紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)（目前先進的焦平面技術(shù)省去了光機掃描系統(tǒng)）接收被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(gòu)（焦平面熱像儀無此機構(gòu)）對被測物體的紅外熱像進行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上。由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，通過電視屏或監(jiān)視器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。除顯示紅外熱輻射圖像，紅外熱像儀還能提供精確的非接觸溫度測量功能。

　　從帶有掃描裝置的第一代熱像儀到焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的凝成像紅外熱像儀，紅外熱像儀已從笨重、操作復(fù)雜發(fā)展成為輕巧、操作方便簡潔的便攜式手持設(shè)備。

　　高性能處理器芯片的不斷發(fā)展，給紅外熱像儀帶來了新的動力。利用恰當(dāng)?shù)奶幚砥?，可以提高圖像的處理速度，并設(shè)計出更精巧的產(chǎn)品。本文就此討論基于非制冷焦平面探測器和高性能雙核處理器OMAPl510的紅外熱像儀的設(shè)計。

　　1 硬件體系結(jié)構(gòu)

　　由于被測目標(biāo)物體紅外輻射的熱像分布圖信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感。因此，在實際探測過程中為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些輔助措施增加儀器的實用功能，如圖像亮度/對比度的控制、實標(biāo)校正、偽色彩描繪等高線和直接進行數(shù)學(xué)運算，打印等。

　　本便攜式紅外熱像儀主要由具有320×240非制冷焦平面探測器的紅外攝像頭、預(yù)處理單元、OMAPl510處理器及其外圍器件組成，如圖1所示。

　　通過紅外攝像頭采集的320×2AO圖像數(shù)據(jù)量較大，自探測器轉(zhuǎn)換而來的電信號經(jīng)采樣后，先經(jīng)過預(yù)處理模塊，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù)交由OMAPl510處理。0MAPl510則需要對圖像數(shù)據(jù)進行窗位窗寬處理、256色的偽彩轉(zhuǎn)換、亮度對比度調(diào)節(jié)等，并最終在320×240的液晶屏上顯示。

　　OMAPl510處理器是TI公司生產(chǎn)的高性能單芯片雙核處理器．它主要由TMS320C55x DSP內(nèi)核、低功耗增強型ARM925T。微處理器、交通控制器（Traffic Controller）、強大的DMA控制器和豐富的外圍設(shè)備等組成。

　　TI增強型ARM925T核采用ARM RISC體系結(jié)構(gòu)，工作主頻為175MHz。它包括存儲器管理單元、16KB的高速指令緩沖存儲器（Cache）、8KB的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器和17個字的寫緩沖器。片內(nèi)有1．5MB的內(nèi)部SRAM，為液晶顯示等應(yīng)用提供大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲空間。它有13個內(nèi)部中斷和19個外部中斷，采用兩級中斷管理。此外，核內(nèi)還有ARM CPl5協(xié)處理器和保護模塊。

　　C55x DSP核具有最佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它增加了三個硬件加速器：離散余弦變換，反相離散余弦變換加速器、運動估計運算加速器和半像素插值加速器。C55x DSP核內(nèi)部有32K字的雙存取SRAN，48K字的單存取SRAM和12K字的高速指令緩存。此外，核內(nèi)還包含存儲器管理單元（MMU）、兩級中斷管理器和直接存儲器訪問（DMA）控制器。

　　交通控制器是ARM925T處理器與各存儲芯片進行數(shù)據(jù)交換的中樞，同時也控制DSP、DMA控制器及本地總線接口對各存儲器的訪問。根據(jù)片外存儲器的特性，交通控制器可以靈活配置訪問的字寬、周期及整字訪問的突發(fā)式訪問。

　　OMAPl510芯片具有豐富的外圍接口，如液晶控制器、存儲器接口、攝像頭接口、藍(lán)牙接口、通用異步收發(fā)器、I2C主機接口、脈寬音頻發(fā)生器、串行接口、主客戶機USB口、安全數(shù)字多媒體卡控制器（SD／MMC）接口、鍵盤接口等。

　　2 軟件構(gòu)架

　　軟件構(gòu)架如圖2所示。MPU側(cè)加載嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對前端圖像數(shù)據(jù)的讀取，對LCD、觸摸屏、鍵盤、SD卡等設(shè)備的訪問，與DSP的通信，以及Qt應(yīng)用程序的運行等。應(yīng)用程序?qū)CD等外圍設(shè)備的訪問都由相應(yīng)的Linux驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。MPU對DSP的訪問也是把DSP當(dāng)作設(shè)備，在MPU倒加載所謂的DSP驅(qū)動實現(xiàn)。DSP側(cè)在DSP／BIOS的基礎(chǔ)上構(gòu)造進行數(shù)據(jù)處理的任務(wù)（tasks），對圖像數(shù)據(jù)進行運算處理，如窗位窗寬調(diào)節(jié)、偽彩查色、亮度和對比度調(diào)節(jié)等。

　　MPU與DSP之間的通信有三種實現(xiàn)方式：mailbox寄存器、MPU接口和共享內(nèi)存。

　?。?）MPU／DSP mailbox寄存器MPU與DSP處理器通過mailbox中斷機制通信。在公共TIPB空間有4個mailbox寄存器設(shè)備被雙核共享。其中，2個mailbox寄存器用來讓MPU發(fā)消息并向DSP發(fā)出中斷信號，另外2個用來讓DSP發(fā)消息并向MPU發(fā)出中斷請求信號。每個mailbox寄存器設(shè)備由2個16位寄存器和l位標(biāo)志寄存器組成。發(fā)出中斷的處理器可以用一個16位寄存器發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)給接收中斷的處理器，而用另一個16位寄存器發(fā)送一個字的命令。

　　當(dāng)一個處理器向命令寄存器寫入合適的命令字并對另一個處理器產(chǎn)生中斷，設(shè)置了合適的標(biāo)志寄存器，通信即實現(xiàn)。接收中斷方的處理器通過讀取命令字、清除標(biāo)志寄存器確認(rèn)這次中斷。此時每個mailbox寄存器中的數(shù)據(jù)寄存器有效，可以傳送2個字的數(shù)據(jù)。

　　（2）MPU Interface（MPU）

　　MPUI允許MPU、系統(tǒng)DMA控制器與DSP及其外圍通信。MPUI允許訪問所有的DSP內(nèi)存空間（16MB）和公有外圍總線。所以，MPU和系統(tǒng)DMA控制器都有訪問完整的DSP I／O空間（128KB）的讀寫權(quán)限，包括DSP公有的外圍控制寄存器。

　?。?）MPU／DSP共享內(nèi)存

　　OMAP1510通過交通控制器（Traffic Controller）實現(xiàn)了一種共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)。所以，MPU和DSP都可以訪問相同的共享內(nèi)存SRAM（192KB）及EMIFF、EMIFS內(nèi)存空間。MPU通過DSP的內(nèi)存管理單元。MMU確定DSP的哪塊區(qū)域為可以用來訪問的共享內(nèi)存。通過分配共享內(nèi)存區(qū)域，定義好MPU和DSP之間訪問此共享內(nèi)存的協(xié)議，處理器之間的交流機制即可實現(xiàn)。

　　本系統(tǒng)MPU與DSP的通信是結(jié)合mailbox寄存器和共享內(nèi)存實現(xiàn)的。由于圖像數(shù)據(jù)較大，而mailbox的寄存器每次通信只能發(fā)送2×16bits的數(shù)據(jù)，所以僅用mailbox不能高效地實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的共享。共享內(nèi)存雖然可以讓MPU與DSP共享一段內(nèi)存。但卻缺少同步機制。用mailbox registers建立握手信號（中斷），可以使MPU和DSP同步訪問共享內(nèi)存。當(dāng)MPU將原始數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存后，通過寫mailbox發(fā)送消息并向DSP發(fā)出中斷信號來通知DSP處理數(shù)據(jù)；而當(dāng)DSP處理數(shù)據(jù)完畢，也通過寫mailbox寄存器發(fā)送消息并向MPU發(fā)出中斷信號，通知MPU數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

　　在測試過程中發(fā)現(xiàn)，MPU和DSP在通過mailbox通信時會有延時，當(dāng)數(shù)據(jù)量、運算量較小時，采用雙核機制的效率較低；而當(dāng)數(shù)據(jù)量和運算量較大時，雙核機制遠(yuǎn)比僅用MPU時效率高。MPU與DSP通信之問的延時對整個系統(tǒng)的影響不大。本系統(tǒng)在動態(tài)顯示320×240、16位的圖像數(shù)據(jù)時，DSP對數(shù)據(jù)做窗位窗寬處理、偽彩查表，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LCD可接收的5—6—5格式，顯示速率約為18幀/秒。而這些操作都交由MPU處理時，顯示速率只有11．5幀/秒。

　　3 Qt應(yīng)用程序設(shè)計

　　面向嵌入式系統(tǒng)的GUI主要有MiniGUI、OpenGUI、MicomWindows、Ot／Embedded幾種。本系統(tǒng)采用Qt／Embedded。

　　Qt是挪威Troll Tech開發(fā)的一個多平臺的C++圖形用戶界面工具包。它使用C++語言，具有面向?qū)ο?a target="_blank">編程的特點，因而采用Qt編寫的程序易懂且易于維護。

　　Qt／Embedded是基于有幀緩沖（frame-buffer）支持的Linux嵌入式平臺的獨立的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序平臺的開發(fā)工具。它包含一套完整的GUI類、操作系統(tǒng)封裝、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類、效用和綜合類，可直接對framebuffer寫操作，避免用戶使用復(fù)雜的Xlib／Xserver系統(tǒng)。它對嵌入式用戶提供全部源碼，并允許修改及進一步調(diào)試。在Qt／embedded的移植過程中，當(dāng)所使用的設(shè)備（如觸摸屏、鍵盤）不是Qt所支持的標(biāo)準(zhǔn)控件時，需要修改Qt／embedded源代碼，以實現(xiàn)Qt程序?qū)υO(shè)備的響應(yīng)。

　　本系統(tǒng)Qt應(yīng)用程序圖像顯示部分的軟件流程如圖3所示。其用戶界面具有窗口風(fēng)格，從主菜單中選擇不同選項，可以彈出相應(yīng)的功能窗口：全屏顯示紅外熱圖；回放保存在存儲卡上的圖像（BMP位圖）；刪除存儲卡上的圖像、感興趣點溫度顯示等。點擊窗口上的退出按鈕，可以關(guān)閉相應(yīng)功能窗口。操作過程既可以通過按鍵完成，也可以通過點擊觸摸屏實現(xiàn)。整個GUI界面風(fēng)格簡潔，操作簡單。

　　本文通過便攜式紅外熱像儀的開發(fā)設(shè)計過程，說明了非制冷紅外探測熱像儀的原理，探討了OMAPl510手持終端的實現(xiàn)方法。由此設(shè)計出的紅外熱像儀的各項性能指標(biāo)都達(dá)到了較高水平，如可以實現(xiàn)紅外熱像的高速動態(tài)攝像、圖片存儲到SD卡、圖片回放、USB口圖像傳輸?shù)裙δ?。實踐表明，雙核結(jié)構(gòu)的0MAP系列是一種處理能力強、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式系統(tǒng)芯片。它將在需要較強處理能力的便攜式裝置中表現(xiàn)出優(yōu)良特性。