试论基于ARM的手持红外热像仪的硬件电路设计

试论基于 ARM的手持红外热像仪的硬件电路设计

张禹 王赫

中国电子科技集团公司第十一研究所 北京 100015

摘 要：红外成像技术主要是把物体表面发出的不可见的红外能量转换成可见的热图像，最早在军事方面的应用较为广泛。随着技术的不断完善发展以及其经济性的良好体现，技术的使用已经扩展到民用方面。特别是在医疗监测、安防、防火监测等行业中，由于应用范围的扩大，红外热像仪的便捷性特点突出就非常重要，关于硬件电路的设计在其中发挥关键作用。鉴于此，本文对基于ARM的手持红外热像仪硬件电路设计的有关内容进行了分析，以供参考。

关键词：手持红外热像仪；ARM；硬件电路设计

红外热像仪在军事方面应用主要是进行红外侦查和跟踪，追踪军事作战目标。随着红外成像技术的不断发展，有关红外技术的设备种类逐渐增多，在很多民用行业也逐渐得到应用。比如环境监测、防火监测、安防等方面，利用红外成像技术可以很好的实现实时监测。

1.红外成像技术的介绍

在自然环境中存在较为广泛的红外辐射，这是一种电磁波，物体的温度高于热力学温度0K时，内部的粒子就会发生不规则的运动，从而向外不断辐射能量^[1]。红外辐射的波段不在可见光的范围内时，人的肉眼不能直接观测到，需要借助一定的设备将红外辐射转换成能够观测到的信号。红外成像技术主要就是将红外辐射转换成光电信号，能够进行测量处理，然后将光电信号经过图像处理形成可见的图像显示出来。而实现这种转换的最主要器件是红外探测器，分为制冷型和非制冷型红外探测器。红外热像仪主要是一种能够探测物体表面红外辐射的装置，可以将物体表面的红外辐射分布情况体现出来，也就是温度场，这是一种非接触式的被动探测方式。

2.基于ARM的手持红外热像仪的硬件电路设计

2.1非制冷红外驱动电路

手持红外热像仪的驱动电路主要指的是能够驱动红外探测器输出模拟的信号，在设计过程中，主要使用了非制冷微测辐射热计型的红外探测器，这种探测器对波长处在8-14μm范围内的光辐射有很好的敏感性，这种光电转换器件的重量轻、体积小，器件中集成的热点制冷器、读出电路等，所有的构件都在一个小的金属中密封。非制冷红外探测器的供电需要数字电源和模拟电源同时进行，由于探测器中只有工作电压源，所以，增加偏置电压源，分为固定偏置电压和可调偏置电压^[2]。红外热像仪信号输出是模拟形式，噪声需要满足低状态，在设计中使用线性稳压器做电源。这种电源稳定性较高，自身产生的噪声干扰非常小，探测器的功耗也不大。红外探测器的固定偏置电压如果要确保内部MOS管稳定，需要使用基准源和运算放大器的转换形式。

2.2采集电路

驱动采集电路主要是把模拟信号转换成数字信号，然后对红外图像进行处理，形成红外热图像。采集电路主要是进行探测器的时序驱动，对形成的数字信号进行收集、存储和处理。在时序控制模块中，向红外探测器输出驱动信号，开始运行，数字信号输出后，会传递到数据处理模块中。数据处理模块将最原始的红外图像信号与帧频信号同步，之后在控制模块中进行缓存，数据缓存好后通过接口传递到ARM中对图像进一步处理。电路中的芯片按照需要的不同会配置不同的程序，有主动配置和被动配置。手持红外热像仪在系统启动后才能够对图像进行收集和显示，采集电路需要在断电后有保存程序，系统设计主要是使用主动配置方式，输出配置的信号读取存储芯片中的数据信息。根据配置程序的不同，存储器芯片的容量也需要相对应。红外热像仪和可见光摄像机的光学系统较为类似，需要进行对焦处理，系统设计中需要包含调焦电机接口。红外热像仪会受到温度变化的影响，校正参数相应会发生偏离，因此红外热像仪在运行时，需要定期进行图像校正，将参数进行相应调整。

2.3 ARM主控电路

红外热像仪系统电路设计为了能够更好的保证稳定性，在ARM控制板块中使用了底板和核心板的设计。底板配置系统接口功能，核心板配置了S3C6410的最小系统，这种核心板使用的是6层PCB设计，将两个128M的MDDR内存配置其中，还有不同频率的时钟源^[3]。将不同的接口接引到底板中，以完成电路的设计，核心电路的上电时序控制在电路板上得到有效的解决。S3C6410属于系统中控制的主芯片，能够对上电时序进行严格的要求，以防止芯片被损坏。在其中供电电源的种类有17种，上电顺序被严格定义，处理器需要利用多个时钟来配合内外接口的运行控制，总体上可以分为内部总线时钟、外部接口时钟、显示时钟以及MFC时钟等。在系统启动时，S3C6410处理器能够支持多种形式的启动方式。手持红外热像仪的供电是使用锂电池串联方式，电压为7-8.5V之间，系统电源管理设计包含系统供电模块和锂电池充放电，在ARM的底板中，外接的直流电源主要是利用充电芯片对锂电池进行充电，结合功耗的不同状况，使用不同电源对系统各个模块进行供电。在ARM控制板中的存储模块中，包含扩展SD卡和Flash存储器，扩展SD卡主要是对存储容量进行扩展，Flash存储器就是将系统数据信息、内核代码以及程序文件存放其中。在显示模块的设计中，红外图像在系统中转换成16位才能更好的处理图像，S3C6410处理器本身就带有24位真彩色显示接口，利用FPC线就可以连接液晶显示模块。不过红外图像是灰度的，并无RGB彩色显示，要想使图像在被观察时给以更好的感觉，在系统设计中增加了伪彩色输出。红外图像在经过处理后与24位图像格式输出仍然不匹配，不过由于处理器系统有多种格式可以支持输出，所以，红外图像以16位也可以进行红外图像输出。

结束语：

总而言之，由于红外成像技术的不断发展，其应用也越来越广泛，红外成像设备产品的种类在不断的丰富，使应用的便捷性在逐步提高。而在红外热像仪设备中，硬件电路的设计非常关键，对于设备整体的设计效果有较大的影响，要充分的了解红外热成像，需要对其系统设计有足够的掌握。

参考文献：

[1]孙斌, 曹海源, 初华,等. 红外热像仪检测诊断系统电路设计与实现[J]. 计算机测量与控制, 2015(06):2104-2106.

[2]吴骁斌. 小型化红外热像仪信号处理方法研究及实现[D]. 2019.

[3]曹海源, 初华, 米朝伟,等. 一种红外系统性能检测仪的电路设计[J]. 自动化仪表, 2014, 000(006):57-60.