便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、分類號(hào)UDCTN219004.93密級(jí) 重慶郵電大學(xué)便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中文題目The Design of Portable Uncooled英文題目Infrared Thermal Imaging SystemS120101091學(xué)號(hào)姓名工學(xué)學(xué)位類別信息與通信工程學(xué)科專業(yè)代少升 教授指導(dǎo)教師2015 年 5 月 2 日完成日期獨(dú) 創(chuàng) 性本人所呈交的是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，中不包含他人已經(jīng)或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 重慶郵電大學(xué) 或其他的學(xué)位或而使用過(guò)的材料。與我一同工作的對(duì)本文研究做出的貢獻(xiàn)均已在論文

2、中作了明確的說(shuō)明并致以謝意。作者簽名：日期：年月日使用書本人完全了解重慶郵電大學(xué)保留、使用紙質(zhì)版和的規(guī)定，即學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交，允許被查閱和借閱等。本人重慶郵電大學(xué)可以本的全部或部分內(nèi)容，可編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)或信息系統(tǒng)進(jìn)行檢索、分析或評(píng)價(jià)，可以采用影印、縮印、掃描或拷貝等保存、匯編本。（注：的在后適用本書。）作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日日期：年月日摘要紅外熱成像技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域都具有重要作用，紅外焦平面成像技術(shù)已成為紅外熱成像的主流趨勢(shì)。然而，由于非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)電路繁雜和非制冷紅外焦平面探測(cè)單元尺寸、間距較大導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、功耗高，不利于非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的便攜式、手

3、持式應(yīng)用，限制了非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣，所以降低非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的功耗和減小系統(tǒng)的體積具有重要意義。非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)的圖像具有噪聲大、對(duì)比度低、數(shù)據(jù)量大的缺點(diǎn)，本文首先結(jié)合便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的應(yīng)用要求，給出了系統(tǒng)的功能需求。根據(jù)需求，在對(duì)比多種實(shí)時(shí)信號(hào)處理方案之后，采用了處理速度快、功耗低、邏輯電路控制靈活的DSP+FPGA 方案；其次根據(jù)紅外成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理設(shè)計(jì)了系統(tǒng)框圖；然后詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟硬件，硬件具體包括電源電路、處理電路、電路和制冷控制電路模塊，部分主要包括圖像預(yù)處理和增強(qiáng)、文件管理和設(shè)置功能。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為滿足小體積的要求，重點(diǎn)考慮小體積器件選

4、擇問(wèn)題和采用電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)；依據(jù)系統(tǒng)低功耗的要求，重點(diǎn)考慮了低功耗器件的選擇和 DSP的電源優(yōu)化管理，有效達(dá)到延長(zhǎng)系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間的目的，提高系統(tǒng)的便攜性能。最后，對(duì)系統(tǒng)的整體功能、成像效果和功耗進(jìn)行了測(cè)試。表明系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)紅外圖像、處理和顯示，其中圖像實(shí)時(shí)處理能力達(dá)到 25 幀每秒，正常工作的功耗為 5.66W，待機(jī)時(shí)間達(dá)到 3.47 小時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。：紅外成像，圖像處理，便攜式，低功耗AbstractInfrared imaging technology plays an important roleilitary and civil fields, theinfrar

5、ed focal plane arrays imaging system hase a mainstream trend of infraredimaging system. However,t the complex cirruit of the system and the large span betntwo big infrared focal plane detection unit does not favor the portable, handheldapplications of uncooled infrared thermal imaging system, which

6、limits the furtherpromotion. As a consequence, to reduce theer consumption and the volume ofuncooled infrared thermal imaging system is of great significance.ly, aming at Uncooled infrared focal plane imaging systems disadvantage,such as large noise, low contras and massive datas, the functional req

7、uirements of the system isproed, combining with the requirements of portable uncooled infrared thermal imagingsystem. According to the needs of performance, the prosing speed, lowerconsumption, flexible logic control circuits of DSP + FPGA scheme is been chosen bycomparing variety of real-time signa

8、l prosing schemes. Secondly, this pr designedthe systems block diagram, based on the principle of infrared imaging system. Then thedetailed plan of the system hardware and software is been elaborated, the part of hardwareis includinger supply circuit, core prosing circuit, storage circuit and coolin

9、g controlcircuit, software part mainly includes image preprosing and enhancement, data filemanagements and setting functions. In the pros of the design,for meeting therequirements of small volume, this pr focused the selection of small chips and theoptimization of circuit; Accordance to the requirem

10、ents of lower consumption, theer consumption arechoice of lower deviand the management of DSP chipstakeno consideration.Above all, the pure is to achieve the goal of extending batterlife and improving the systems portable performance.Finally, the systems basic function, imaging effect ander consumpt

11、ion was tested.The results showt the system can gather, pros and display infrared image data in realtime. Dataggestt the image real-time prosing ability is 25 frames per second,er consumption is 5.66 W, standby time is 3.47 hours when system working, the testresults also provethe system performance

12、achieved design goal.Keywords: infrared imaging, image prosing, portable, lower consumption目錄圖錄VI表錄VIII注釋表IX第 1 章1.11.21.31.4第 2 章2.12.2引言1課題背景1課題研究意義2的主要研究?jī)?nèi)容3組織結(jié)構(gòu)4便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)6便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)性能分析6非制冷紅外熱成像系統(tǒng)總體框架8紅外成像原理研究8便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)112.3低功耗高性能的選型142.3.12.3.22.3.32.3.42.3.5紅外焦平面的選型14低功耗控制處理

13、器 DSP 的選型14高轉(zhuǎn)換效率電源選型16選擇17的選型20電池及其管理其他低功耗2.4第 3 章3.1本章小結(jié)21便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)22電源設(shè)計(jì)22系統(tǒng)供電電路及上電順序設(shè)計(jì)22充電電路設(shè)計(jì)233.1.3 電池電量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)25半導(dǎo)體制冷電路設(shè)計(jì)26DSP 基本電路及其接口電路設(shè)計(jì)283.23.33.3.13.3.23.3.33.3.4晶振及時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)28BOOT 電路和JTAG 電路設(shè)計(jì)28DDR2電路設(shè)計(jì)30接口313.43.5第 4 章4.14.2PCB 設(shè)計(jì)32本章小結(jié)35便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)36功能模塊設(shè)計(jì)36主要功能模塊實(shí)現(xiàn)374.2.1

14、4.2.24.2.3圖像處理37文件管理42系統(tǒng)設(shè)置434.3系統(tǒng)功耗優(yōu)化444.3.1 編譯優(yōu)化444.3.2 TMS320DM6437功耗優(yōu)化454.44.5第 5 章5.1程序自引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)47本章小結(jié)48非制冷紅外熱成像系統(tǒng)測(cè)試49硬件功能驗(yàn)證49系統(tǒng)電源測(cè)試49系統(tǒng)基本功能測(cè)試50系統(tǒng)實(shí)時(shí)成像效果的測(cè)試51系統(tǒng)功耗測(cè)試535.3.1 系統(tǒng)電流和電壓測(cè)試方法535.25.35.3.25.3.35.3.4充電電路及電量檢測(cè)電路測(cè)試53DM6437功耗優(yōu)化測(cè)試55系統(tǒng)續(xù)航能力測(cè)試565.4第 6 章6.16.2本章小結(jié)56總結(jié)與展望57總結(jié)57展望57參考文獻(xiàn)59附錄ADDR2 測(cè)試代碼62致

15、謝63攻讀學(xué)位期間從事的科研工作及取得的成果64圖錄圖 1.1圖 2.1圖 2.2圖 2.3圖 2.4圖 2.5圖 3.1圖 3.2圖 3.3圖 3.4圖 3.5圖 3.6圖 3.7圖 3.8圖 3.9紅外焦平面陣列與硬幣的比較2紅外成像系般結(jié)構(gòu)9紅外圖像數(shù)據(jù)處理流程10系統(tǒng)原理框圖12TMS320DM6437 功能框圖15鋰電池充電過(guò)程示意圖19系統(tǒng)上電順序設(shè)計(jì)23充電管理原理圖24電池電量檢測(cè)原理圖26TEC 溫控框圖27UL03191 焦平面溫度與輸出電壓關(guān)系圖27DDR2器電路圖31輸出32溫濕度傳感器電路連接圖336 層PCB 的層結(jié)構(gòu)34圖 3.10 PCB 制版圖和實(shí)物圖35圖

16、4.1圖 4.2圖 4.3圖 4.4圖 4.5圖 4.6圖 4.7圖 4.8總體框架圖36圖像處理模塊37紅外探測(cè)單元響應(yīng)曲線38盲元檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流程圖38非均勻性校正程序流程圖40三段灰度拉伸示意圖41偽彩色變換基本原理42常用的灰度關(guān)系圖42圖 4.9 系統(tǒng)設(shè)置功能43圖 4.10 CCS 的優(yōu)化等級(jí)44圖 4.11 3P3V_PWDN 寄存器47圖 5.1圖 5.2圖 5.3圖 5.4圖 5.5計(jì)算機(jī)與目標(biāo)板的連接示意圖50CCS 與 DSP 的連接50DDR2. 51最終產(chǎn)品51各算法處理后的圖像52表錄表 2.1表 2.2表 2.3表 2.4表 3.1表 3.2表 3.3表 3.4表 3

17、.5表 4.1表 4.2表 4.3表 5.1表 5.2表 5.3表 5.4表 5.5表 5.6表 5.7表 5.8便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)功能6便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)性能8紅外探測(cè)器性能對(duì)比表14幾種常用電池性能對(duì)比17啟動(dòng)模式相關(guān)引腳功能描述29BOOTMODE3:0引腳功能描述29JTAG 接口定義30DM6437 的 DDR2 接口引腳表30VPFE 引腳32LPSCs 控制的模塊46L2PDSLEEPn 域描述46DACTST 域描述47DSP 三種供電電壓測(cè)試49驅(qū)動(dòng)電壓和偏置電壓的測(cè)試50處理 100 幀的時(shí)間充電電流. 52(25) . 54恒流充電時(shí)充電電流與電量和時(shí)間表

18、54. 55. 55優(yōu)化前功耗優(yōu)化后功耗續(xù)航時(shí)間測(cè)試56注釋表TECThermoelectric Cooler，熱電制冷器FPAFocal Plane Array，焦平面列陣IRFPAInfrared Focal Plane Array，紅外焦平面列陣CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CISCMOS Image Sensor，CMOS 圖像傳感器CFCompact Flash，CF 卡MMCMultimedia Card，多卡DSPDigital Signal Prosing，數(shù)字信號(hào)處理FPGAField Progra

19、mmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列PCBPred Circuit Board，印制電路板NETDNoise Equivalent Temperature Difference，噪聲等效溫差EDMAEnhanced Direct Memory Acs，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取RTCReal Time Clock，實(shí)時(shí)時(shí)鐘第1章 引言1.1 課題背景由電磁理論可知，物質(zhì)帶電粒子（如電子）的變速運(yùn)動(dòng)都會(huì)發(fā)射或吸收電磁輻射，把這些輻射按其波長(zhǎng)（或頻率）的次序排列成續(xù)譜，就稱之為電磁波普1。在電磁波譜中，把波長(zhǎng) 0.751000m 的電磁波稱為紅外線，紅外線位于可見(jiàn)光與微波之間，所以人眼

20、看不見(jiàn)紅外線，通常紅外線又被稱作紅外輻射、紅外光。紅外線是英國(guó)天文學(xué)家耳(Herschel)在研究七色光的熱效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，由此，人類開(kāi)始了紅外技術(shù)的研究。根據(jù)定理，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)不停地向周圍發(fā)出紅外輻射2，所以，紅外輻射是自然界中最為廣泛的輻射。紅外線除普遍存在性之外，還有兩個(gè)重要的特性：(1) 短波紅外(13m)、中波紅外(35m)和長(zhǎng)波紅外(814m)被稱為紅外輻射的“大氣窗口”3，這是因?yàn)榇髿?、煙云?duì)這三個(gè)紅外波段是透明的，利用這一特點(diǎn)，可以有效地完成全天候觀察；(2) 紅外輻射的強(qiáng)弱與發(fā)射紅外輻射物體的表面溫度有密切聯(lián)系，為進(jìn)行無(wú)接觸的溫度測(cè)量提供了重要方法4。紅外輻射

21、的這些特點(diǎn)，使紅外熱像系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。紅外輻射包含了客觀世界豐富的信息，利用紅外熱成像系統(tǒng)可以將人眼不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成人眼能夠觀察的圖像，擴(kuò)展了人類的觀察范圍5。想要觀察紅外輻射，首先需要將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的信號(hào)，把這種具有轉(zhuǎn)換功能的器件稱之為紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器的工作原理是基于紅外輻射與物質(zhì)（材料）相互作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)，按工作原理可以將紅外探測(cè)器分為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器兩大類6。紅外探測(cè)器作為紅外成像系統(tǒng)的，得到了廣泛應(yīng)用。紅外熱成像系統(tǒng)在近 40 年來(lái)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)紅外探測(cè)器制造成本的降低，由此，紅外熱成像設(shè)備也由最初的軍事應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)在民用領(lǐng)域，

22、帶來(lái)了廣闊的市場(chǎng)。紅外成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件是紅外探測(cè)器，紅外探測(cè)器的作用類似于可見(jiàn)光的圖像傳感器，是將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的物理量。紅外探測(cè)器經(jīng)過(guò)兩代的發(fā)展，已由 60 年代的制冷型單元紅外探測(cè)器或線列紅外探測(cè)器發(fā)展到非制冷性紅外焦平面(IRFPA)，IRFPA 的特點(diǎn)是，無(wú)需工作在低溫環(huán)境，可以在室溫工作，無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這種器件應(yīng)用到紅外成像系統(tǒng)中，出現(xiàn)了非致冷型紅外熱成像儀7，使紅外技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。1.2 課題研究意義紅外熱成像系統(tǒng)利用紅外光成像，而紅外光的三個(gè)特性使其有廣泛的應(yīng)用。在軍事上，紅外系統(tǒng)比系統(tǒng)的分辨率高，隱蔽性好，不易受電子干擾，較可見(jiàn)光系統(tǒng)具有能識(shí)別、可晝

23、夜工作、受天氣影響較小、可全天候成像等優(yōu)點(diǎn)，使紅外熱成像技術(shù)可用作夜視、紅外制導(dǎo)、紅外隱身和紅外儀器測(cè)試8；在民用領(lǐng)域，紅外熱成像系統(tǒng)主要是檢測(cè)物體的表面溫度，因?yàn)槟承┪矬w溫度驟升會(huì)帶來(lái)危害和安全隱患，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)這些溫度驟升的目標(biāo)物體，可以有效預(yù)防事故發(fā)生并減少經(jīng)濟(jì)損失。在森林防火中，可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并采取有效措施進(jìn)行妥善處理；在工業(yè)設(shè)備中，可以檢測(cè)機(jī)械故障點(diǎn)；醫(yī)療事業(yè)中，可用于疾病的檢測(cè)9。紅外成像的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)，衍射極限限定了紅外探測(cè)器的像元間距無(wú)法縮小到CMOS 圖像傳感器(CIS)像元的尺寸，相比于目前 CIS 模組的外形尺寸，紅外熱像系統(tǒng)的探測(cè)器和其組件可以算得上龐然大

24、物，其體積相差數(shù)倍以上，紅外焦平面陣列與硬幣的比較如圖 1.1 所示。非制冷紅外焦平面雖然不需要在低溫環(huán)境下就可以正常工作，但是為了使其具有最大的靈敏度和獲得穩(wěn)定的校正參數(shù)，紅外焦平面需要在穩(wěn)定的溫度下工作，焦平面需要半導(dǎo)體制冷（制熱），其制冷（制熱）電流通常在幾百毫安，決定其功耗不可能低；此外，非制冷紅外熱成像系統(tǒng)除具備可見(jiàn)光成像系統(tǒng)的基本、處理電路外，還要涉及多種驅(qū)動(dòng)電壓電路、制冷器控制電路，以上這些原因使得非制冷紅外熱成像系統(tǒng)體積大、功耗高，使紅外熱成像系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用受到了限制，所以研制能方便攜帶、有足夠長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間和良好的操作性便攜式紅外熱成像設(shè)備有重要意義。圖 1.1 紅外焦平面陣

25、列與硬幣的比較1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的器件是非制冷焦平面，其發(fā)展水平直接決定了非制冷熱成像系統(tǒng)的發(fā)展。世界各國(guó)都在競(jìng)相開(kāi)展非制冷焦平面的研究，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的非制冷紅外熱焦平面以及整機(jī)的研制和生產(chǎn)水平處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。FLIR SYSTEMS 公司作為全球最大最專業(yè)的熱成像技術(shù)系統(tǒng)，掌握了從紅外探測(cè)器、紅外鏡頭到紅外系統(tǒng)的每個(gè)的研發(fā)制造能力。其紅外熱像儀產(chǎn)品更是一應(yīng)俱全，在工業(yè)檢測(cè)、建筑、可再生能源、邊防、機(jī)芯和、安防、研發(fā)、海事、自動(dòng)化、氣體泄漏檢測(cè)、交通、戶外活動(dòng)、消防等細(xì)分領(lǐng)域總共推出了多達(dá) 51 個(gè)系列，多達(dá)數(shù)百款產(chǎn)品。探測(cè)器像素已由原來(lái)的單元結(jié)構(gòu)發(fā)展到目前的大規(guī)模面

26、陣，并逐步向超大規(guī)模陣列發(fā)展，像素尺寸也在明顯減小。國(guó)內(nèi)在非制冷焦平面技術(shù)上起步較晚，近年來(lái)國(guó)家投入了大量人力物力用于非制冷焦平面陣列的研究，目前已經(jīng)取得初步發(fā)展。國(guó)內(nèi)在非制冷紅外熱成像方面的研究主要集中在部分高等院校和所。這些研究主要進(jìn)行探測(cè)器陣列及其工藝的研究。而經(jīng)營(yíng)非制冷紅外熱像儀的公司大部分只停留在制作一些設(shè)備和開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)上，最的紅外探測(cè)器都是從國(guó)口。國(guó)內(nèi)具有較強(qiáng)研發(fā)實(shí)力、擁有知識(shí)、能夠獨(dú)立開(kāi)發(fā)紅外熱像儀后續(xù)電路和圖像處理的民營(yíng)企業(yè)主要為德高、浙江大立和廣州颯特等公司。這三家公司占據(jù)了 60%的中國(guó)民用市場(chǎng)份額，產(chǎn)業(yè)集聚現(xiàn)象比較明顯。國(guó)內(nèi)研制的非制冷紅外探測(cè)器產(chǎn)品在部分參數(shù)方面已經(jīng)與國(guó)

27、外先進(jìn)產(chǎn)品持平，但仍有差距。若采用國(guó)口的先進(jìn)探測(cè)器，研制出具有國(guó)外同等水平的整機(jī)并不。但在國(guó)內(nèi)還無(wú)高性能紅外探測(cè)器量產(chǎn)的情況下，國(guó)內(nèi)研制的紅外產(chǎn)品鮮少完全具知識(shí)，其生存能力和繼續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的能力還有待加強(qiáng)。1.4的主要研究?jī)?nèi)容便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)采用 DSP 和FPGA 的紅外成像方案，通過(guò)該方案實(shí)現(xiàn)了紅外圖像數(shù)據(jù)的獲取、處理和顯示。紅外成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及很多技術(shù)，包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件物理、材料、微機(jī)械加工、信號(hào)處理與顯示、封裝與組裝等一系列專門技術(shù)，所以，為提高項(xiàng)目整體研發(fā)效率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮系統(tǒng)所具備的基礎(chǔ)功能、覆蓋性、實(shí)時(shí)性、設(shè)計(jì)成本性等，本文通過(guò)四個(gè)階段進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)：方案論

28、證、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)測(cè)試。在方案論證階段通過(guò)查閱與便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)相關(guān)的資料驗(yàn)證方案的可行性；方案設(shè)計(jì)中提出需求分析，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)；方案實(shí)現(xiàn)中將各個(gè)模塊根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)測(cè)試中先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，再將各個(gè)模塊連接組合進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。為了系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，在設(shè)計(jì)時(shí)哪個(gè)階段如出現(xiàn)問(wèn)題需對(duì)前一階段的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論修改。此外，為了提高紅外熱成像系統(tǒng)便攜性能，如何減小非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的體積和降低功耗作出。綜上所述，具體的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：1. 深入研究分析非制冷紅外熱成像原理，總結(jié)非制冷紅外熱成像系統(tǒng)體積大、功耗高的原因，確定研究意義，對(duì)比常見(jiàn)構(gòu)建紅外

29、成像系統(tǒng)技術(shù)方案優(yōu)劣勢(shì)，設(shè)計(jì)便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)方案。2. 根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，按功能將系統(tǒng)劃分為模塊。3. 針對(duì)各模塊進(jìn)行硬件型號(hào)的具體選擇，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)原理圖，完成系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和PCB 制作。的資料手冊(cè)，在此基礎(chǔ)上，4. 完成硬件的焊接，并分模塊調(diào)試，完成系統(tǒng)硬件的構(gòu)建；學(xué)習(xí)紅外圖像處理相關(guān)算法和DSP 開(kāi)發(fā)相關(guān)知識(shí)，完成各模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)成系統(tǒng)的基本功能。5. 學(xué)習(xí) TMS320DM6437 的，熟悉功耗管理方法并實(shí)現(xiàn)，學(xué)習(xí)算法優(yōu)化的方法，針對(duì)用到的算法進(jìn)行優(yōu)化，并驗(yàn)證功耗優(yōu)化效果。1.5組織結(jié)構(gòu)本文在研究紅外成像技術(shù)的原理和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，分析便攜式紅外設(shè)

30、備的需求，根據(jù)需求確定系統(tǒng)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要包括系統(tǒng)選型、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、圖像處理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及功耗優(yōu)化等內(nèi)容。本文的章節(jié)安排如下：第 1 章為緒論部分，首先簡(jiǎn)述課題背景，簡(jiǎn)述了紅外成像技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展，進(jìn)一步分析了研究便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的必要性，然后對(duì)本文的內(nèi)容和章節(jié)安排作簡(jiǎn)單介紹。第 2 章的主要內(nèi)容分析非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的性能要求，研究了紅外成像的原理，根據(jù)性能要求和成像原理確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)非制冷紅外熱成像系統(tǒng)框架，然后針對(duì)便攜式應(yīng)用要求，著重進(jìn)行了低功耗選型。第 3 章的主要內(nèi)容是便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，著重對(duì)電源部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，電源設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)供電電

31、路、充電電路和電池電量檢測(cè)電路三部分，然后完成熱電制冷電路和 DSP 基本電路設(shè)計(jì)，最后分析了本系統(tǒng)中 PCB設(shè)計(jì)中的布局、布線問(wèn)題。第 4 章的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)部分，先根據(jù)系統(tǒng)功能需求和性能需求對(duì)進(jìn)行功能模塊劃分，包括圖像處理、文件管理和系統(tǒng)設(shè)置，然后對(duì)各模塊中的具體內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并針對(duì)功耗問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化和DSP的功耗管理。第 5 章的主要內(nèi)容是本文的測(cè)試部分，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和正確性。首先對(duì)硬件基本功能進(jìn)試，然后測(cè)試了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，最后完成系統(tǒng)功耗優(yōu)化前后的測(cè)試和分析對(duì)比。第 6 章的內(nèi)容是總結(jié)與展望，對(duì)本文所做工作進(jìn)行總結(jié)并對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行展望。第2章 便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的總體設(shè)

32、計(jì)本章首先分析便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的需求和紅外熱成像系統(tǒng)原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)熱成像系統(tǒng)的總體框架，最后根據(jù)便攜式應(yīng)用要求，選擇低功耗、小體積的。2.1 便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有在清楚系統(tǒng)需求之后，才能進(jìn)行后續(xù)工作，設(shè)計(jì)出滿足要求的產(chǎn)品。2.1.1 系統(tǒng)功能分析用戶使用紅外熱成像系統(tǒng)獲取目標(biāo)物體的圖像，可以觀察、保存圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合便攜式設(shè)備的功能需求和紅外系統(tǒng)的特點(diǎn)得到本系統(tǒng)的功能需求。具體的功能和說(shuō)明如表 3.1 所示。表 2.1便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能說(shuō)明顯示功能人機(jī)交互方便用戶觀察圖像用戶可根據(jù)需要修改參數(shù)保存重要的數(shù)據(jù)提高電池重

33、復(fù)使用率用于提示用戶剩余電量，主要保存重要數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)功能充電功能電量檢測(cè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘語(yǔ)音注釋功能環(huán)境溫濕度時(shí)間日期功能方便用戶說(shuō)明圖像獲取環(huán)境參數(shù)，用于校正圖像便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的目的是：讓用戶可以像使用可見(jiàn)光設(shè)備一樣，可以簡(jiǎn)單、方便的觀察到物體的紅外圖像，所以需要 LCD 顯示紅外圖像，以供用戶查看；用戶根據(jù)實(shí)際需要可能會(huì)設(shè)置一些環(huán)境參數(shù)和保存重要數(shù)據(jù)，所以需要按鍵來(lái)完成人機(jī)交互和非易失性器來(lái)保存參數(shù)；便攜式設(shè)備肯定會(huì)使用電池為系統(tǒng)提供電源，所以需要充電功能和電量檢測(cè)功能方便用戶的使用；時(shí)鐘功能和注釋功能為用戶提供一些輔助，提高便攜性能；環(huán)境溫濕度參數(shù)用于校正紅外圖像。2.1.2 系統(tǒng)性能

34、分析隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外成像關(guān)鍵器件紅外探測(cè)器和批量生產(chǎn)，價(jià)格越來(lái)越低，紅外熱成像系統(tǒng)開(kāi)始在民用領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，但越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)紅外成像系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的應(yīng)用要求，如實(shí)時(shí)性更好、待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)、重量更輕等，為此，本文提出研制便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)。系統(tǒng)要求如下：1 非制冷紅外焦平面。該器件是非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的器件，直接決定最終的成像質(zhì)量。便攜式設(shè)備要求體積小，利于攜帶，所以選取體積小的非制冷型紅外焦平面；根據(jù)位移定律，常溫物體發(fā)出的紅外輻射峰值集中在 814m之間，故紅外探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域在 814m較為合適。2. 圖像性能。對(duì)于紅外圖像而言，圖像性能主要包括實(shí)時(shí)性、信號(hào)

35、數(shù)字分辨率、圖像分辨率、空間分辨率和溫度分辨率。實(shí)時(shí)性是指幀頻，即時(shí)間內(nèi)能夠處理的圖像數(shù)，幀頻越高，實(shí)時(shí)性越好。對(duì)于系統(tǒng)，幀頻必須高于人眼視覺(jué)暫留現(xiàn)象的 24 幀標(biāo)準(zhǔn)，而紅外成像系統(tǒng)通常應(yīng)用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的場(chǎng)合，因此要求系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性；信號(hào)數(shù)字分辨率是指紅外探測(cè)器每一像素輸出電信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換精度，位數(shù)越高，精度也越高，因紅外圖像是灰度圖像，灰度圖像一般有 256 個(gè)灰度級(jí)，所以要求轉(zhuǎn)換位數(shù)高于 8 位；空間分辨率又稱為瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)。瞬時(shí)視場(chǎng)是由單元探測(cè)器光敏面尺寸及光學(xué)系統(tǒng)焦距共同決定的觀察角，其大小通常都是反映紅外熱像儀空間分辨率的高低的指標(biāo)；噪聲等效溫差(Noise Equi

36、valent TemperatureDifference, NETD)是指紅外探測(cè)器能探測(cè)到的最小溫差；3 數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的方式和容量。4 控制分析。人機(jī)交互方法。作為便攜式設(shè)備，系統(tǒng)功耗一定程度決定其續(xù)航時(shí)間，因功耗越低，系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，越能滿足場(chǎng)合的應(yīng)用要求。通常要求便攜式系統(tǒng)具有更輕的重量，更小的體積，以便于攜帶。此外，還有其他的性能，如續(xù)航時(shí)間、工作環(huán)境溫度、連續(xù)工作時(shí)間、電源要求等。根據(jù)以上要求，并結(jié)合實(shí)際需要，本系統(tǒng)性能參數(shù)如表 2.2 所示。表 2.2便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)性能注：體積部分的測(cè)量不包含凸起部分2.2 非制冷紅外熱成像系統(tǒng)總體框架2.2.1 紅外成像原理研究自然界

37、中的一切物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度(-273)就能產(chǎn)生自子和原子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并不斷地向外輻射紅外能量9。不同溫度的物體輻射出來(lái)的紅外輻射有所差異，從而產(chǎn)生了的不同熱對(duì)比，可以通過(guò)紅外熱成像技術(shù)呈現(xiàn)物體的輪廓。與可見(jiàn)光成像相比，紅外熱成像技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)，紅外輻射表征著發(fā)射物體的表面溫度，所以紅外熱像系統(tǒng)能方便的測(cè)得物體的表面溫度，同時(shí)，紅外成像還可在夜間成像，受可見(jiàn)光影響很??；紅外輻射基本不受大氣、煙云干擾，可全天候工作。在紅外成像系統(tǒng)中，利用紅外光學(xué)組件將物體的紅外輻射能量聚焦到紅外焦平面陣列上，紅外焦平面陣列再將強(qiáng)弱不等的輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和圖像處理，形成可

38、供人眼觀察的紅外圖像10。紅外熱像系統(tǒng)的一般原理結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。焦平面性能焦平面類型非制冷焦平面像素384288工作波段814m焦平面溫度控制精度0.01圖像性能信號(hào)數(shù)字化分辨率12 Bit空間分辨率1mradNETD120mK溫度分辨率0.05（30時(shí)）幀頻24f/s圖像顯示3.5 英寸 TFT 屏，分辨率 640480數(shù)據(jù)方式SD 卡容量2G控制分析操作方式中文菜單，按鍵控制畫面顯示LCD 顯示調(diào)焦方式手動(dòng)設(shè)置功能設(shè)定輻射率、距離、環(huán)境溫度、時(shí)間等參數(shù)其他參數(shù)續(xù)航時(shí)間3.5 小時(shí)充電電壓12V DC連續(xù)工作時(shí)間2 小時(shí)系統(tǒng)功耗6W體積125mm(H)110mm(W)200mm(D)

39、重量1.5Kg(5) 由于紅外成像器件的限制，使得紅外圖像的灰度分布較集中，使用灰度拉升，可以改善圖像的邊緣效果，提高圖像對(duì)比度。(6) 紅外圖像由其成像原理決定了圖像是灰度圖像，但是人眼對(duì)色彩的變化更為敏感，為此，還需要對(duì)圖像進(jìn)行偽彩轉(zhuǎn)換，增加圖像的色彩和感，便于更好的掌握目標(biāo)紅外圖像的溫度分布情況。4. 顯示器：顯示器的功能是將處理后的圖像顯示，以便觀察物體輪廓和查看溫度的分布情況。2.2.2 便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)非制冷紅外熱成像系統(tǒng)以紅外焦平面陣列為器件，完成紅外輻射的轉(zhuǎn)換，得到可以測(cè)量的物理量。但是紅外焦平面由于其材料、制造工藝和一些其他干擾問(wèn)題，造成紅外圖像有很大噪聲，

40、在實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境下，需要處理的圖像數(shù)據(jù)量大；此外，紅外焦平面陣列的熱敏感性高，易受環(huán)境的影響，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合選擇相應(yīng)的處理方法，造成處理過(guò)程復(fù)雜，因此非制冷紅外熱成像系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)圖像處理能力強(qiáng)的系統(tǒng)方案才能滿足性能要求。在實(shí)時(shí)圖像處理的硬件實(shí)現(xiàn)主要有 3 種方案：(1) 基于 ASIC 的片上系統(tǒng)(SOC)的方案；(2) 基于高速 DSP 的結(jié)構(gòu)的方案；(3) 基于 DSP+FPGA 的體系結(jié)構(gòu)?；?SOC 方案的整個(gè)系統(tǒng)具有功耗低、設(shè)備可裁剪、可升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，但此方案的缺點(diǎn)是：SOC 系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中缺乏好的解決方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)難度較高，成功率低，可性和靈活性差；

41、基于 DSP 的方案中 DSP 的體積小、運(yùn)算速度快、功耗低，使信號(hào)處理更靈活，但是在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中，低層的信號(hào)預(yù)處理數(shù)據(jù)量大，要求處理器速度高，而算法比較簡(jiǎn)單，使用 DSP 來(lái)處理，造成 DSP 資源的浪費(fèi)，適合使用FPGA 硬件實(shí)現(xiàn)。所以本文采用了運(yùn)算速度快、功耗低、邏輯控制靈活的的 DSP+FPGA 方案。FPGA 實(shí)現(xiàn)圖像的預(yù)處理，尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的 DSP 用于控制和計(jì)算復(fù)雜的圖像處理算法。這樣，采用 DSP+FPGA 的數(shù)字硬件系統(tǒng)，可以把 DSP 的高速處理能力和FPGA 的靈活性二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合一起，既能夠滿足低層信號(hào)處理要求，又滿足信號(hào)處理要求。該方案最大的特點(diǎn)是結(jié)

42、構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率；系統(tǒng)易于和擴(kuò)展，適合于實(shí)時(shí)信號(hào)處理。紅外熱成像系統(tǒng)是通過(guò)紅外光學(xué)組件將物體的紅外輻射能量聚焦到紅外焦平面陣列上，紅外焦平面陣列將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和圖像處理，得到紅外圖像以供人眼觀察。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：紅外輻射能量透過(guò)光學(xué)組件，被紅外焦平面陣列接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，后經(jīng)信號(hào)放大和 A/D 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)紅外輻射到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線把數(shù)字信號(hào)傳輸給 FPGA 作預(yù)處理，同時(shí)FPGA 還提供紅外焦平面陣列的驅(qū)動(dòng)時(shí)序和寄存器配置信號(hào)以及給后端提供數(shù)字視頻信號(hào)的同步信號(hào)。經(jīng) FPGA 預(yù)處理后的數(shù)字信號(hào)輸入 DSP

43、高速處理器的前端，DSP 對(duì)紅外原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行盲元補(bǔ)償、非均勻性校正、均值濾波、灰度拉伸、偽彩變換算法處理，并將處理后的圖像送 LCD 顯示。根據(jù)紅外成像系統(tǒng)的成像過(guò)程，并結(jié)合便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)需求和性能要求，設(shè)計(jì)硬件框架如圖 2.3 所示。像處理工作。本用 ULIS 公司使用非晶電阻硅材料生產(chǎn)的 UL03191，該器件主要由一個(gè)二維微測(cè)輻射熱計(jì)陣列(FPA)和熱電制冷器(TEC)。FPA 將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在 FPGA 的時(shí)序控制下完成模數(shù)轉(zhuǎn)化和傳輸。FPGA 還需要接收來(lái)自紅外焦平面的 6 位數(shù)字信號(hào)并12 位的數(shù)字信號(hào)提供給 DSP 處理。為保證 FPA的一致性和最大靈敏

44、度，需要維持其工作溫度的穩(wěn)定，紅外焦平面陣列中的溫度傳感器將 FPA 的表面溫度通過(guò)電壓信號(hào)傳給溫度控制，溫控根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度，通過(guò)溫控電路控制 TEC 的電流，使 FPA 的溫度恒定14。同時(shí)，控制電路中的 FPGA 還要給 DSP 提供控制信號(hào)，以便和 DSP 進(jìn)行送。由于此部分電路不是本文的重點(diǎn)，在后面章節(jié)不再介紹。，完成數(shù)據(jù)的傳2. 處理和電路：該模塊的器件是 DSP 處理器，其一方面承擔(dān)著系統(tǒng)其他硬件單元模塊的初始化和控制的工作，另一方面還要完成對(duì)紅外圖像的實(shí)時(shí)處理，所以要求 DSP 處理器的能力要高，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大量高速數(shù)據(jù)的處理和高的實(shí)時(shí)性。電路包括SDRAM 和FLASH 電路，F(xiàn)

45、LASH器主要是系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)、盲元的位置信息和非均勻校正相關(guān)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)要求掉電之后仍然能夠保存，所以需要保存在非易失性中；如前所述，系統(tǒng)需要處理的圖像數(shù)據(jù)量很大，但是 DSP 得片內(nèi)空間很小，需要使用 DSP 提供 DDR2 的接口來(lái)滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求，同時(shí)，為保證程序能高速執(zhí)行，需要將程序搬到SDRAM 中，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。此外，SDRAM 還用作 OSD緩沖器。3. 電源模塊：電源部分包括鋰電池充電、電池電量檢測(cè)電路和系統(tǒng)供電電路。鋰電池充電電路完成鋰電池的充電任務(wù)，提高電池的循環(huán)使用率；電池電量檢測(cè)電路檢測(cè)電池的剩余電量，提示用戶剩余電量，方便用戶使用；系統(tǒng)供電電路為整個(gè)系統(tǒng)

46、提供電源，使系統(tǒng)能夠正常工作。在實(shí)際應(yīng)用中，電源的性能直接決定了系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的工作，因此設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的供電系統(tǒng)顯得尤為重要。4. 其它外設(shè)：包括音頻處理、JTAG 接口和 SD 卡，音頻主要是用來(lái)做紅外圖像語(yǔ)音注釋，完成和語(yǔ)音功能，所以需要音頻模塊完成音頻信號(hào)和功能；SD 卡用來(lái)主要有兩個(gè)用途，一個(gè)是系統(tǒng)應(yīng)用程序，另一個(gè)是熱像儀下來(lái)的紅外圖像、測(cè)試數(shù)據(jù)和語(yǔ)音等數(shù)據(jù)；JTAG 接口用于系統(tǒng)板調(diào)試及產(chǎn)品的維修。2.3 低功耗高性能的選型2.3.1 紅外焦平面的選型作為便攜式設(shè)備，在選擇器件的原則上首當(dāng)考慮的是器件的體積和功耗，由于紅外焦平面由其成像原理復(fù)雜和制作工藝難度大，造成體積大，所以首

47、先考慮功耗，其次兼顧體積作綜合選擇。另外，而作為特殊的紅外焦平面焦平面的選擇還需要考慮噪聲等效溫差15(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)，這個(gè)參數(shù)決定熱成像系統(tǒng)性能的關(guān)鍵性參數(shù)，所以在選擇紅外焦平面是該參數(shù)也必須作考慮。光量子類紅外焦平面陣列的NETD 值范圍通常在 0.10.01K16，使用/2 光學(xué)時(shí)，InSb、CaAlAs、HTe 的焦平面陣列都可達(dá)到 0.01K 的NETD 值，適合、機(jī)載等移動(dòng)成像偵察和成像制導(dǎo)等中高性能的系統(tǒng)應(yīng)用；而非制冷型紅外焦平面陣列0.1K 的NETD 可滿足便攜式熱像設(shè)備等低檔的系統(tǒng)應(yīng)用。除此之外，

48、紅外焦平面的之一。表 2.2制造是高端技術(shù)，所以價(jià)格不菲，因此價(jià)格也是紅外焦平面選擇的對(duì)比了法國(guó) ULIS 公司的三個(gè)產(chǎn)品的性能對(duì)比。表 2.3 紅外探測(cè)器性能對(duì)比表尺寸(mm3)功耗(mW)NETD(mK)重量(g)型號(hào)分辨率UL0525141.2306.6UL0427224.124.15.6UL0319123.5327.7130170110607515001無(wú)限很高根據(jù)表 2.3 可知，鋰電池的在與鎳鎘電池和鎳氫電池相比，有較高的能量密度，所以同樣容量下，有較小的體積電池雖然有很高的能量密度，但是成本極高，綜合考慮以上，采用鋰電池為系統(tǒng)供電。2. 電池電量檢測(cè)的選擇電池電量檢測(cè)電路的功能不

49、僅要檢測(cè)電池的剩余電量，提示用戶剩余電量，還需要對(duì)鋰電池的狀態(tài)進(jìn)行，以防止過(guò)放或者短路對(duì)電池造成而縮短電池的使用，甚至發(fā)生。鋰離子電池也存在使用，即便在正確使用的前提下，電池的容量會(huì)隨著鋰離子和正極材料的氧化而造成內(nèi)阻增大而減小，這就給正確檢測(cè)鋰電池的容量造成。常用的電池電量檢測(cè)方法有基于測(cè)量電壓和基于計(jì)的方法，但是這兩種方法都沒(méi)有解決電池隨使用時(shí)間造成的內(nèi)阻增大問(wèn)題，從而不能精確檢測(cè)電池容量，無(wú)法給便攜式設(shè)備提確的電池容量，其次，由于鋰電池因其化學(xué)特性，在特定范圍內(nèi)，溫度越高，活性越高，可放出的電量也就越多，反之越少。然而常用設(shè)備基于常溫使用，設(shè)計(jì)者出于成本的考慮只設(shè)計(jì)了常溫下的電量計(jì)算而未

50、增加其他溫度下的狀況考量，這就是為什么冬天和夏天某些電池電量測(cè)量會(huì)有很大差異的主要原因。所以，如何實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)電池電量也是本文涉及的內(nèi)容。常用的電池電量檢測(cè)采用的是基于電池的數(shù)學(xué)模型的方法，但是鋰電池的電能是很多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，不同種類的電池，發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)有所差異，從而導(dǎo)致電池模型中的電池參數(shù)的不一樣，所以這種方法需要在研發(fā)階段對(duì)其性能進(jìn)行分析，得出的各種參數(shù)再放到數(shù)學(xué)模型中計(jì)算，從而測(cè)量電量。但是鋰離子電池的放電時(shí)間與負(fù)載不是呈線性關(guān)系，溫度越高，容量越小，老化也越快，在電池使用了 70 到 100 個(gè)周期后，這種方法測(cè)量的出錯(cuò)率可能會(huì)超過(guò) 50%22。TI 公司的阻抗 技術(shù)依靠動(dòng)

51、態(tài)建模算法23，可以在電池老化過(guò)程中，實(shí)時(shí)計(jì)算其動(dòng)、靜態(tài)電壓差值，得出 DC 阻抗，電量信息的精確度達(dá)到了 99%。TI 公司的 BQ34Z100 電量計(jì)使用該技術(shù)，可以針對(duì)電池老化和自放電進(jìn)行補(bǔ)償，能精確計(jì)算電池剩余電量，該支持鋰電池和橄欖石型磷酸鋰鐵(LiFePO4)化學(xué)電池的電量檢測(cè)，電壓范圍為 3V 至 65V，電流也支持高于 32A 的充放電電流，電池容量也支持超過(guò) 65支持外部負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻，以保證放電過(guò)程的安全24。綜上所述，本擇 TI 公司的BQ34Z100，作為電量檢測(cè)。3. 充電管理的選擇鋰電池錯(cuò)誤的充電方影響電池的性能和，甚至引起安全問(wèn)題，所以只有合格的充電

52、管理系統(tǒng)才能保證電池充電過(guò)程的安全高效。為了提高鋰電池的充電效率，就必須增大充電電流，而一味的增加充電電流雖然會(huì)縮短充電時(shí)間，但是會(huì)影響電池的，同時(shí)，充電電流的增加也會(huì)造成電池溫度升高，當(dāng)溫度超過(guò)電池能承受的最高溫度時(shí)，甚至引起，所以現(xiàn)在采用較多的方法是：在電池電壓小于一定值之前，采用預(yù)充電，在預(yù)充電完成之后，采用恒流充電，當(dāng)達(dá)到一定閥值時(shí)，采用恒壓充電的方式，在整個(gè)過(guò)程中，為了保證電池的安全，需要對(duì)電池的溫度進(jìn)行，當(dāng)溫度高于溫度時(shí)，要減小充電電流，甚至停止充電，以確定充電過(guò)程的安全。其充電過(guò)程如圖 2.5 所示。全問(wèn)題，但是鋰電池在低溫環(huán)境下很難充滿，所以對(duì)鋰電池充電的應(yīng)具有溫度、過(guò)沖保護(hù)等

53、基本功能。德州儀器公司憑借其強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力，在全球市場(chǎng)上提供者先進(jìn)全面的便攜式電源管理方案，推出的 BQ24618有著相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。BQ24618 的輸入電壓范圍為 4.7V28V，動(dòng)態(tài)適應(yīng)范圍寬，支持 16 節(jié)的鋰電池，其充電電壓的準(zhǔn)確度高達(dá)0.5%，充電電流的準(zhǔn)確度也達(dá)到3%，對(duì)輸入過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)沖都有著完善的保護(hù)機(jī)制24，充電時(shí)靜態(tài)電流小于 1.5mA，截止?fàn)顟B(tài)下電流小于 15A，非常符合便攜式的應(yīng)用，所以選擇該作為充電管理。2.3.5 其他低功耗的選型在確定系統(tǒng)主要后，需要根據(jù)這些已確定的和便攜式紅外熱成像系統(tǒng)的要求選擇其他，具體包括以下的選擇：1. FLASH選型：FLASH 閃存分為

54、 NAND FLASH 和 NOR FLASH，NANDFLASH 的容量大、成本低，但是讀的速度沒(méi)有 NOR FLASH 快。本系統(tǒng)使用 FLASH主要用來(lái)保存少量的設(shè)置參數(shù)，要求能隨機(jī)的每一個(gè)字節(jié)，需要較快的讀速度。NOR FLASH 的地址線和數(shù)據(jù)線是獨(dú)立的，具有較高的傳輸速度，也能容易地存取其的每一個(gè)字節(jié)，所以選用 NOR FLASH 作為系統(tǒng)的非易失性之一。NORFLASH 與 DSP 的接口使用外部器接口相連，DM6437 支持 8 位 64M 的 NORFLASH，考慮到S29GL256N的冗余量和 DSP 支持的容量，本，其容量為 256M，數(shù)據(jù)寬度為 8 位。用了 SPAN公

55、司的2. SDRAM 選型：DM6437 集成一個(gè)32 位、256M DDR2 接口，該接口支持 JESD79D-2A 標(biāo)準(zhǔn)，兼容 16 位或 32 位 DDR2 SDRAM，但市面上常見(jiàn)的 DDR2為 16 位，且 32 位 DDR2 價(jià)格昂虧，所以選擇了兩片 16 位的 K4T5116QC 來(lái)作為系統(tǒng)的 DDR2。3. 音頻處理選型：音頻的選擇主要還是考慮電路的復(fù)雜程度和功耗，以提高系統(tǒng)的便攜性能。根據(jù)系統(tǒng)要求選擇了德州儀器公司的 TLV320AIC33，該是德州儀器推出的一款高性能聲音頻編器，在 48kHz 的回放模式下功耗只有 14mW，使用PQFP-48 封裝25，占用PCB 的面積

56、小。4. 數(shù)據(jù)FLASH卡選型：在本系統(tǒng)中，用戶會(huì)保存大量的文件，而本系統(tǒng)選用的的容量只有 256M，常見(jiàn)的移動(dòng)卡有 MIN-SD(Micro SD Card)卡、MMC(Multimedia Card)卡、CF(Compact Flash)卡等，MIN-SD 卡與 MMC 卡的容量大，讀寫速度快；CFMIN-SD 卡體積大，其他各方面的性能參數(shù)差不多，所以使用 MIN-SD 卡擴(kuò)展系統(tǒng)的容量，方便用戶數(shù)據(jù)，此外，MIN-SD 卡還作為程序空間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動(dòng)。5. LCD 選型：LCD 的選型還是主要考慮接口的方便性和功耗，為了接口設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單，本系統(tǒng)使用 DSP 的DAC_A 輸出復(fù)合信號(hào)

57、，為了支持該符合信號(hào)的顯示，選擇元太(PVI)3.5 寸數(shù)字液晶屏PD035VX2，其分辨率為 640480，26 萬(wàn)真彩色，消耗功率 0.564第3章 便攜式非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)3.1 電源設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，需要提供多種穩(wěn)定直流電壓以供正常工作，但鋰電池只能提供一種電壓，而且不穩(wěn)定，需要使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換；鋰電池的容量是一定的，不可能長(zhǎng)期使用，在鋰電池使用完之后，需要對(duì)其充電，提高電池的重復(fù)使用率；而為了用戶知道電量使用情況，需要實(shí)現(xiàn)電池的容量檢測(cè)，所以電源設(shè)計(jì)部分包括以上三部分內(nèi)容。3.1.1 系統(tǒng)供電電路及上電順序設(shè)計(jì)系統(tǒng)處理器選用德州儀器的高速 DSP 處理器 TMS320DM

58、6437，該處理器需要 3 種獨(dú)立的電壓，即 CPU 內(nèi)核電壓Vcore(1.2V)，兩個(gè)I/O 電壓Vddr(1.8V)和Vio(3.3V)。此外，根據(jù) TMS320DM6437 手冊(cè)，要求上電順序?yàn)椋簝?nèi)核先上電，再是I/O 口上電，其原因是 I/O 電壓先于內(nèi)核電壓上電會(huì)影響 DSP 的使用的穩(wěn)定。和運(yùn)行時(shí)根據(jù)第二章的選型，本文使用 TPS54350來(lái)滿足需要。TPS54350 的有電壓狀態(tài)指示引腳，通過(guò)該引腳判斷其輸出電壓是否正常，當(dāng)其為高時(shí)，表明輸出達(dá)到期望值，而為低時(shí)，表明輸出不正常；同時(shí)，TPS54350 還有使能引腳，控制該引腳的電平可以啟動(dòng)或停止的工作。所以，將一片的電壓狀態(tài)指

59、示引腳連接到另一片的使能引腳，就可以實(shí)現(xiàn)上電順序的控制。在本系統(tǒng)中，DSP 需要三種電壓來(lái)保證DSP 的正常運(yùn)行，一片TPS54350 只能產(chǎn)生一種電壓，所以需要三片TPS54350來(lái)滿足要求，其連接示意圖如圖 3.1 所示。將產(chǎn)生 1.2V 電壓的 PWRGD（電壓狀態(tài)指示引腳）引腳接至產(chǎn)生 3.3V 電壓的 ENA（使能）引腳，這樣，1.2V 電壓未達(dá)到輸出期望值時(shí)，PWRGD 引腳為低，3.3V 電壓不會(huì)開(kāi)始工作，直到 1.2V 電壓輸出穩(wěn)定，3.3V 電壓才開(kāi)始啟動(dòng)，保證了內(nèi)核電壓先于I/O 電壓上電。根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需要，設(shè)置上電順序?yàn)?1.2V圖 3.2 充電管理原理圖BQ24618

60、可以用作一節(jié)或多節(jié)電池的充電管理，其充電截止電壓時(shí)根據(jù)公式:中，輸入電流的控制方法是通過(guò)設(shè)置ACSET 引腳的電壓來(lái)控制，其電壓和輸入電流之間的公式為：手冊(cè)要求 R38 的阻值在 15置為 1.751V，則可以選取 4.7K和 11K的電阻分壓得到。還需要注意的是：制冷電流較大，在PCB 布線時(shí)要加寬走線寬度，防止走線過(guò)細(xì)因電流大燒斷銅線。3.3 DSP 基本電路及其接口電路設(shè)計(jì)3.3.1 晶振及時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)TMS320DM6437 的工作主頻高達(dá) 600MHZ，DSP 片內(nèi)的鎖相環(huán)可以降低輸入頻率，同時(shí)還可以降低因高頻噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù) TI 公司的，使用 27MHz 的外部晶振作