基于Windows CE的嵌入式红外热成像系统设计

摘要：给出了基于S3C2410处理器的嵌入式红外热成像系统的设计方案。阐述了系统的硬件架构和基于Windows CE系统下的红外图像的采集、处理、显示软件的系统设计，介绍了Windows CE系统下开发红外热成像软件系统的方法，并对编写基于Windows CE的图像传输、图像处理和图像显示等程序进行了介绍。
关键词：Windows CE；嵌入式；红外热成像

0 引言
    红外检测技术是现代科学领域中的前沿学科。在自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，本文提出一种新的基于Windows CE的便携式红外成像设备设计方案，详细阐述了系统的组成结构和工作原理，着重阐述了系统的硬件架构设计，主要模块的功能和芯片选型，以及软件部分的设计。

1 系统结构设计
    作为一款可应用于远程检测和移动监控等多个领域的红外热成像系统，除了要具备通用图像动态实时显示功能外，还应具备针对目标体温度的测试和分析功能。本系统通过红外焦平面阵列探测器将模拟信号送入信号预处理模块并完成模数转化，转化后的数字信号送入红外图像采集模块，采集的数字信号在红外图像校正模块进行非均匀校正、测温和滤波处理，校正后的图像数据再送入图像显示终端，图像显示终端将图像信息进行灰度拉伸、伪彩变换后在终端进行实时显示，并完成图像分析、图像存储、温度标定等多种功能。系统总体方案如图1所示：

2 系统硬件设计
2．1 硬件结构
    本文设计的红外成像系统的结构可分为红外镜头、模拟信号预处理部分、红外图像数据采集、数字信号处理部分、控制显示、分析处理部分这六大部分，系统硬件结构如图2所示。红外焦平面阵列探测器完成光电转化功能；信号预处理电路包括视频信号分离电路和视频信号调整电路；预处理后的模拟信号经高速A／D转化后右双口RAM送入DSP；由于DSP具有高速的处理能力，要求DSP能有效地与低速外设连接，否则整个系统的数据处理能力就会受到影响，因此需要把图像数据进行高速缓存，双口RAM具有两套独立的数据、地址和控制总线，因而可从两个端口同时读写而互不干扰，并且具有随机存取的优点，读写具有很大的灵活性；DSP完成红外图像数据的非均匀校正、中值滤波等大运算量处
理，减轻ARM的运算负担，因此成像系统具有很强的可靠性和实时性；Windows CE系统下的应用程序完成灰度拉伸、伪彩变换、数据分析处理、红外图像显示及系统控制。

2．2 主要芯片介绍
    ARM处理器是整个硬件系统的核心单元，完成对各个硬件单元模块的初始化、控制及管理功能。由于监控系统的实时性较高，且需要完成部分算法运算，因此对ARM处理器的处理能力要求较高。本系统处理器采用的是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，该处理器拥有独立的16kB指令Cache和16KB数据Cache，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。[!--empirenews.page--]
    系统DSP采用TI公司的TMS320C6000系列DSP。TMS320C6201是TI公司推出的一种高性能的数字信号处理器。它的处理器内核采用超长指令字结构，一个指令周期最多能并行执行8条指令。片内集成大容量存储器，并采用二级存储器的结构。片上集成了丰富的外围设备接口。强大的处理能力和丰富的片上资源使TMS320C6000系列DSP在处理性能上高于其他传统DSP。

3 系统软件设计
    系统采用Windows CE嵌入式操作系统，以EmbeddedVisual C++4．0为主要编程工具，实现图形界面、初始化程序和应用程序的功能，系统加入红外探测器的驱动程序，Windows CE本身支持对LCD的底层驱动，从而降低了部分开发难度。
3．1 软件设计总体框图
    系统的软件部分设计如图3所示，由主控模块、红外图像处理模块、红外图像存储模块、红外图像分析模块、红外图象显示模块、数据库模块、异常处理模块和软硬件交互模块组成，其中软硬件交互模块软件和硬件的交互工作及硬件的底层驱动。

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3．3 部分子程序设计
    Windows CE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统。目前最新的系统版本为Windows CE 6．0，与嵌入式Linux相比，Windows CE有以下优点：(1)技术比较成熟、开发周期短适应市场的需要。(2)内核完善调试方便，有丰富的GUI，开发工具强大。(3)系统维护简单，安全可靠性更高，利于产品的市场化。
3．3．1 图像显示程序
    采集图像数据在内存中为设备无关位图(DIB)格式，几个重要函数如下：
   
3．3．2 BMP位图保存程序
    位图文件(Bitmap-File，BMP)可看成由4个部分组成：位图文件头(bitmap-file header)、位图信息头(bitmap-infor-marion header)、彩色表(color table)和定义位图的字阵列。程序先建立存储文件，进行相应的文件信息设置，文件信息的设置要和所采集图像数据一致，否则不能正确显示结果，然后将信息保存到文件中，重要操作过程如下：
   
    
    其中结构体hbf和m_Bmi存放的是位图文件头和位图信息头参数内容，指针指向m_pBits时开始存放红外图像的具体数据。

4 结束语
    本系统可应用于电力运维人员、消防人员、质量控制人员、过程监控人员、电子设计人员、建筑施工人员和交通运输人员等多个领域。Windows CE做为一个模块化的操作系统具有很强的灵活性，其结构简单，可以方便地实现各种复杂的应用。