智能交通攝像機工作熱負荷實驗評價*

李跟寶，汪 熙，王 揚，石 瀟

（長安大學汽車學院，西安710064）

智能交通攝像機工作熱負荷實驗評價*

李跟寶*，汪 熙，王 揚，石 瀟

（長安大學汽車學院，西安710064）

利用紅外熱像技術，對某新型智能交通攝像機工作熱負荷狀況進行實驗研究，并針對相機核心功耗元件DSP（數(shù)字信號處理器）和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）開展了模擬芯片實驗。原機實驗結果表明，相機工作熱負荷對芯片性能的影響不容忽視，即便處于只進行圖像采集而不做圖像處理的較低功耗模式下，不加散熱器時DSP芯片表面溫度已接近設計上限，因而有必要進行相機散熱結構優(yōu)化設計。模擬芯片實驗證實，芯片功率對其表面溫度有顯著影響，功率越高，芯片溫度呈近似線性增長，同時散熱器瞬時儲熱能力有所減弱，因此合理控制芯片功率可有效降低相機工作熱負荷。對比分析相機輔助散熱器熱阻可知，該散熱器效率較低，存在進一步優(yōu)化潛力。

智能交通；熱負荷；紅外成像技術；交通攝像機；散熱器

為應對汽車數(shù)量激增所引發(fā)的路況監(jiān)控、交通堵塞、行車安全以及停車管理等社會熱點問題，智能交通系統(tǒng)（ITS）發(fā)揮著越來越重要的作用［1］。智能交通系統(tǒng)需要不斷對交通圖像進行采集，作為系統(tǒng)前端關鍵設備，智能交通攝像機集高像素圖像采集、高質量圖像處理、圖像智能分析和存儲等多種功能為一體，其性能優(yōu)劣直接影響交通信息的有效提取，因此近年來在主控芯片性能提升和復雜算法集成等相關技術方面發(fā)展迅速［2-3］。

智能交通攝像機結構體積小且密閉，元件集成度和工作頻率也在不斷提高，由此產(chǎn)生的高熱流密度對其電荷耦合器（CCD）、DSP芯片以及FPGA芯片等核心元件工作性能影響極大，嚴重影響到ITS技術發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，相機CCD溫度每升高7℃～8℃，成像時其暗電流密度將增加一倍，直接減弱CCD的信噪比［4］。隨著溫度升高，圖像處理核心元件DSP芯片的靜態(tài)功耗呈指數(shù)關系上升，較高功耗所造成的溫升將導致DSP芯片使用壽命和可靠性降低［5］。FPGA工作性能對于溫度也十分敏感，較高工作溫度會干擾芯片內(nèi)部時序，造成智能交通攝像機故障性重啟［6］。當前，智能交通攝像機行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)研發(fā)周期短、產(chǎn)品種類多等特點，眾多產(chǎn)品研發(fā)過程中缺乏必要的熱穩(wěn)定性分析及設計，而實際應用中熱故障則時有發(fā)生［7］。由此，對智能交通攝像機進行規(guī)范熱設計以合理控制其工作熱負荷，對于保證相機在復雜多變的外部環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作有重要意義。

電子產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，產(chǎn)品熱穩(wěn)定性研究也日益得到生產(chǎn)廠家和研究者的重視［8］。電子產(chǎn)品芯片級熱分析的主要目的是合理布置芯片架構、優(yōu)化芯片功耗設計，從而降低或去除芯片熱點。眾多研究成果證實，控制芯片功耗是改善其熱穩(wěn)定性能的直接技術途徑［9］。試驗技術方面，傳統(tǒng)實驗研究利用溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對電子產(chǎn)品進行表面溫度測量，并據(jù)此分析輔助散熱器熱阻及散熱效率［10］。隨著紅外熱成像技術的日益成熟和不斷普及，國內(nèi)外已開始嘗試利用紅外成像對電子產(chǎn)品熱問題進行研究［11-12］。與此同時，應用ICEPAK、CFX、FLOTHERM等商用軟件對電子產(chǎn)品進行數(shù)值模擬研究也日漸成熟，利用數(shù)值模擬技術可顯著縮短電子產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研究成本，具有廣闊的應用前景［13-14］。

受工作環(huán)境及維護方式等因素制約，智能交通攝像機主要采用肋片式散熱器來控制關鍵元件表面溫度，散熱能力相比強制風冷、熱管、半導體制冷等主動散熱型式較為有限。因此，在相機設計開發(fā)過程中，有必要對其硬件系統(tǒng)進行功耗設計，合理控制相機實際運行所需功耗。鑒于國內(nèi)外目前對于智能交通攝相機熱負荷方面尚無專業(yè)文獻報道，本文從熱管理角度出發(fā)，就某新型智能交通攝像機樣機工作熱負荷問題展開研究，對其核心元件DSP芯片和FPGA芯片進行熱測試，為相機正常運行功耗設計提供依據(jù)，同時對相機散熱器性能進行評價。本文也為后續(xù)相機散熱系統(tǒng)模擬仿真研究提供必要的實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 交通攝像機簡介

本文所研究的交通攝像機樣機為某專業(yè)廠家最新開發(fā)的高清產(chǎn)品，采用當前主流高性能DSP處理器，并融合了車牌識別、視頻檢查等復雜算法。相機主要參數(shù)為：500 W有效像素CCD；DSP型號DM648，最大主頻1.1 GHz，工作溫度范圍0～90℃；FPGA型號Cyclone IV，最大主頻200 MHz，工作溫度范圍0～85℃。

圖1為攝像機結構照片，相機硬件系統(tǒng)由LB、MB及PB 3塊電路板構成，其間通過插針和排線相連接。相機核心元件包括CCD單元、DSP芯片、FPGA芯片以及電源系統(tǒng)，主要功耗元件DSP和FPGA位于MB電路板上，輔以肋片式散熱器控制其熱負荷。肋片式散熱器采用風冷散熱方案，散熱器與芯片之間涂覆導熱硅脂以降低接觸熱阻。

圖1 交通攝像機結構示意

1.2 實驗系統(tǒng)

本文實驗內(nèi)容包括原機試驗及模擬芯片試驗兩部分。原機試驗的目的是評價相機整體熱負荷狀況，明確主要發(fā)熱元件，為模擬臺架試驗設計提供依據(jù)。模擬臺架試驗克服原機試驗中芯片工作參數(shù)不易精確調整的制約，在不同功耗模式下對芯片表面溫度進行實驗測量，并評價散熱器工作性能。

原機試驗利用紅外熱像儀采集相機熱圖像，由于實驗室內(nèi)無法提供持續(xù)車流作為抓拍條件，試驗相機在只進行圖像采集而不做圖像處理的較低功耗模式下持續(xù)運行，通過監(jiān)測相機殼體溫度分布判斷其是否達到熱平衡狀態(tài)。為進一步了解相機內(nèi)部芯片熱特征，移除散熱器后，對相機主要元件進行溫度采集。

模擬芯片試驗針對布置有DSP和FPGA的MB電路板進行模型構建。圖2為試驗系統(tǒng)示意圖，主要包括試驗模型、紅外熱像儀、交流穩(wěn)壓源、可變直流電源、Pt100型薄膜熱電阻以及數(shù)據(jù)采集卡等。紅外熱像儀型號為FLUKE TI32，溫度測量范圍-20℃～600℃，精度2%，熱靈敏度≤0.045℃。Pt100型薄膜熱電阻精度A級，數(shù)據(jù)采集模塊采用24 bit AD轉換器，精度為0.0 2℃，可同時進行12路數(shù)據(jù)采集。圖3為模擬芯片實驗系統(tǒng)照片。

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖

圖3 模擬芯片試驗系統(tǒng)照片

試驗模型利用銅板和陶瓷加熱片模擬主要發(fā)熱元件，圖中1號芯片用于模擬DSP芯片，2號芯片模擬FPGA芯片，芯片與散熱器之間涂覆導熱硅脂。模型主體布置在絕熱性能良好的酚醛樹脂基座上，以確保芯片運行產(chǎn)生的熱量盡可能沿散熱器方向導出。試驗中利用直流穩(wěn)壓源為試驗模型加載功率，通過調節(jié)電流值改變加載功率大小。利用熱電阻采集不同功率下芯片表面溫度，利用紅外熱像儀采集不同工況下散熱器表面熱圖像。

本研究在環(huán)境溫度為26.6℃的室內(nèi)條件下進行。模擬芯片實驗功耗分配如表1所示，工況1對應相機只進行圖像采集而不做圖像處理情況，工況3對應兩種芯片的額定功率情況，工況2取中間值。

表1 模擬芯片功耗分配 單位：/W

2 實驗結果及分析

2.1 原機實驗

交通攝像機內(nèi)部功耗件所產(chǎn)生的熱量主要依靠殼體散出。圖4為原機試驗熱圖像，由圖可以看出相機外部殼體表面溫升明顯，且分布不均，高溫區(qū)域主要位于上蓋板，最大溫度為49.81℃。由于上蓋板主要承擔MB電路板的散熱功能，這說明本文對于MB板上主要功耗件DSP和FPGA進行熱設計的研究方案是合理的。

散熱器溫度均勻性為表面最高溫度與最低溫度的差值，可用來表征散熱器利用效率，該值越大說明散熱器利用率越低。對于上蓋板自身，由圖可見其仍然存在均熱性能不夠理想的問題，最大溫差達到6.13℃，相對高溫區(qū)域出現(xiàn)在上蓋板的中后部，散熱器邊緣處肋片利用率相對較低。

圖4 相機紅外成像

圖5給出了移除上蓋板后，布置有核心芯片DSP和FPGA的相機MB電路板溫度分布情況?？梢钥闯鯠SP芯片表面溫度較高，局部最大溫度達到83.74℃，平均溫度為79.65℃；FPGA芯片的局部最大溫度為66.85℃，平均芯片溫度為60.65℃，這與FPGA芯片設計功率小于DSP芯片的狀況一致。由于DSP芯片與FPGA芯片的允許表面溫度上限分別為90℃和85℃，當相機處于圖像采集狀態(tài)時，雖然不采用散熱器時DSP和FPGA芯片表面溫度仍符合設計要求，但核心芯片DSP的溫升已不容忽視。由于相機正常情況下是加裝散熱器的，理論上分析上蓋板的散熱效果可降低芯片表面溫度，但已無法通過原機試驗手段進行量化。對于本文所研究的智能交通攝像機來說，DSP和FPGA芯片的實際功耗是導致其表面溫升的直接影響因素，當相機處于持續(xù)車牌識別等工況時，芯片功耗將顯著增加，由此產(chǎn)生的熱負荷將大大增加芯片表面溫升，對智能交通圖像采集帶來隱患。由此，有必要采用模型試驗手段深入研究不同功耗下的相機熱負荷狀況，為整機熱設計提供依據(jù)。

圖5 相機芯片組紅外成像

2.2 模擬芯片實驗

2.2.1 散熱器表面溫度對比

圖6展示了3種試驗工況下散熱器表面紅外熱成像結果。

圖6 散熱器表面紅外熱圖像

與圖4結果進行對比，可以看出工況1對應表面最大溫度為45.91℃，平均溫度為45.07℃，而原機實驗散熱器表面最大溫度為49.58℃，平均溫度為48.78℃，產(chǎn)生差異的原因在于模型試驗只考慮DSP芯片和FPGA芯片的功耗，而原機中仍存在CCD、電源及電容等功耗件，導致原機試驗結果略高于模型試驗結果?？偟膩碚f，二者表面溫度場分布比較接近，且在工況改變時，模型試驗散熱器表面溫度的發(fā)展趨勢表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，說明本文模型試驗方案是可行的。

實驗結果表明芯片功率不同導致散熱器表面溫度分布不同，圖7對比分析了3種工況下散熱器表面溫度分布差異，可以看出表面溫度隨功率增加有較大幅度提升。從溫度不均引起的散熱器利用率變化分析，該散熱器利用率不高，且隨芯片功率增加，散熱器利用率逐漸降低，這給相機持續(xù)運行在芯片重負荷工況時的穩(wěn)定性帶來隱患。由于本攝像機樣機開發(fā)過程中沒有從熱設計角度考慮元件選型及電路板級、系統(tǒng)級散熱效果，本文結果證實在研發(fā)階段進行專業(yè)的熱設計是非常必要的。

圖7 散熱器表面溫度隨總功率變化

2.2.2 芯片表面溫度對比

車流量較小情況下，智能交通攝像機將工作在斷續(xù)圖像處理模式，此時芯片組功耗將出現(xiàn)脈沖式變化，熱設計時希望散熱器具有較強瞬時儲熱能力，從而減緩瞬間發(fā)出的高熱量對芯片組穩(wěn)定性的影響。本文采用接觸式溫度測量技術對芯片表面溫度進行直觀檢測，功率加載過程中芯片表面溫度響應越慢，散熱器瞬時儲熱能力越強。3種工況下功率加載過程中實驗芯片表面溫度瞬態(tài)變化情況如圖8所示，可以看出各曲線初始階段斜率變化比較顯著，即對瞬間功率加載有明確地響應，隨時間發(fā)展各芯片溫度變化趨緩且逐漸穩(wěn)定。對比同一芯片不同功率大小時的曲線變化趨勢，可以看出，較高功率下芯片表面溫升增加更為顯著，說明該散熱器的瞬時儲熱能力隨芯片功率增加而減弱。

圖8 芯片表面瞬態(tài)溫度變化

圖9為各工況下芯片表面溫度穩(wěn)定后結果對比，從圖9可以看出，功率對芯片表面溫度有顯著影響，穩(wěn)定后芯片溫度隨功率的升高而近似線性增加。由于1號芯片（對應DSP芯片）表面積小于2號芯片（對應FPGA芯片），散熱條件相對較差，因此功率對1號芯片溫度的影響略大于2號芯片。對于試驗工況二，1號芯片表面溫度達到99.72℃，2號芯片為85.02℃。由芯片設計要求可知，該工況下芯片溫度已超出設計限值。因此，為保證相機在現(xiàn)有散熱系統(tǒng)輔助下正常工作，DSP功耗設計不應超過4 W，F(xiàn)PGA功耗設計不應超過3 W。

圖9 芯片表面穩(wěn)態(tài)溫度變化

2.2.3 散熱器熱阻對比

散熱器熱阻定義式為：

式中：Rt,f為散熱器熱阻；qf為肋片熱傳導速率；θb為肋基處最大過余溫度；由于試驗中無法較為準確的測量肋基處的最大溫度，因此利用芯片表面最大平均溫度與空氣的溫差來定義熱阻。即：

式中：Tc為芯片表面最大平均溫度；T∞為環(huán)境溫度；φ為芯片總加熱功率。由此利用本文實驗測量結果可以近似計算不同工況下的散熱器熱阻，結果如圖10所示，可以看出散熱器熱阻隨芯片功率增加而逐漸減小，但較高功率下其減小趨勢已趨于平緩。因此，為使相機散熱器在較大功耗下的發(fā)熱量能有效傳遞至周邊環(huán)境，有必要通過散熱器結構優(yōu)化設計來進一步降低輔助散熱器整體熱阻。

圖10 散熱器熱阻變化情況

3 結論

本文分別利用紅外熱像儀和Pt100薄膜熱電阻，首次對某新型智能交通攝像機開展了原機熱負荷實驗和模擬芯片試驗，結合測試結果以及相關芯片設計要求對相機進行了工作熱負荷評定，主要得出以下結論：

（1）室溫條件下無輔助散熱時，僅處于圖像采集工況的相機核心芯片DSP表面溫度已逼近設計上限，因此對現(xiàn)有相機進行熱設計優(yōu)化極為必要。

（2）模擬芯片試驗可較為真實地反映相機芯片實際工作發(fā)熱情況。實驗證實芯片功率對其表面溫度有顯著影響，因此適當控制芯片功率可以明顯改善相機工作熱負荷。

（3）相機輔助散熱系統(tǒng)的散熱能力有限，需要對散熱器進行結構優(yōu)化，從而進一步降低散熱器熱阻，以有效控制相機在較高功耗條件下的工作熱負荷。

（4）受當前實驗條件制約，本文實驗均在室溫條件下進行，為獲得相機在極端條件下熱負荷狀況，后續(xù)工作中應開展相機熱工作過程數(shù)值模擬研究，對相機全工況熱性能進行有效預測及評價，本實驗結果可用于對預測模型的有效校核。

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李跟寶（1974-），男，陜西富平人，副教授，主要研究方向為電子散熱技術，ligb@chd.edu.cn；

汪 熙（1990-），男，長安大學碩士研究生，主要研究方向為電子散熱技術，1390980963@qq.com；

王 揚（1991-），男，長安大學碩士研究生，主要研究方向為電子散熱技術，455193669@qq.com；

石 瀟（1992-），男，長安大學碩士研究生，主要研究方向為強化換熱技術，1747536098@qq.com。

Experiment Evaluation of the Operating Thermal Load of an Intelligent Traffic Camera*

LI Genbao*，WANG Xi，WANG Yang，SHI Xiao
（School of Automobile，Chang’an University，Shaanxi 710064，China）

By using infrared（IR）technology，the thermal load of a new-type intelligent traffic camera was studied ex?perimentally.In addition，model experiment with essential power components of the traffic camera，including the DSP（Digital Signal Processing）chip and the FPGA（Field Programmable Gate Array）chip，was carried out.The re?sult with the operating traffic camera indicates that the influence of thermal load on chip performance can not be ig?nored.When the heat sink of the camera is removed and the image processing function is deactivated，the surface temperature of the DSP chip still approaches to the upper range value although the camera is under low-power con?dition.Therefore，it is very necessary to perform optimal design with the heat conductive structure of the camera.As for chip model test，it is found as the power input increases，the steady temperature of chip surface increases linear?ly and the transient heat storage capacity decreases simultaneously.Due to the significant influence of chip power input on surface temperature，the thermal characteristic of the traffic camera can be effectively controlled by main?taining chip power input in a reasonable range.Comparison analysis of the heat sink resistant shows that the heat sink efficiency of the camera remains at low level and needs further optimization.

intelligent transportation；thermal load；IR technology；traffic camera；heat sink

TK124

A

1005-9490（2016）06-1343-06

6430H

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.013

項目來源：陜西省自然科學基金項目（2013JM7015）；中央高校基本科研項目（0009-2014G1221021）

2015-11-27 修改日期：2015-12-22