基于Windows CE的嵌入式紅外熱成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(jìn)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(xué)領(lǐng)域中的前沿學(xué)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(biāo)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(shè)備設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)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(shè)計(jì)，主要模塊的功能和芯片選型，以及軟件部分的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    作為一款可應(yīng)用于遠(yuǎn)程檢測和移動(dòng)監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域的紅外熱成像系統(tǒng)，除了要具備通用圖像動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示功能外，還應(yīng)具備針對目標(biāo)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(hào)送入信號(hào)預(yù)處理模塊并完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)送入紅外圖像采集模塊，采集的數(shù)字信號(hào)在紅外圖像校正模塊進(jìn)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(jìn)行灰度拉伸、偽彩變換后在終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并完成圖像分析、圖像存儲(chǔ)、溫度標(biāo)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(shè)計(jì)
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的紅外成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為紅外鏡頭、模擬信號(hào)預(yù)處理部分、紅外圖像數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)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(hào)預(yù)處理電路包括視頻信號(hào)分離電路和視頻信號(hào)調(diào)整電路；預(yù)處理后的模擬信號(hào)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(shè)連接，否則整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力就會(huì)受到影響，因此需要把圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高速緩存，雙口RAM具有兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個(gè)端口同時(shí)讀寫而互不干擾，并且具有隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)算量處
理，減輕ARM的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，因此成像系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可靠性和實(shí)時(shí)性；Windows CE系統(tǒng)下的應(yīng)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(gè)硬件系統(tǒng)的核心單元，完成對各個(gè)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(shí)時(shí)性較高，且需要完成部分算法運(yùn)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(dú)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(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器最高可運(yùn)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(hào)處理器。它的處理器內(nèi)核采用超長指令字結(jié)構(gòu)，一個(gè)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(chǔ)器，并采用二級(jí)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。片上集成了豐富的外圍設(shè)備接口。強(qiáng)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(shè)計(jì)
    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(shí)現(xiàn)圖形界面、初始化程序和應(yīng)用程序的功能，系統(tǒng)加入紅外探測器的驅(qū)動(dòng)程序，Windows CE本身支持對LCD的底層驅(qū)動(dòng)，從而降低了部分開發(fā)難度。
3．1 軟件設(shè)計(jì)總體框圖
    系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)如圖3所示，由主控模塊、紅外圖像處理模塊、紅外圖像存儲(chǔ)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(dòng)。

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3．3 部分子程序設(shè)計(jì)
    Windows CE是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級(jí)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(diǎn)：(1)技術(shù)比較成熟、開發(fā)周期短適應(yīng)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(qiáng)大。(3)系統(tǒng)維護(hù)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(shè)備無關(guān)位圖(DIB)格式，幾個(gè)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(gè)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(chǔ)文件，進(jìn)行相應(yīng)的文件信息設(shè)置，文件信息的設(shè)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(shí)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(yīng)用于電力運(yùn)維人員、消防人員、質(zhì)量控制人員、過程監(jiān)控人員、電子設(shè)計(jì)人員、建筑施工人員和交通運(yùn)輸人員等多個(gè)領(lǐng)域。Windows CE做為一個(gè)模塊化的操作系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性，其結(jié)構(gòu)簡單，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的應(yīng)用。