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南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 摘要 热释电红外测温仪是一种利用物体热释电效应而制成的新型红外测温仪 器，它以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。 与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿 命长、操作方便等一系列优点。 本文详细介绍了热释电红外测温仪测温的基本原理和实现方法，以热释电 红外测温仪现阶段的技术作为参考，提出并研制了一种基于a r m 内核的高性能 的嵌入式微处理器的热释电红外测温系统。详细介绍了该系统的构成和实现方 式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。文中还对影响热释电红外测温仪 测温精度的因素和软硬件的相关设计做了详细的分析，并采取了相应措施，本 文主要做了以下工作： 阐述了红外测温仪的发展现状和分类，并指出了本文的研究意义；阐述了热 释电红外测温仪的原理，并对目前红外测温仪的几种方案的优缺点进行了详细 的介绍；对a 跚核微处理器作了详细的介绍，并对本文用到的a r m 核芯片l p c 2 1 3 2 的功能特点和结构做了详细的介绍；详细分析了系统的功能要求，提出了总体 设计方案，并在此基础上进行了系统的硬件设计，对每个部分所完成的功能和 设计思路作了说明；介绍了系统的软件设计，以流程图的方式介绍了各个功能 的具体实现；对影响红外测温仪的测温误差的因素进行了分析，对系统中出现 的软硬件干扰问题做了相应的抗干扰措施；为本文研究的主要结论，对系统的 进一步的研究工作进行了展望。 关键词：热释电传感器，红外测温仪，a 雕，l p c 2 1 3 2 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 a b s t r a e t p rt h e r m o m e t e ri sak i n do fi n f r a r e dt h 觑 m o m e t e l t h a tm a k l e $ u o ft h e p y r o e l e e t r i e i t ye f f e c t , i tu s e st h eb l a c k b o d yr a d i a t i o nl a w s 舾t h e t h e o r i e sf o u n d a t i o n , i ti st h eo u t c o m et h a tt h eo p t i c a lt h e o r i e sa n dm i c r o e l e e l r o n i e sl e a ma e o m p r e l a e n s i , f ed e v e l o p m e n t c o m p a r e dt o t h ew a yo ft r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r o n l e a s i l l m e n t , i th a sas e r i e so fm e r i t s , s u c ha ss h o r ti nr e s p o n s et i m e n o n - c o n t a c t , n o n i n t e r f e r e n c et ot e m p e r a t u r ef i e l 正l o n gw e f u lt i m ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n , e t e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fp i ra n dt h em e t h o do fr e a l i z a t i o ni n d e t a i l w i l ht h et e c h n i q u et h a tt h ei rt h e r m o m e t e r sp r e s e n ts t a g e 勰ar e f e r e n c e i t p u t f o r w a r da n dd e v e l o pak i n do fm e a s l l r es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ee m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ro f l a i g hp e r f o r m a n c ea r m 1 1 坞p a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i n ga n d t h em e t h o do f t h a ts y s t e mi nd e t a i l a n dg i v e st h eh a r d w a r ep r i n c i p l ed i a g r a ma n d 曲幛 d e s i g nf l o wc h l t l to ft h es o t t w a r e n 圮f a c t o r st h a ti n f l u e n c ep i rt h e r m o m e t e r s a c c u r a c ya n dt h er e l a t e di n t e r f e r e n c eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea n a l y z e di 1 3 d e t a i l a n da d o p t e dt oc o r r e s p o n d e dm e g t s u r c s 1 1 聆f o l l o w i n gw o r ki sd o n e ： t b ep r e s e n tc o n d i t i o na n de l a s s i f i c a t i o no fi rt h e r m o m e t e rf i l ei n t r o d u c e d e l a b o r a t e l y , a n dt h em e a n i n go f t h i sr e s e a r c hi sp o i n t 呛x lo u t ：t h ep r i n c i p l eo f p i r i s i n t r o d u c e d ；1 1 玲w a y t ol n c o s u l i rr a d i a t i o ni sp r e s e n t e d ；t h ea r m m i c r o p r o c e s s o r i sm a d ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n , a n dt h ef u n c t i o l lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t l u e t u r eo ft h e a r m c h i pu p c 2 1 3 2i sm a d eag o o di n t r o d u e d o n ；1 1 l ef u n c t i o no ft h et o t a ld e s i g n p r o j e c ti si n t r o d u c e d ，mh a r d w a r ep a r t sb a s e o nt h i ss y s t e ma r ed e s i g n e d ，a n dm a d e e l u c i d a t i o nt ot h ef u n c t i o na n dt h ed e s i g nw a yo f t h i n k i n gt h a te a c hp a r te o m p l e t e ； 1 1 舱s o f t w a r ep a r t so fp i rt h e r m o m e t e r 眦p r o p o s e d , t h em o d u l eo fe a e l ap a r ti s r e l t l i t _ p e di nf l o we h a r t ；t h ef l t m o l st h a ti n t e r f e r em l 甏l s u r e $ 既l o ra f ec 锄矗e d0 1 1a n a l y s i s ， t h e i n t e r f e r e n c eo ft h es o t t w a r ea n dh a r d w a r ea r ed i s c u s s e d , a n dd i ds o r l l ea n t i - i n t e r f e r e n c el l l e a s u i e $ , ；t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o ni ss u m m a r i z e d , t h ep r o s p e c to f f u r t h e r r e s e a r c h o f p i r t h e r m o m e t e r i s p r o p o s e d k e y w o r d s p li n f i a r e dt h e r m o l n e t c r , a r m ，l p c 2 1 3 2 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名： 尘焘避 日 期：丛砬：囟 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 h 作者签名：建杰趔刍 日期： 型2 ：苎：丝 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 1 1 课题背景 第一章绪论 温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及 工农业生产中占有十分重要的地位。在工业生产中，我们需要经常对设备的运行状况进行 监测来确保设备的安全运行，而对设备的监测通常通过测量其表面的温度来进行现代的 工业设备往往是在高电压、大电流以及其它危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测 的方法既浪费时间、物力、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有 严格的限制，在这样的场合下，仪器的使用寿命也成为设计接触式测温仪时的一个重点考 虑问题因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。 温度的测量方法有两类，一种是利用电气参数随温度变- f l , 特性的热电阻、热电偶测温 法以及以膨胀式温度计为代表的接触式测温方法，另一种是以热辐射为代表的非接触式测 温方法前者的优点在于测得的温度是物体的真实温度，测温简单、可靠，其缺点在于动 态性能差，需要接触被测物体，测温元件与被测介质需要一定时间的热交换才能达到热平 衡，同时对被测物体的温度场分布有一定的影响，同时由于工业现场的高温、高压、腐蚀 性等恶劣条件，影响了测温仪的精度和使用寿命，大大限制了接触式测温仪的使用；非接 触式测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件，其与接触式测温相 比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。 但受到物体的发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。 目前应用最广泛的非接触式测温仪是红外测温仪，它测温的理论基础是黑体辐射定律。 自然界的任何物体都在不停的向外辐射能量，物体辐射能量的大小及波长的分布与其表面 的温度有着十分密切的关系，通过测量物体自身红外辐射的能量便能确定它的表面温度 1 2 红外测温仪简介 红外测温仪是一种将红外技术与微电子技术结合起来的一种新型测温仪器，它通过将 被测物表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上，使其产生一个 电压信号，经过放大、模数转换等环节处理，最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。 红外测温仪由光学部分和信号处理部分组成，其体积小，便于携带，操作简单，在各行各 业中得到广泛应用。 红外测温仪已经有了几十年的发展历史，最早出现的是隐丝式光学高温计u j ，它出现 在上世纪初，直到现在仍在高温( 8 0 0 以上使用) 测量领域被使用1 2 j 。它的结构简单、使 用方便、测温范围广，但是在使用光学高温计的过程中，经常需要用人的眼睛进行亮度平 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 衡，手动调节灯丝的温度，使高温计灯丝瞄准区域均匀地消失在辐射源或被测物体的背景 上，但是由于生理限制，人眼的辨别能力会带来一定的观察误差，不适合于自动控制系统 长期以来，三个方面的问题困扰了红外测温仪的发展，第一个是微弱信号的放大和抗 干扰问题；二是信号与所需要的温度值的非线性对应问题；三是探头所处温度对信号的影 响自= 次大战以来，光电导和光伏探测器及红外透光材料的高速发展，促使了红外测温 和红外技术应用的发展州。2 0 世纪6 0 年代后，由于各种高灵敏度红外探测器、干涉滤光片 以及数字信号处理技术的发展。大大促进了红外技术的应用的进程1 4 j 。在6 0 年代中期，出 现了以光电倍增管作为检测器的光电高温仪，具有较高的灵敏度和精度。在7 0 年代初， 硅光电探测器由于稳定性、线性度及灵敏度优良，结构牢固，逐渐受到重视，意大利国家 计量院i m g c 首先制成了用硅光电二极管作为检测元件的高精度光电高温计嘲。与此同 时，辐射温度计的工作波长也从单波长逐步发展为多波长，仪器的功能也渐趋智能化，测 量精度、响应速度、稳定性和分辨率都达到了相当高的水平 6 1 ，测温范围也从以往的中高 温延伸到室温或更低温度，辐射测温仪的使用范围也越来越广例如在煤矿生产中的胶带 输送机在运行过程中，可用红外测温仪来检测胶带与滚筒的温度，避免发生胶带与滚筒因 长时间摩擦发热直至引发火灾等事故1 7 1 ；在工业生产中，可利用红外测温仪对运行着的带 电设备，如导线、供电装置等定期检测，防止不良事故的发生；在钢铁企业的热轧生产过 程中，需要采用红外测温仪对钢坯表面温度进行测量。以严格控制工艺参数，确保钢材的 质量 1 3 红外测温仪的分类和发展 l 、红外测温仪的分类 目前市场上红外测温仪种类繁多。测温范围可从大约1 0 0 低温到6 0 0 0 高温，响 应时间从千分之一秒到秒不等，针对不同应用可分为便携式、在线式和扫描式三大系列。 从测温范围上又可分为高温测温仪、中温测温仪、低温测温仪。根据原理可分为单色测温 仪和双色测温仪( 辐射比色测温仪) 。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应 充满测温仪视场，一般要求被测目标尺寸超过视场大小的5 0 ，如果目标尺寸小于视场， 背景辐射能量就会进入测温仪的光学系统从而干扰正常测温，造成误差；对于双色测温仪， 其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的，因此当被测目标很小，未充满 视场，或测量通路上存在烟雾、尘埃，从而造成辐射能量衰减时都不会造成影响，同样对 运动中的物体测量双色测温仪也是个很好的选择 2 、红外测温仪的发展 红外测温仪的研究已经有几十年的历史，近2 0 年来，非接触红外测温仪在技术上得到 迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占 有率逐年增长。6 0 年代我国研制成功第一台红外测温仪，1 9 9 0 年以后又陆续生产小目标、 2 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 远距离、适合电业生产特点的测温仪器，如西光i r t - - 1 2 0 0 d 型、i r t - 3 0 6 0 d 型、i r t - 3 0 0 0 a 型、i r t - 4 0 0 g 型、h c w - v a 型、d h s - 2 0 0 型、w f h x 3 3 0 型( 光学瞄准，测温距离可达 3 0 m ) 。美国雷泰公司生产的s t 系列、m x 系列、m x 6 系列、3 i 系列测温仪，德国h e i t r o n i c s 公司的i 盯1 9 系列、k t l 5 d 、k t l 2 系列等也有较广泛的应用。 目前，世界上最大的红外测温仪生产商是美国的f l u k e 公司，其产品包括便携式、 在线式和扫描式三大类数百多个品种，澳i 温范围从- 5 0 1 c - - - - 6 0 0 0 c 不等，占有了世界上3 0 以上的销售份额，我国红外测温仪的生产单位有西安北方光电有限公司、中科院自动化所、 西安沃尔仪器公司等，但不仅产品的种类较少，而且从精度或读数的重复一致性方面均与 国外有不小的差距。 1 4 本课题研究的内容 本课题研究的主要内容是设计一种可用于工业现场的高性能的红外测温仪，在总结各 种红外测温方法的基础上，提出并研制了一种基于a 跚内核的高性能的嵌入式微处理器的 热释电红外测温仪。课题采用p h i l i p s 公司的a 跚核芯片l p c 2 1 3 2 作为主处理芯片，设计 的红外测温仪具有配置简单，扩展方便，可靠性高的特点本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 在对整个测温系统的原理和测温方案分析的基础上。对系统的软硬件设计进行了 协调优化，并进行了总体部分的设计。 ( 2 ) 硬件部分：采用锁定放大的方式完成微弱信号的提取，完成了光学系统、探测器 放大电路单元、带通滤波单元、移相电路、相敏检测电路、低遁滤波单元、环境温度测量 单元等部分的电路设计 ( 3 ) 软件部分：完成了l p c 2 1 3 2 的初始化、中断处理单元、电机控制、a d 转换、键 盘和显示部分的流程图设计和相关部分软件的编写。 ( 4 ) 标定部分；采用神经网络专家系统对红外测温仪进行标定。 3 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 第二章热释电红外测温仪的原理 本章主要介绍热释电红外测温的原理和测温的方法，并对热探测器的功能特性作了概 括说明 2 1 辐射测温原理 红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物 体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度 有着十分密切的联系嘲，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强 9 1 黑体的光谱辐射 出射度由普朗克公式确定，即 = q 五。 ( e x p ( e 2 一t r ) 一l 】_ 1 ( 2 - 1 ) 黑体辐射出射度由斯蒂芬一玻耳兹曼定律确定，即 m f = i m d 。= a i “ ( 2 - 2 ) u 其中q = 3 7 4 1 8 x1 0 - 1 6 形m 2 ，称为第一出射度； c 2 = 1 4 3 8 8 x1 0 - 2 m k ，称为第二出射度； 盯- 5 6 6 9 7 xl o - 8w m 2 k 一。称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数； 名表示波长： t 表示热力学温度 由于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射出射度还需要在上式中乘上物体的辐射 常数，即 m = s o t 4 ，占表示物体的辐射出射度( 2 - 3 ) 因此对于进入红外测温光学系统的光线，经过探测器的光电转换后，其电压 v = 占足丁4( 2 - 4 ) 这里面的k 与探测器的灵敏度、光学系统中光谱的透过率等有关，由实验时确定。 2 2 热释电探测器 早在1 7 0 3 年左右人类就发现了热释电效应，在1 9 6 5 年查明这种效应对温度具有极高 的灵敏度，在室温附近可以检测出6 x 1 0 - 6 的温度变化值【“。但由于种种条件的限制，以 4 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 及无法克服来源不明的准宜流噪声干扰i l ”，一直未能成功地把该技术用于非接触式测温 热释电器件是一种近十几年发展起来的新型红外传感器，在红外检测领域中占有越来 越重要的地位，广泛用于红外测温、红外报警、工业过程自动监控、光谱分析、红外摄像 和空间技术等诸多方面【1 2 1 。利用热释电效应制成的热探测器件，与其他种类探测器相比， 热释电探测器具有以下优点： ( 1 ) 具有较高的频率响应工作频率接近兆赫兹，一般热释电探测器的时间常数典型 值在i - 0 0 1 s 范围内，而热释电器件的有效时问常数可低至1 0 - 一3 x1 0 - s ； ( 2 ) 探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电探测率稍高，且这一 差距正在不断减小； ( 3 ) 热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，而且工作时可以不必外加偏置电压； ( 4 ) 受环境温度的变化影响小； ( 5 ) 热释电探测器件的强度和可靠性比其他多数探测器都要好，且制造比较容易 图2 - 1 为典型的热释电传感器的结构， 譬口 图2 1 热释电传感嚣 热释电红外传感器器件的材料有很多，在具有热释电效应的大量晶体中，热释电系数 最大的为铁电晶体材料【1 ”，因此，我们常见的传感器基本都是利用铁电晶体材料做成的 目前最重要的材料有硫酸三甘肽( t g s ) 晶体、钽酸锂( 三f 忍n ) 晶体、锆钛酸铅( f z t ) 类陶瓷、聚氟乙烯( p v f ) 和聚氟乙烯( p z r ) 聚合物薄膜等其中t g s 热释电是发展 最早、工艺最成熟的热辐射探测器件，它在常温下热释电系数较大、介电常数较小，因此 在较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度高，从而得到了广泛的应用。 热释电传感器的品种较多，可按外形结构和内部构成的不同及性能分类。从封装、外 形来分，有塑封式和金属封装( 立式和卧式的) 等从内部结构分，有单探测元、双探测 元、四探溅元等。从工作波长来分，有： a = l 一2 0 u m ，适用于温度检测； 五= 4 3 5 + 0 1 5 u r n ，适用于火焰检测； 五- - 7 1 4 u m ，是日常生活常用的，如用于自动门、防盗报警、节能自动灯等。 传感器的敏感元为b s t 薄膜，晶体的上下两面设置电极，通常的热释电器件有面电极 和边电极两种结构。面电极结构的电极面积较大，极间距离较短，因而极间电容较大，其 不适用于高速应用；边电极的电极间距较大，电极面积较小，因而极间电容较小，因此在 高速应用场合一般使用此种电容 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 由于熟释电探测器是微分型的栩。只能接受到红外辐射能的一小部分，所以它只能检 测到变化的温度，所以在测温时需要在探测器前设置一个调制盘，用来提供一个交替变 化的光学信号给红外探测器，然后经过探测器的光一电转换后，其传感器的输出电压正比 于目标辐射与调制盘温度之差，即 u = k 0 ( 8 i t 4 一岛玎) ( 2 - 5 ) 其中：晶表示被测目标辐射率； 晶表示调制盘的辐射率 变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。 2 3 几种测温方案 依据测温的原理不同，红外测温仪的设计有三种方法，如果是通过测量辐射物体的全 波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射温度计；如果是通过测量物体在一定波 长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度温度计，也称为单波段温度计：如果 测量的是同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度交化来定温的则称为比色 温度计 2 3 1 全辐射测温法 全辐射测温仪测温的理论基础是斯蒂芬一玻耳兹曼定律，即 = i 鸩以= a 一。由 i 此可见黑体在整个波长箍围内的辐射功率与绝对温度的4 次方成正比，是温度的单一函数， 它是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度“4 1 通常，红外测温仪是以黑体( 占= 1 ) 定标的，此方法所使用的仪表结构简单、读数客 观并能连续记录。缺点是温度计示值受环境及发射率影响较大，从而降低了其测温结果的 准确度。在实际测量时，需要把辐射温度转换成真实温度，可通过下式进行换算： 三 t-l(力4(2-6) 由它引起的真实温度误差为 一a t ；一三竺( 2 - 7 ) t4口 式中：瓦黑体的温度。 a r 真实温度； 占一总发射率的误差。 6 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 核的熟释电红外测温仪的研制 2 3 2 亮度测温法 亮度涮温法的理论基础是普朗克定律，即 土一土：三l n ：( 2 - 8 ) 一= 一m z r c 2 占( 旯，d 其中：“五，d 一实际物体温度为t 时。在波长a 下的光谱发射率； 丁一实际物体的真实温度； z 一实际物体的亮度温度 由此式可得出：实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度，即z 一个大而统一的寄存器文件； 装载保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操 作： 简单的寻址模式，所有装载，保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定； 9 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 此外，a p j d 体系结构还采用了一些特有的技术来使处理器实现高性能、低成本和低能 耗这些技术包括： 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a i ) 和移位器控制，以实现对a l u 和 移位器的最大利用； 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量； 所有指令的条件执行实现最快速的代码访问 3 1 2a r m 7 1 ) m i 简介 a r m 公司开发了众多系列的a r m 核处理器，提供一系列内核、体系扩展、微处理器 和系统芯片方案，目前使用较多的是a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m g e 系列，a r b l l 0 系 列、s u r c o r e 系列和i n t e l 的s t l o n g a r m 、x s c a l e 系列。 a r m 7 系列中的a r m 7 t d m i 是公司授权给用户最多的一种产品。a r m ? t d m i 基于 a r m 体系结构的v 4 版本，它弥补了a r m 6 核在低于5 v 电源电压不能稳定工作的缺点。 它将a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时它还支 持e m b e c l e , d i c ej r r a g 软件调试方式，适合于更大规模的s o c 设计中 a r m 7 系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括i n t e r n c t 设备、网络和调制解调器设 备以及移动电话、p d a 等设备。在无线信息设备领域的前景广阔，下一代智能化多媒体无 线设备中也正有越来越多的厂商采用该产品。 3 2l p c 2 1 3 2 主要特性 本系统所选择的a r i v l 微控制器是p h i l i p s 公司生产的a r m 7 系列中的l p c 2 1 3 2 芯片， l p c 2 1 3 2 是基于一个实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r i v l 7 t d m i - s ，并带有6 4 k b 嵌入 的高速f l a s h 存储器，1 2 8 位宽度的存储器接1 ：3 和独特的加速结构使3 2 位代码在最大的时 钟速率下运行。对代码规模由严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超 过3 0 ，而性能的损失却很小。 较小的封装和很低的功耗使l p c 2 1 3 2 特别适用于访问控制和p o s 机等小型应用中； 由于内置了宽范围的串行通信接口和1 6 k b 的片内s r a m ，它也非常适合于通信网关、协 议转换器、软件m o d e m 、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的 处理功能。多个3 2 位定时器、1 个或2 个1 0 位8 路的a d c 、1 0 位d a c 、p w m 通道、 4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及 医疗系统1 1 “ l p c 2 1 3 2 的主要特性有： 1 0 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 核的热释电红外铡温仪的研制 1 6 ，3 2 位a r m 丌d m i - s 核，超小l q f p 6 4 封装； 低功耗模式：空闲和掉电； 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程在应用编：程( i s p i a p ) ： e m b e d d e d l c e r t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进行实时调 试和高速跟踪； 1 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转换时间低至 2 4 4 u s ； 4 , 1 个1 0 位的d i a 转换器，可产生不同的模拟输出： e 2 个3 2 位定时器，步 部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输 出) 和看门狗； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0k b i t s ) 、 s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p ； 小型的l q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i ，o 口( 可承受5 v 电压) 。 图3 _ 1l p c 2 1 3 2 管脚配置 3 3l p c 2 1 3 2 的主要功能模块 1 、片内存储器 l p c 2 1 3 2 微控制器使用了冯诺依曼结构，指令和数据共用一条3 2 位总线。l p c 2 1 3 2 的存储器接1 2 1 可以使潜在的性能得以实现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求 的控制信号使用流水线。这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现，同时使它片内存 储器所支持的“快速突发访问模式”得到了充分利用 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 l p c 2 1 3 2 内部集成了一个1 6 k 的片内静态r a m 和一个6 4 k 的f l a s h 存储器系统， 该存储器可用作代码和数据的存储对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来实现：通过 内置的串行j t a g 接口、通过串行口在系统中编程或通过在应用编程( l a p ) 当通过串行 口在系统编程时。可以在应用程序运行时对f l a s h 进行擦除和编程，这样为数据存储和现 场固件的升级带来了极大的灵活性 2 ，管理连接模块 l p c 2 1 3 2 的同一个引脚可以具有不同的功能，通过管理连接模块允许将微控制器的管 脚配置为不同的功能。外设在激活和任何相关中断使能之前必须连接到相应的引脚，否则 认为是无效的。 l p c 2 1 3 2 的引脚模块包括- 4 寄存器： 表3 - 1 ：l p c 2 1 3 2 的管理连接模块 地址名称 描述访问 o x e 0 0 2 c 0 0 0p i n s e l o 引脚选择寄存器0读写 o x b 0 0 2 c 0 0 4p i n s e l l 引脚选择寄存器1 读写 o x e 0 0 2 c 0 1 4p i n s e l 2 引脚选择寄存器2读写 没有连接到特定外设功能的引脚由g p i o 寄存器进行控制，管脚可以动态配置为输入 或输出寄存器可以同时对任意输出口进行置位或清零。输出寄存器的值以及管脚的当前 状态都可以读出。 3 ，i i a r t 口 l p c 2 1 3 2 包含2 个u a r t 口，均具有1 6 字节的收发f i f o ，寄存器位置符合1 6 ( 2 5 5 0 工业标准，内置波特率发生嚣，两个串口具有相同的寄存器。 圈3 - 2u a r t 0 的模式寄存器功能框图 u a r t 0 的模式寄存器功能框图如上所示：其中u o l c r 用来设置串口的工作模式， u o f c r 用于f i f o 使能和复位操作；当接受和发送数据时，产生相应的状态标志位u o l s r ； 通过对u o i e r 进行设置，可实现串口的发送、接收、出错中断等。u o i e r 中的位0 为接收 中断使能，位1 为发送中断使能，位2 为线状态中断使能( 通信出错中断使能) ，若不使能 相应的中断，则相应的中断标志不会产生，此时需要通过u o l s r 读取串口的状态判断串口 操作是否完成。 4 、i 。c 接口 1 2 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温役的研翻 l p c 2 1 3 2 包含2 个速度为4 0 0 k b i t s 的，2 c 总线控制器，2 c 是一个双向总线，它使 用两条线：串行时钟线( s c l ) 和串行数据线( s d a ) 实现互连芯片的控制，并根据地址 识别每个器件，不管是微控制器、存储器、l c d 驱动器还是键盘接口，每个器件通过唯一 的地址来识别，这些器件可以是只接收器件，也可以是发送和接收信息的发送器发送器 和接收器可以操作为主或从模式 尽管该总线没有并行总线那样大的吞吐能力，但由于连接线和连接引脚少，因此其构 成的系统价格低，器件间总线笱单，结构紧凑，丙且在总线上增加器件不影响系统的正常 工作，系统修改和可扩展性好。即使有不同的时钟速度的器件连接到总线上，也能很方便 的确定总线的时钟，因此它在嵌入式系统中得到了广泛的应用 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 第四章系统硬件设计 硬件部分是红外测温仪工作的基础，一个优秀的计算机嵌入式系统产品，往往具有良 好的硬件系统结构。硬件电路设计不仅需要考虑电路的基本组成结构，也要考虑到嵌入式 系统的小型化和低功耗的要求本章主要围绕这两个方面对红外测温仪的硬件设计作了说 明 4 1 系统总体设计 由于本系统需要测量的是中低温物体的表面温度，且考虑到成本因素，所以本文采用 全辐射测温方案，即通过测量目标发出整波段的辐射功率来测量物体温度，红外测温仪的 组成如图4 1 所示，主要由光学系统、光电探测器，信号处理、显示输出等部分组成。光 学系统完成视场大小的确定，光电探测器用来将聚焦在光电探测器上的红外能量转换成电 信号，经过放大器、滤波器进行信号调理，并送至微控制器进行模数转换及信号处理，最 后再经过目标辐射率修正后转换为被测目标的温度值 4 2 光学部分的设计 4 2 1 热释电传感器的选择 圈4 i 红外测温仪系统框图 热释电红外传感器是最常用的红外探测器之一，系统采用采用德国海曼公司的l h l 8 7 8 热释电传感器作为探测器，l h l 8 7 8 是一种双元探测器，采用双灵敏元互补的方法抑制温度 变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性 1 4 南京信息工程大学硬士论文 基于a r m 核的热释电红外铡温仪的研髑 u l l 8 7 8 芯片的主要性能如表4 1 热释电红外测温仪的视场由菲涅耳透镜决定，菲涅耳透镜主要用来提供聚焦作用，本 系统设计采用的是反射式红外测温仪。因此菲涅耳透镜在这里面的功能就是把来自多个方 向的红外信号有效地集中反射到传感器上，同时滤除一些波长大于红外线的噪声信号，本 文采用的菲涅耳透镜为光束式透镜，其有效探测距离达3 0 米，可使测温仪用来探测远距离 目标的表面温度。 表4 - ll h l 8 7 8 的主要性能 型号 l h l 8 7 8 灵敏元面积 2 x lm m 2 灵敏度 4 0 0 0 v w ( 1 0 0 ，1 h z 时) 偏置电压 0 2 1 5 5 v ( 黜f 4 7 k q ，2 5 ) 工作电压2 1 5 v ( r s = 4 7 k q ，2 5 ) 噪音等效功率7 5 x 1 0 一”w h z ( i h z b w ，1 0 0 t ，1 h z 时) 噪声 2 0 u v p p ，( 2 5 c ，0 3 1 0 h z ) 工作温度 - 4 0 一8 5 储存温度 4 0 一8 5 4 2 2 斩波器的设计与控制 热释电型探测器只能检测温度差，它可以直接用来制作自动门的开关、防盗器等，但 是对于恒定的温度信号，即使目标物体温度再高，其输出也是零。解决的途径就是使用斩 波器，斩波器把接收到的光信号变成交替变化的光信号，再经过热释电探测器后生成交流 信号，本系统所使用的斩波装置如图4 2 所示，它分成i o 个明区和1 0 个暗区，当它以一 定的速度周期转动时，每转动一周，探测器接收到的信号变化1 0 次，探测器发出1 0 个脉 冲信号。探测器接收到的是被测物体与斩波器表面的温度差，当被测物体的温度高于斩波 器的温度时，输出为正值，反之则为负值，只有两者的温度相同时输出才为零。 4 2 2 1 步进电机的特点 圈4 2 斩波器示意图 斩波器需要转动才能对探测器接收的红外信号进行调制，既可以用步进电机也可以用 1 5 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 继电器驱动，本系统采用步进电机来控制斩波器的转动，步进电机是一种将电脉冲信号转 换成相应的角位移的特种电动机，是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一，由于它 可以直接接收来自计算机的数字信号，而不需要进行数，模转换，所以用起来特别方便，适 用于对精度要求比较高的工业过程控制场合 步迸电机具有以下优点： 1 、步距值不受各种干扰因素的影响，电压的大小、电流的数值和波形、温度的变化， 相对来说，都不会影响步距值。步进电机转子的转速主要取决于脉冲信号的频率，而转子 转动的总位移量取决于总的脉冲信号数 2 、误差不长期积累 步进电机每走一步所转过的角度( 实际步距值) 与理论步距值之间总有一定的误差。 从某一步到任何一步，即走任意一定的步数以后，也总有一定的累积误差，但是每转一圈 的累积误差为零所以说步距的误差不长期累积 3 、控制性能好 步进电机的启动、停止、反转及其他任何行为的改变，都在少数脉冲内完成，在一定 的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。 步进电机由于其独特的优点，使得当它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可使 系统简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度。正因为如此，本系统采用了步进电机 来控制斩波器的转动，使光信号变成一个周期的脉冲信号传递给热释电传感器。 4 2 2 2 步进电机驱动芯片的选择 驱动芯片采用美国a l l e g r o 公司推出的a 3 9 7 2 | “，a 3 9 7 2 是美国a l l e g r o 公司生产的 p w m 恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。它的工作电压可达5 0 v ，驱动电流达 1 5 a ，一个a 3 9 7 2 即可驱动一台= 相步进电机芯片内部的p w m 电流控制电路可通过串 行接口被设置为电流慢、快、混合衰减模式。它可以工作在整步、半步、l ，4 步、l 8 步、 1 1 6 步，1 3 2 ( 微步距) 多种方式下。其特有的3 种电流衰减模式可以使步进电机工作在 不同的负载和转速下，而且都能获得较理想的电流波形 通过电机的电流是由电路内部的6 位数，模转换器( d a c ) 输出和外部参考电压来共同 决定的。其中的6 位d a c 决定了输出电流有6 4 个等级。因此，d a c 的值每增加1 ，输出 电流会增加最大电流i - m a x 的1 5 6 。另外，a 3 9 7 2 还能提供完善的保护措施，其中包括 抑制瞬态电压、过热保护、防止电流直通、欠电压自锁等功能 步进电机的控制信号由l p c 2 1 3 2 的脉宽调制器输出口p 0 0 产生的频率为1 0 0 h z 、占空 比为5 0 方波信号驱动步进电机，在1 3 2 微步距下，电机每次转动2 2 5 度角，每转动3 2 步转动一周，根据斩波器的特点以及系统的要求，步进电机的控制频率设为3 1 2 5 h z ，其 电路如图4 - 3 所示，其中a 3 9 7 2 的l o 、1 1 、1 2 引脚分别为a 3 9 7 2 串行接口，分别连接到 l p c 2 1 3 2 的p o 1 4 、p o 1 9 、p 0 1 5 引脚。微控制器通过它来控制芯片a 3 9 7 2 ，其中s t o r e 1 6 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 核的热释电红外测温仪的研制 为使能信号端，c l o c k 为时钟信号端，d a t a 为数据输入信号端。在开始写操作前置使能 信号s t o r e 为零，利用c l o c k 时钟信号的上升沿将数据移入a 3 9 7 2 的内部移位寄存器， 当数据字全部移入后，s t o r e 引脚置高电平，完成一个控制字的输入 a 3 9 7 2 与微控制器l p c 2 1 3 2 的连接如图4 - 3 所示： 4 3 信号处理电路 图4 - 3 步进电机驱动电路 由于本系统测温仪测温范围在中低温区段，目标信号十分微弱，大多掩埋在强噪声之 中，如探测器与周围环境热交换的起伏引起的热噪声、电子器件的复合噪声及其它广白噪 声等【。信号处理电路部分主要采用锁定放大口0 1 的方式对传感器的输出信号进行处理，锁 定放大器的基本结构如图所示：包括信号通道、参考通道、相敏检测器( p s d ) 和低通滤 波器等 信号输入 参考输入 圈4 - 4 镄定放大器原理圈 信号通道对热释电传感器的信号进行放大，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检 测器的动态范围；参考通道一般为正弦信号或方波开