Linux的嵌入式红外热成像系统设计方案

红外热成像技术作为一种非接触式测温技术，因其具有直观、快速、准确的特点，被广泛应用于工业检测、医疗诊断、军事侦察等领域。随着嵌入式系统的发展，将红外热成像技术与嵌入式系统相结合，可以实现红外热成像系统的小型化、智能化和便携化。本文将详细介绍一种基于Linux的嵌入式红外热成像系统的设计方案，包括系统总体结构、硬件设计、软件设计等方面，并特别关注主控芯片的选型及其在设计中的作用。

一、系统总体结构

基于Linux的嵌入式红外热成像系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括红外焦平面阵列探测器、信号预处理电路、数字信号处理电路、控制显示电路等；软件部分则包括嵌入式Linux操作系统、红外成像应用程序、图像校正算法、图像显示算法等。

系统总体结构如图1所示：

[红外镜头] --> 
[红外焦平面阵列探测器] --> 
[信号预处理电路] --> 
[数字信号处理电路] --> 
[控制显示电路]

其中，红外镜头用于接收目标物体的红外辐射；红外焦平面阵列探测器将接收到的红外辐射转化为电信号；信号预处理电路对电信号进行初步处理，包括放大、滤波等；数字信号处理电路对预处理后的信号进行进一步处理，包括非均匀校正、测温、滤波等；控制显示电路则负责将处理后的图像数据进行灰度拉伸、伪彩变换后显示出来，并完成图像分析、图像存储等功能。

二、硬件设计

1. 主控芯片选型

主控芯片是嵌入式红外热成像系统的核心，负责整个系统的控制、数据处理和通信等功能。在选择主控芯片时，需要考虑其处理能力、功耗、外设接口等因素。

本系统选用三星公司的ARM920T处理器核作为主控芯片。ARM920T是一款基于ARM架构的32位RISC处理器，具有高性能、低功耗、低成本等优点。它内置了ARM指令集，支持16/32位数据总线，并配备了丰富的外设接口，如UART、SPI、I2C、USB等。此外，ARM920T还支持多种操作系统，包括Linux、Windows CE等，便于系统的开发和调试。

ARM920T的具体型号可以选择三星公司的S3C2410或S3C2440等。其中，S3C2410是一款主频为203MHz的处理器，内置了16KB的指令Cache和16KB的数据Cache，支持最高1GB的寻址空间。S3C2440则是S3C2410的升级版，主频提高到400MHz，并增加了对NAND Flash的支持。

2. 红外焦平面阵列探测器

红外焦平面阵列探测器是红外热成像系统的关键部件，负责将接收到的红外辐射转化为电信号。在选择红外焦平面阵列探测器时，需要考虑其灵敏度、分辨率、响应速度等因素。

本系统选用一款高灵敏度的红外焦平面阵列探测器，其分辨率达到640x480像素，能够在-40℃至+85℃的温度范围内正常工作。该探测器具有低功耗、高稳定性、易于集成等优点，能够满足系统对红外图像采集的需求。

3. 信号预处理电路

信号预处理电路对红外焦平面阵列探测器输出的电信号进行初步处理，包括放大、滤波等。信号预处理电路的设计需要考虑到信号的频率特性、噪声特性等因素。

本系统采用一款低噪声、高精度的运算放大器作为信号放大电路的核心器件，同时配合适当的滤波电路，对信号进行平滑处理，以减少噪声干扰。此外，还设计了自动增益控制电路，以确保信号在不同光照条件下都能保持稳定的输出。

4. 数字信号处理电路

数字信号处理电路对预处理后的信号进行进一步处理，包括非均匀校正、测温、滤波等。数字信号处理电路的设计需要考虑到算法的复杂度、实时性等因素。

本系统选用TI公司的TMS320C6000系列DSP作为数字信号处理电路的核心器件。TMS320C6000系列DSP是一款高性能、低功耗的数字信号处理器，具有强大的浮点运算能力和丰富的外设接口。该DSP支持多种算法库，包括图像处理算法库、信号处理算法库等，便于系统的开发和调试。

在数字信号处理电路中，首先通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，然后送入DSP进行非均匀校正、测温、滤波等处理。处理后的图像数据再通过D/A转换器转化为模拟信号，送入控制显示电路进行显示。

5. 控制显示电路

控制显示电路负责将处理后的图像数据进行灰度拉伸、伪彩变换后显示出来，并完成图像分析、图像存储等功能。控制显示电路的设计需要考虑到显示效果、功耗、可靠性等因素。

本系统采用一款高分辨率的LCD显示屏作为显示器件，同时配合适当的驱动电路和控制电路，实现图像的显示和控制。此外，还设计了图像存储电路，用于将处理后的图像数据存储在SD卡或NAND Flash等存储设备中。

三、软件设计

1. 嵌入式Linux操作系统

嵌入式Linux操作系统是系统的核心软件平台，负责系统的资源管理、任务调度、设备驱动等功能。本系统采用嵌入式Linux操作系统作为软件平台，具有开源、可定制、稳定性高等优点。

在嵌入式Linux操作系统的开发中，首先需要进行内核的裁剪和配置，以满足系统的需求。然后，根据系统的外设接口和功能需求，编写相应的设备驱动程序和应用程序。

2. 红外成像应用程序

红外成像应用程序是系统的核心应用程序，负责红外图像的采集、处理、显示和存储等功能。本系统采用C++语言编写红外成像应用程序，利用Qt图形用户界面框架实现图像的显示和控制。

在红外成像应用程序中，首先通过设备驱动程序控制红外焦平面阵列探测器和数字信号处理电路进行图像的采集和处理。然后，将处理后的图像数据送入LCD显示屏进行显示，并根据用户的操作进行图像的存储和分析。

3. 图像校正算法

图像校正算法是红外成像系统中的重要算法之一，用于对采集到的红外图像进行非均匀校正、测温等处理。本系统采用一种基于神经网络的图像校正算法，该算法具有自适应性强、校正效果好等优点。

在图像校正算法中，首先通过训练样本数据对神经网络进行训练，使其能够学习到红外图像的非均匀性特征。然后，在图像采集和处理过程中，利用训练好的神经网络对图像进行非均匀校正和测温处理。

4. 图像显示算法

图像显示算法是红外成像系统中的另一个重要算法，用于将处理后的图像数据进行灰度拉伸、伪彩变换等处理，以提高图像的显示效果。本系统采用一种基于直方图均衡化的图像显示算法，该算法能够有效地增强图像的对比度和清晰度。

在图像显示算法中，首先对处理后的图像数据进行直方图统计，得到图像的灰度分布信息。然后，根据灰度分布信息对图像进行灰度拉伸和伪彩变换处理，以提高图像的显示效果。

四、系统测试与优化

在系统开发完成后，需要进行系统测试与优化，以确保系统的性能和稳定性。系统测试与优化主要包括硬件测试、软件测试、性能测试和功耗测试等方面。

1. 硬件测试

硬件测试主要对系统的硬件电路进行测试，包括信号完整性测试、电源测试、温度测试等。通过硬件测试，可以确保系统的硬件电路正常工作，满足设计要求。

2. 软件测试

软件测试主要对系统的软件进行测试，包括单元测试、集成测试、系统测试等。通过软件测试，可以确保系统的软件功能正常，无明显的bug和错误。

3. 性能测试

性能测试主要对系统的性能进行测试，包括图像处理速度、图像质量、系统响应时间等。通过性能测试，可以评估系统的性能指标，并进行相应的优化和改进。

4. 功耗测试

功耗测试主要对系统的功耗进行测试，包括静态功耗和动态功耗等。通过功耗测试，可以评估系统的功耗水平，并进行相应的优化和改进，以降低系统的功耗。

五、结论

本文介绍了一种基于Linux的嵌入式红外热成像系统的设计方案，包括系统总体结构、硬件设计、软件设计等方面。在系统硬件设计中，选用了三星公司的ARM920T处理器核作为主控芯片，并设计了红外焦平面阵列探测器、信号预处理电路、数字信号处理电路和控制显示电路等模块。在系统软件设计中，采用了嵌入式Linux操作系统作为软件平台，并编写了红外成像应用程序、图像校正算法和图像显示算法等。通过系统测试与优化，可以确保系统的性能和稳定性满足设计要求。

该系统具有高性能、低功耗、易于集成等优点，能够广泛应用于工业检测、医疗诊断、军事侦察等领域。未来，随着红外热成像技术的不断发展和嵌入式系统的不断进步，该系统将进一步得到优化和完善，为更多的领域提供更加可靠和高效的解决方案。