基于Windows CE的嵌入式紅外熱成像系統(tǒng)設計

摘要：給出了基于S3C2410處理器的嵌入式紅外熱成像系統(tǒng)的設計方案。闡述了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和基于Windows CE系統(tǒng)下的紅外圖像的采集、處理、顯示軟件的系統(tǒng)設計，介紹了Windows CE系統(tǒng)下開發(fā)紅外熱成像軟件系統(tǒng)的方法，并對編寫基于Windows CE的圖像傳輸、圖像處理和圖像顯示等程序進行了介紹。
關(guān)鍵詞：Windows CE；嵌入式；紅外熱成像

0 引言
    紅外檢測技術(shù)是現(xiàn)代科學領域中的前沿學科。在自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測儀測定目標的本身和背景之間的紅外線差并可以得到不同的紅外圖像，本文提出一種新的基于Windows CE的便攜式紅外成像設備設計方案，詳細闡述了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，著重闡述了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設計，主要模塊的功能和芯片選型，以及軟件部分的設計。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
    作為一款可應用于遠程檢測和移動監(jiān)控等多個領域的紅外熱成像系統(tǒng)，除了要具備通用圖像動態(tài)實時顯示功能外，還應具備針對目標體溫度的測試和分析功能。本系統(tǒng)通過紅外焦平面陣列探測器將模擬信號送入信號預處理模塊并完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號送入紅外圖像采集模塊，采集的數(shù)字信號在紅外圖像校正模塊進行非均勻校正、測溫和濾波處理，校正后的圖像數(shù)據(jù)再送入圖像顯示終端，圖像顯示終端將圖像信息進行灰度拉伸、偽彩變換后在終端進行實時顯示，并完成圖像分析、圖像存儲、溫度標定等多種功能。系統(tǒng)總體方案如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    本文設計的紅外成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為紅外鏡頭、模擬信號預處理部分、紅外圖像數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理部分、控制顯示、分析處理部分這六大部分，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。紅外焦平面陣列探測器完成光電轉(zhuǎn)化功能；信號預處理電路包括視頻信號分離電路和視頻信號調(diào)整電路；預處理后的模擬信號經(jīng)高速A／D轉(zhuǎn)化后右雙口RAM送入DSP；由于DSP具有高速的處理能力，要求DSP能有效地與低速外設連接，否則整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力就會受到影響，因此需要把圖像數(shù)據(jù)進行高速緩存，雙口RAM具有兩套獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個端口同時讀寫而互不干擾，并且具有隨機存取的優(yōu)點，讀寫具有很大的靈活性；DSP完成紅外圖像數(shù)據(jù)的非均勻校正、中值濾波等大運算量處
理，減輕ARM的運算負擔，因此成像系統(tǒng)具有很強的可靠性和實時性；Windows CE系統(tǒng)下的應用程序完成灰度拉伸、偽彩變換、數(shù)據(jù)分析處理、紅外圖像顯示及系統(tǒng)控制。

2．2 主要芯片介紹
    ARM處理器是整個硬件系統(tǒng)的核心單元，完成對各個硬件單元模塊的初始化、控制及管理功能。由于監(jiān)控系統(tǒng)的實時性較高，且需要完成部分算法運算，因此對ARM處理器的處理能力要求較高。本系統(tǒng)處理器采用的是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，該處理器擁有獨立的16kB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，2個USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203MHz。[!--empirenews.page--]
    系統(tǒng)DSP采用TI公司的TMS320C6000系列DSP。TMS320C6201是TI公司推出的一種高性能的數(shù)字信號處理器。它的處理器內(nèi)核采用超長指令字結(jié)構(gòu)，一個指令周期最多能并行執(zhí)行8條指令。片內(nèi)集成大容量存儲器，并采用二級存儲器的結(jié)構(gòu)。片上集成了豐富的外圍設備接口。強大的處理能力和豐富的片上資源使TMS320C6000系列DSP在處理性能上高于其他傳統(tǒng)DSP。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)采用Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)，以EmbeddedVisual C++4．0為主要編程工具，實現(xiàn)圖形界面、初始化程序和應用程序的功能，系統(tǒng)加入紅外探測器的驅(qū)動程序，Windows CE本身支持對LCD的底層驅(qū)動，從而降低了部分開發(fā)難度。
3．1 軟件設計總體框圖
    系統(tǒng)的軟件部分設計如圖3所示，由主控模塊、紅外圖像處理模塊、紅外圖像存儲模塊、紅外圖像分析模塊、紅外圖象顯示模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、異常處理模塊和軟硬件交互模塊組成，其中軟硬件交互模塊軟件和硬件的交互工作及硬件的底層驅(qū)動。

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3．3 部分子程序設計
    Windows CE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)。目前最新的系統(tǒng)版本為Windows CE 6．0，與嵌入式Linux相比，Windows CE有以下優(yōu)點：(1)技術(shù)比較成熟、開發(fā)周期短適應市場的需要。(2)內(nèi)核完善調(diào)試方便，有豐富的GUI，開發(fā)工具強大。(3)系統(tǒng)維護簡單，安全可靠性更高，利于產(chǎn)品的市場化。
3．3．1 圖像顯示程序
    采集圖像數(shù)據(jù)在內(nèi)存中為設備無關(guān)位圖(DIB)格式，幾個重要函數(shù)如下：
   
3．3．2 BMP位圖保存程序
    位圖文件(Bitmap-File，BMP)可看成由4個部分組成：位圖文件頭(bitmap-file header)、位圖信息頭(bitmap-infor-marion header)、彩色表(color table)和定義位圖的字陣列。程序先建立存儲文件，進行相應的文件信息設置，文件信息的設置要和所采集圖像數(shù)據(jù)一致，否則不能正確顯示結(jié)果，然后將信息保存到文件中，重要操作過程如下：
   
    
    其中結(jié)構(gòu)體hbf和m_Bmi存放的是位圖文件頭和位圖信息頭參數(shù)內(nèi)容，指針指向m_pBits時開始存放紅外圖像的具體數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)可應用于電力運維人員、消防人員、質(zhì)量控制人員、過程監(jiān)控人員、電子設計人員、建筑施工人員和交通運輸人員等多個領域。Windows CE做為一個模塊化的操作系統(tǒng)具有很強的靈活性，其結(jié)構(gòu)簡單，可以方便地實現(xiàn)各種復雜的應用。