数据量为1 5 3 6 k 个字节，这还仅仅是一帧图像，因此 要想保证系统处理的实时性，系统的快速处理能力和大数据量的吞吐能力是其先决条 件。其次，对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求，因为最终相当部分的热 成像系统都要应用于军事，较小的体积、较低的功耗和良好的稳定性是其基本要求。 实时图像处理算法中经常用到对图像的求和、求差运算、二维梯度运算、图像分割 及区域特征提取等不同层次、不同种类的处理。因此，实时图像处理系统是运算速度高、 运算种类多的综合性信息处理系统。 我国是从八十年代中期开始进行红外图像的实时处理技术的研究工作，红外图像由 于其自身的特点，处理的方式与处理可见光图像的方式不完全相同，其基本的处理内容 为图像畸变的校正、函数变换、直流恢复、非均匀性校正、对比度与亮度调节、查询处 理以及图像平滑、图像增强( 线间积累、帧间积累、中值滤波、直方图处理、像素倍增) 等处理功能。红外图像处理功能对处理速度要求比较高，新型高性能的处理实现比较困 难 6 - 1 0 1 。 在实时图像处理算法取得较理想效果的同时，加入了温度测量的功能，通过精密的 计算，实现了被去除各种噪声之后的图像各像点的灰度到温度的转换，具体的原理和方 法在3 2 节和5 5 节都有具体的介绍。 经过深入的研究分析，考虑到红外测温系统需要较强的可操作性，同时也需要较多 的人机交流，因此考虑到d s p 和a r m 两种功能侧重点不同的处理器在应用中的方便性和 使用性，选用i n t e l 公司生产的a r mp x a 2 7 0 作为主处理芯片( 两者功能方面的详细比 较请见2 2 3 小节) ，其在系统控制方面的优越性以及低的功耗使得整个系统在研发和 实用过程中，大大缩短了开发周期，降低了人力和物力成本，使得红外热成像测温系统 具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时，可 大大降低成本。 1 2 红外热成像系统的主要性能及参数 本课题研究的红外热成像测温系统采用s o f r a d i r 公司的u l 0 10 1l 型非制冷焦平 面红外探测器，物体的红外热谱图经过光学成像镜头以及一系列的去噪处理，以高清晰 3 l 绪论硕士论文 度、高灵敏度的伪彩图像方式在液晶屏上显示，并可对程序所指定的点( 或线或区域) 上的温度进行非接触式测量和显示，同时可选取实时的图像信息进行语音注解后一并存 储在s d 卡或内置f l a s h 上，以备存档及计算机分析之用。系统新增加了内置f l a s h 功能，使在未携带s d 卡或s d 卡贮存满时也可存贮图像。该系统拥有方便实用的外壳 设计，使其可外配固定于设备上或以手持方式使用的高清晰v g a 液晶屏进行图像的观 察和温度的测量。 本课题开发的红外热成像测温系统，所能达到的主要性能参数如下： 表1 2 1红外热成像测温系统性能参数 类型整体热敏电阻焦平面( 非制冷) 分辨率 3 2 0 2 4 0 探测器波长范围 8 7 。1 4 9 m 热响应时间 4 m s 热灵敏度 0 1 3 0 c 视场角2 1 1 0 1 5 8 。手动调焦 镜头参数 聚焦范围 0 3 m 测温范围 2 0 一2 5 0 温度测量 测温准确度读数的士2 或士2 取火者 介质类型s d 卡 存储介质容量 2 5 6 m 语音记录时间随存储介质容量改变 电池7 2 v ，持续2 小时 电源 外接电源 8 4 v d c 操作温度范围2 0 + 5 0 环境参数 存放温度 4 0 + 7 0 1 3 本文的主要工作 本文主要研究红外热成像测温系统中的两个部分：红外热成像测温系统的理论基础 以及该系统的存储介质的设计，因此，在仔细研究分析了红外图像的特征、红外测温的 原理、红外图像的成像机理、红外图像显示格式的之后，主要做了如下的研究工作： ( 1 ) 红外热成像测温系统的系统可行性分析及其两个主要功能模块：红外热成像组 件和红外测温组件的理论基础的研究，使整个系统的设计尽可能地简化，少走 弯路。 4 硕士论文基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 ( 2 ) 系统的整体构架、各功能模块的结构框架的分析和整理，使系统各部分功能细 化、模块化，尽量降低设计难度；完成视频显示系统硬件平台的设计、调试以 及系统各组件的装配联调， ( 3 ) s d 卡工作原理和通信原理的研究分析，导航键的设计。实现了红外热成像测 温系统图像和声音信息的随时存储和读取，以便及时地对各项数据进行研究分 析。 ( 4 ) 完成了部分数字图像处理程序的编写调试，如盲元校正，非均匀性校正，直方 图均衡，灰度标定等，使得显示图像更便于人眼观察分析，从而获得更准确的 测量温度， 在此基础上，经过本课题组各个成员通力合作完成了红外热成像测温系统的整机研 制。该整机小巧、轻便，便于携带，可分别对动态视频图像和静态图像进行实时伪彩色 显示、指定点、线温度显示和指定区域平均温度计算、显示等，实现了非接触高精度温 度测量。 5 2 嵌入式系统与a r m 开发硕士论文 2 嵌入式系统与a r m 开发 本课题开发的红外热成像测温系统，以i n t e l 公司生产的a r m 系列产品之一的 p x a 2 7 0 芯片作为主处理器，进各种图像的处理、温度的计算以及各种数据的存储( 包括 声音和图像文件的录入和存储) 等，p x a 2 7 0 拥有的q u i c kc a p t u r e ( 快速拍摄) 、w i r e l e s s m m x ( 无线m m x 指令) 和w i r e l e s ss p e e ds t e p ( 无线动态节能) 技术，大大的提升了多 媒体处理能力；同时还在保证c p u 性能的情况下，最大限度地降低了移动设备的功耗。 p x a 2 7 0 的操作系统是可选的l i n u x 或w i n c e 嵌入式操作系统，嵌入式系统几乎包括 了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、电视机项盒、手机上网等。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。 它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬 件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快 等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关 支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器、微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、 图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量 的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件 部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制着系 统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 6 硕士论文基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 ，v ，互穆动电话 镪能赢店 簸控设备， 智能大楼 ，嗽 、p 。：、 7 家用电器 。| j j， 一，糍概摄像 ，视嘶设蓥 ，o 飙嚣火 ，汽攀 】= 厂生产线 电机 羧制 图2 1 1 嵌入式系统的应用和组成 嵌入式系统已经深入到我们生活的每一个角落，如图2 1 1 所示。它所涉及的领域 广泛到我们的想象力能及的任何地方，它是相对桌面系统来讲的，凡是带有微处理器的 专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。作为嵌入式系统核心的微处理器包括三类：微 控制器( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、嵌入式微处理器( m p u ) 。 嵌入式系统是一种可精简的计算机系统，嵌入式技术目的就是在不适宜用工控机的 场合替代p c 系统，而对于很多场合工控机的很多功能没有用处而用户必须要付出成本， 嵌入式系统解决了这个问题，兼顾功能而又节省成本把不需要的设备裁减掉。嵌入式系 统的核心是处理器。包括单片机也是嵌入式处理器的一种，在实际应用中不同等级的处 理器应用方向也不同。 嵌入式微处理器的应用对比如下表所示。 表2 1 1 嵌入式微处理器的应用对比 嵌入式微处理器应用产品 4 位微处理器计算器、电话机、简易防盗器、玩具、充电器、简易计量表 8 位微处理器马达控制器、电视游戏机、空调、传真、b p 、录音电话 1 6 位微处理器 手机、摄影机、录放机、多媒体应用 调制解调器、精确马达控制、掌上电脑、路由器、彩色传真、激 3 2 位微处理器光打印机、数码相机、g p s 定位系统、高级汽车电子、网络加点、雷 达伺服系统、各种工业军事用途 7 2 嵌入式系统与a r m 开发 硕士论文 嵌入式系统领域显然已经成为一种科学，也由于网络与通讯的高速进步，带动了信 息家电，信息工业的潮流，它的发展方向将是功能越来越强大，综合数字处理能力、管 理能力、控制能力、通讯能力为一体的系统。高性能、高集成度的系统将是嵌入式系统 的发展方向。 2 2a r mp x a 2 7 0 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理 器，己遍及工业控制、通信系统、网络系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器 应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们 生活的各个方面。 2 2 1a r m 嵌入式系统的优点 a r m 处理器是3 2 位嵌入式处理器的一种，它的特点是可移植性强，它可以在不同厂 家相同内核的芯片中轻松切换、功耗特低、功能强大、其低端的产品可以作为高级单片 机使用，高端功能则可以与p c 机媲美。a r m 内核最初是为手持通讯设备设计的，所以功 耗非常低，但是外设非常丰富，很多情况下只用一个芯片就可以完成全部的资源需求。 a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，由于所有产品均采用一个 通用的软件体系，因此从理论上说，相同的软件可以在所有产品中运行。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集。a r m 的j a z e l l e 技术使j a v a 加速得到比基于软件的j a v a 虚拟机( j v m ) 高得多的性能，和同等的非j a v a 加速核相 比功耗降低8 0 。 目前，a r m 处理器正向着2 个方向发展：一方面朝着高档快速单片机发展，另外一 方面，正向着桌面计算机的功能发展。 往高档快速单片机方向发展的a r m 处理器的主要应用领域是简单的控制方面。这个 方面的发展方向其实非常明确，即高集成度、高速度两个特点，这样的设计有利于控制 产品制造综合成本以及降低项目研发风险，在软件方面可以采用简单的嵌入式操作系统 如u c - 1 i n u x ，v x o r k s ，u - c o u i i 等等，也可以像单片机样进行直接编程使用，此类典 型的芯片有三星公司的4 4 b o x 、4 5 1 0 和飞利浦公司的2 1 0 4 芯片。 另一方向a r m 处理器的使用更像是一台桌面p c 或一台工控机，它具备所有p c 机的 基本功能。从表面上看，软件开发方面是复杂的多了，但是从实际开发中看分工却更加 明确了，这种系统有三个区别于单片机系统的不同点，概念：他类似于全功能的p c 系 统，不是简单的单片机系统；硬件：带有虚拟内存管理模块( m m u ) 寻址范围得到扩展 8 硕士论文基于p x a 2 7 0 的红外熟成像测温系统 可以接硬盘这样的海量存储设备。硬件设计相对麻烦，高速设备较多如d d r 高速内存， u s b 2 0 接口，总线速度可以采用1 3 3 m ，2 6 6 m 等；软件：由于有删，所以可以完全跑 在复杂嵌入式操作系统上，如w i nc e ，l i n u x 等等。 微软公司在对s h 3 、m i p s 、a r m 等各种嵌入式处理器做了评估后认为，认为a r m 是 一种性价比较高的选择。目前a r m 在手持设备市场占有9 0 以上的份额，只支持a r m 技 术的策略，有效地缩短了应用程序开发与测试的时间，大大降低了研发费用。 2 2 2 p x a 2 7 0 的性能特征 英特尔公司生产的p x a 2 7 x 系列嵌入式处理器提供了业界领先的多媒体性能、低功 耗、的外设集成以及第二代内存堆栈技术。它的设计面向于无线客户端，吸收了从p x a 2 5 5 处理器问世以来到最近英特尔在移动领域取得的先进技术，这使得它能够满足大多数在 移动领域的应用需求。 p x a 2 7 x 嵌入式处理器是英特尔公司首次在个人的互联网客户端架构处理器( p c a ) 中集成无线m m x 技术，使得它拥有高性能，低功耗的多媒体加速能力，能够很好的支持 m p e g 4 和m p 3 解码：通过结合q u i c kc a p t u r e 技术，它可以支持高达4 0 0 万像素的摄像 头；它的主频可以设置在1 0 4 m h z 到6 2 4 m h z 之间，它内建2 5 6 k 字节的s r a m ，支持英特 尔s t r a t a f l a s h 内存和s p e e d s t e p 省电技术。 p x a 2 7 x 嵌入式处理器的核心是x s c a l e 技术，它的指令集( 不包括硬件浮点运算单 元的指令集) 是a r mv 5 t e 指令集。 p x a 2 7 0 是i n t e l 公司推出的最新一代的x s c a l e 处理器，即基于a r m vs t e 体系结构， 主频为5 2 0 m h z ，6 4 m b y t e 内存( 两片1 6 位的s d r a m 芯片组成3 2 位接口) ，支持1 6 位t h u m b 指令和d s p 扩充，3 2 位的r i s c 微处理器，带有7 级超级流水线指令，3 2 k b 指令c a c h e 和3 2 k b 数据c a c h e 。支持i n t e lw i r e l e s sm m x 指令集和扩展单指令多数据流指令s s e 可以提供高性能、低功耗的多媒体、3 d 游戏和视频等应用加速并且包含了s p e e d s t e p 动态电源管理技术，在保证c p u 性能的情况下，最大限度地降低移动设备功耗。内部集 成众多外设，如u s bh o s t 控制器、p c m c i a s d m m c 卡控制器、1 2 c 接口、串口、a c 9 7 控制器、实时时钟、p 1 】l m 控制器、s s p 串行接口等。p x a 2 7 0 处理器适用于为p d a q t p c 、 p m p 、语音系统、车载导航、工业控制等领域。 其内部结构如下图所示。 9 2 嵌入式系统与a r m 开发硕：仁论文 l c 0 图2 2 2 1p x a 2 7 0 芯片的内部功能结构 p x a 2 7 0 主频高达5 2 0 m h z ，该芯片专门针对手持设备提供了超强的性能和丰富的接 口。还集成了i n t e l 专利技术w i r e l e s sm m x ( 无线多媒体扩展技术) 和s p e e ds t e p ( 动 态电源管理技术) ，可在手持设备上播放高品质的视频和三维动画。并在不影响性能的 前提下，最大限度地降低了设备功耗。与同类芯片相比，在多媒体处理能力和功耗方面 具备明显的优势，拥有非凡的性价比。 2 2 3p x a 2 7 0 与d m 6 4 2 的应用差别 为了更好的理解a r m 处理器在嵌入式领域中的具体应用位置，有必要研究处理器的 分类： l o 硕士论文基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 表2 2 3 。1 处理器分类与应用 处理器用法操作系统芯片 c p u 桌面系统工业控制机w i n d o w s u n i xi n t e l 奔腾系列 a r m 向上扩展向下扩展 w i nc e u c o s a r m 9 a r m 7 d s p m c u 工业控制实时系统不跑操作系统5 1 系列t m s 3 2 0 系列 c p u ：功能强大3 2 位机，主频最高达3 g ，应用程序完全在操作系统上运行，相应的 设备也多，要求海量存储设备，如硬盘。 d s p ：运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执 行效率，不跑操作系统，核心代码使用汇编。 m c u ：微控制器，4 位、8 位、1 6 位等，处理速度有限，一般在几个m i p s ，速度受 限跑操作系统很吃力。 a r m ：3 2 位处理器，可精简的计算机系统，价格很低，逐渐转入单芯片应用解决方 案。上可跑操作系统，下可做实时控制使用。 本课题在开发红外热成像测温系统的过程中，曾先后选用d s pc 6 0 0 0 系列的d m 6 4 2 和a r mp x a 2 7 0 两种不同的芯片作为该系统的主处理器，两种处理器在该系统中的优势 各不相同。 d s p ( d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s o r ) 是种独特的微处理器，是以数字信号来处理 大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0 或l 的数字信号，再对数字信 号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境 格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序， 远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理 能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 d s p 芯片般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器： ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 红外热成像测温系统作为一个复杂的可控可操作的人机交互式系统，需要使用者不 时地通过系统的操作界面和系统进行各种对话，如随时调整测量点的位置、改变测量方 法、对声音图像文件进行存储和读取等。由于d s p 芯片偏重于运算，它的强项是进行数 l l 2 嵌入式系统与a r m 开发硕士论文 字信号处理，其内部没有操作系统，也没有交互式界面，因此，在使用d m 6 4 2 作为主处 理器设计红外热成像测温系统时，需要软件设计者在d s p 编写一个完整的可使用的文件 存储系统，还要通过编程在显示器上出现一个实用的可人机对话的交互式界面，而编写 一个合格的文件系统和操作界面不仅要求设计者具有极高的软件编写水平，同时也会耗 费大量的时间，文件系统和操作界这两方面的工作几乎占了整个d m 6 4 2 测温系统设计总 量的5 0 以上，这样的工作并不是创造性的、必须的，而是重复劳动，即其它很多的处 理器，如a r m 都拥有自己的文件系统和对话界面，因此花费大量的精力在这上面显得有 点浪费人力和时间 2 9 - - 3 2 。 通过2 1 1 节和2 2 2 节的介绍了解到，p x a 2 7 0 偏重于控制，具有比较强的事务管 理功能，优势主要体现在控制方面。系统自带可选的w i nc e 操作系统和l i n u x 操作系 统，方便人机交互以及和标准接口设备通信，非常方便，可以用来跑界面以及应用程序 等，节省了大量的人力和时间，虽然它的数据处理能力和速度没有d s p 那么强大，但是 外围接口比较丰富，不需要额外的软硬件开发，而且在功耗等方面做得d s p 要好，以上 就是本课题选择p x a 2 7 0 而不是d m 6 4 2 作为红外热成像测温系统主处理器的主要原因所 在。 1 2 硕士论文 基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 3 红外热成像测温系统的原理 红外热像仪是一种二维热图像成像装置，该系统利用目标与环境之间由于温度辐射 与发射率的差异所产生的热对比度不同，把红外辐射能量密度分布探测并显示出来，成 为“热像”，由于人眼对红外光不敏感，所以红外热像仪必须具有把红外光变成可见光 的功能，将红外图像变为可见图像。在红外热像仪中，红外热辐射通过光学系统，由红 外镜头把红外热辐射投射到探测器上，变为电信号，该信号反映出红外辐射的强弱，然 后经过电子学处理，将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在监视器上显示出来，实 现从电到光的转换，得到反映目标热像的可见图像。 红外测温系统是利用物体的辐射能量与温度有关的原理而组成测温系统。将普朗克 公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固 定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这 就为红外热成像测温奠定了理论基础。只要以黑体为标准，根据探测器输出电压v 与温 度t 的关系，测定样本点，建立v 与t 的映射关系。将电压值v 数字化后表示为d ，则 可以得到整个系统的温度标定查找表t b d ，测量温度时，以d 为索引，找出相应的温 度。 3 1 红外探测器的工作原理 红外探测器是热像仪的核心部件，它实现光电转换的功能，形成二维图像数据；其 后部是电子组件，完成探测器输出信号到图像信号的体制转换和进行改善像质的图像处 理。目前，红外热像仪是夜视的重要工具，其工作原理的最根本依据和系统应用基础是 红外热辐射原理，与光学望远镜，雷达等成像观察设备相比，它具有诸多优点：它可以 全天候的工作、不受限制；作用距离远，红外辐射比可见光具有更强的透过雾、雨、雪 及烟尘的能力；能识别伪装，探测隐蔽的军事目标和强光干扰下的目标；被动式和非接 触式工作，具有较好的隐蔽性：比雷达更适宜于高精度观察，不受电磁干扰；生动的图 像观察方式。从这些特点和实际需要来看，红外热像仪具有广泛的应用前景和研究开发 价值。 课题中使用s o f r a d i r 公司的u l 0 10 1l 探测器。该探测器工作波段为8 1 2l lm ， 分辨率为3 2 0 2 4 0 像素。热常数4 m s ，热灵敏度小于等于0 1o c 3 0 0 c ，空间分辨率 为1 m r a d 。其中含有硅工艺的c m o s 读出电路。 1 3 3 红外热成像测温系统的原理 硕i 论立 图31 13 2 0 2 4 0 阵列凝视焦平面探洌i 器实物视图 工作原理如图3 1 2 所示，每一个像素可看作一个热敏电阻，辐射能量的变化将引 起其阻值的变化。首先，在积分信号有效时，读出电路在偏置电压对选中的行进行积分， 当积分信号失效后，转到下一行，在下一次积分信号到来时对下一行积分，采样保持电 路开始对积分的结果进行采样。在当前行积分信号变低1 8 5 个周期后，采样结束，在 主时钟的驱动下，多路选择器依次选通各个采样保持器的输出，从而读出信号。 图312u l o l0 11 探测器t 作原理圈 从热像仪整体结构来看，读出电路是由红外探测器芯片与热像仪外部电路的接口部 分组成的。由于红外探测器的信号质量较低，所以需要配置相应的信号处理电路。把信 号处理电路直接与读出电路合并，可以显著提高信号质量。目前，提高焦平面输出信号 质量已经成为读出电路的另一个任务。现在，红外焦平面阵列的读出电路除了能够完成 稠密线阵和面阵器件的信号积分、传输、处理和扫描等基本任务外，基于良好的读出电 路性能的红外焦平面还能在性能优良的红外热成像整机系统设计中发挥关键性的作用。 驱动电路要给探测器提供各种时钟信号和电压偏嚣等，表3 1 1 列出了主要信号。 硕士论文基于p x a 2 7 0 的红外热成像测温系统 表3 1 1 探测器部分重要的信号 信号方向数字模拟说明 m a s t e rc l o c ki nd主时钟 i n ti nd允许积分 r e s e ti n d 复位 l e g n e io u td第一行指示 d a t a v a l i do u td数据有效 v e b a s a g ei na 调节探测温度范围 v d e t i na 电压偏置，接模拟地 v e bi na 电压偏置，接模拟地 f i di na电压偏置。 c a l i b r e ii nd模拟输出控制 c a l i b r e 2i nd 模拟输出控制 c a l i b r e 3i nd模拟输出控制 b i a s s u ii na电压偏置 s o r t i eo u ta 模拟信号输出 探测器的驱动时序如下图所示： ： ： ： d a t a v a l i d ： a v m d m b l e 【i g n e l 函忑石= = = = ：石石= 万- 1 一 图3 1 3 驱动时序图 以上的数字信号都可以通过f p g a 对逻辑的配置来实现。 1 ) 主时钟 u f p a 输出数据的速率与主时钟的速度相等，主时钟可随需要的输出速率来进行调 整。 2 ) 复位信号 复位信号通过强制从f p a 的第一行开始信号积分来使读出电路复位的工作复位。 1 5 3 红外热成像测温系统的原理硕士论文 r e s e t 应该在主时钟的上升沿改变状态，它不应该在每帧信号中复位两次。 3 ) 积分信号 当积分信号为高电平时，允许对来自微测辐射热计的一行像元信号进行积分。根 据工作的要求，i n t 信号应该在每行积分时发送( 2 4 0 次帧) 。 4 ) 增益1 、增益2 、增益3 增益l ( c a l i b r e l ) 、增益2 ( c a l i b r e 2 ) ，增益3 ( c a l i b r e 3 ) 是三种不同帧频 工作状态下的增益使能信号线。缺省的设置工作在5 0 6 0 h z 的频率范围。 5 ) u f p a 的输出信号及性能 u f p a 中的c m o s 处理器输出两类信号：1 个模拟信号( s o r t i e ) 和2 个数字信号 ( d a t a v a l i d 和l i g n e i ) 。具体功能见表3 1 1 。 3 2 温度的测量原理 红外热成像测温系统的温度测量原理是建立在热辐射理论之上的，通常把热能转变 为辐射能的过程称为热辐射。自然界中，任何绝对温度不为零的物体都在不停的向外辐 射能量v 3 - 1 s 1 。 3 2 1 物体红外辐射 凡是自然界的物体，只要有温度( 在绝对零度以上) ，就会向外界辐射能量。一个 待测物体，考虑其某表面微小面元上，在单位时间内，辐射的能量满足如下关系： m = 仃，( 3 2 1 1 ) 式中，为物体表面发射率，6 为波尔兹曼常量，t 为物体的绝对温度。对于黑体来说， 为1 。 在红外辐射中，含有各种波长的分量。其中，辐射能量最大的波长与黑体温度t 有 一定的关系： 厶甜= b t ( 3 2 1 2 ) 其中，6 = 2 8 9 7 8 u m 。故在2 7 3 - - 4 7 3 k 的温度范围内，k 戕在6 1 u m 1 0 6 u m 之间： 2 8 9 7 8 4 7 3 = 6 1 u m 2 8 9 7 8 2 7 3 = 1 0 6 u m 对于地球大气层来说，其红外辐射的窗口为2 - - - - 2 6 u m ，3 、- 5 u m ，8 - - - 1 4 u m 。也即 是说，在这几个波段的红外辐射光，被大气吸收得很少，能够大部分的穿过大气层。所 以在温度检测时，我们一般选用这几个波段的红外辐射进行温度的检测。3 5l am ，8 1 3 l am 两个波段的范围都有不同特性的控制可选用。这两个波段分别称为“短波 和“长 波”窗口。从原理上计，这两个窗口都敏感，但大多数设计者都选择了短波段，原因是 该波段范围中，能在较宽的范围内提供最佳功能，达到良好的测温要求；而长波窗口则 1 6 硕士论文基于p x a 2 7 0 的红外热成像