基于ARM的建筑質(zhì)量檢測(cè)紅外熱像儀設(shè)計(jì)

張愛(ài)萍　劉一　劉欣　趙永強(qiáng)

摘? 要：本文提出了一種基于ARM的建筑質(zhì)量檢測(cè)紅外攝像儀設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以S3C2440A為微處理器，TAU640為紅外探測(cè)器。CPU接收探測(cè)器的數(shù)據(jù)，采集完一幀紅外圖像后將圖像數(shù)據(jù)保存到SD卡中，并在LCD顯示屏上顯示。在硬件完成基礎(chǔ)上，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)紅外熱圖像的采集、顯示。測(cè)試結(jié)果表明：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，紅外熱圖和溫度特征可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑熱工缺陷部位進(jìn)行預(yù)判定。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀;ARM;建筑質(zhì)量檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP334??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）02-0000-00

傳統(tǒng)的建筑質(zhì)量檢測(cè)方法通常效率不高，只能檢測(cè)出一些明顯的缺陷。然而大部分缺陷并不明顯，往往只有在造成嚴(yán)重的破壞之后才能發(fā)現(xiàn)。隨著建筑節(jié)能發(fā)展的不斷深入，節(jié)能工作逐漸轉(zhuǎn)向現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)收，這就要求有相應(yīng)的節(jié)能檢測(cè)手段。紅外熱像技術(shù)具有非接觸、速度快、在線(xiàn)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。將紅外技術(shù)與建筑節(jié)能檢測(cè)方法相結(jié)合，能快速準(zhǔn)確定位建筑物質(zhì)量缺陷，保證建筑物的使用安全，進(jìn)一步促進(jìn)建筑節(jié)能檢測(cè)工作的發(fā)展。

以FPGA為核心的嵌入式系統(tǒng)在任務(wù)調(diào)度等功能上處理起來(lái)較為復(fù)雜;而以ARM為核心的嵌入式系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)靈活、軟硬件可剪裁等優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于各種嵌入式終端開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。本文以S3C2440A微處理器為核心設(shè)計(jì)紅外熱像儀。探測(cè)器選用TAU640機(jī)芯。系統(tǒng)采用嵌入式ARM-Linux操作系統(tǒng)。軟件用C語(yǔ)言編程，順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)以保證在攝像頭拍攝一幀照片之后系統(tǒng)能及時(shí)地存儲(chǔ)，并為下一幀照片的拍攝做好準(zhǔn)備。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于紅外輻射原理，紅外熱成像系統(tǒng)檢測(cè)物體表面的紅外熱輻射能，將此輻射能分布反映到探測(cè)器的光敏組件上，進(jìn)而獲得與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)沒(méi)有缺陷時(shí)，一定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)基本相同，在該范圍內(nèi)物質(zhì)比熱容相近，其溫度分布是均勻的;當(dāng)存在缺陷時(shí)，熱流在建筑物內(nèi)傳導(dǎo)過(guò)程中，由于受到環(huán)境各類(lèi)因素及建筑材料本身差異的影響，材料內(nèi)部會(huì)形成不同的溫度梯度，進(jìn)而形成相應(yīng)的“冷區(qū)”和“熱區(qū)”。紅外熱像儀利用紅外輻射原理將這種不均勻的溫度場(chǎng)以圖像顯示出來(lái)。根據(jù)紅外熱圖，判斷被檢測(cè)范圍內(nèi)溫度值過(guò)高（低）的區(qū)域，進(jìn)而找到熱工性能薄弱的部位，以便對(duì)其進(jìn)行改造。

本文設(shè)計(jì)的紅外熱像儀總體框架如圖1所示，在工作過(guò)程中：當(dāng)按下拍攝按鍵時(shí)，紅外探測(cè)器記錄試件表面的溫度變化，并把熱輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào);S3C2440A處理器接收紅外探測(cè)器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在SDRAM內(nèi)存中;當(dāng)采集完一幀紅外圖像后將數(shù)據(jù)保存到SD卡中，并在LCD顯示屏上顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外熱像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理及存儲(chǔ)。以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)ARM和PC機(jī)之間的通信，以便能實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 紅外探測(cè)器接口電路

TAU640是一款640*480的長(zhǎng)波紅外非制冷焦平面陣列機(jī)芯，像素尺寸為17μm。如圖2所示，該機(jī)芯有24根引腳輸出，其中I2CSDA和I2CSCL分別為IC數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，CPU通過(guò)IC總線(xiàn)來(lái)控制探測(cè)器工作，同時(shí)檢測(cè)探測(cè)器的狀態(tài);CAMRESET為復(fù)位信號(hào)，CPU通過(guò)該引腳來(lái)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行復(fù)位;CAMVSYNC和CAMHREF分別為探測(cè)器視頻垂直和水平同步信號(hào);CAMENT_GPG12為中斷輸出信號(hào)，用來(lái)通知CPU圖像已經(jīng)探測(cè)完成;CAMDATA0-7為YCbCr像素?cái)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出;CAMCLKOUT和CAMPCLK分別為時(shí)鐘信號(hào)和像素時(shí)鐘號(hào);VCC1.8和VCC2.5V分別為探測(cè)器提供1.8V和2.5V電源;VCC3.3為3.3V I/O電源。

2.2 S3C2440A的接口設(shè)計(jì)

S3C2440A微處理器主頻為400MHz，可連接LCD控制器、攝像頭控制器、128MB SDRAM、512MB FLASH等，支持ARM-Linux嵌入式操作系統(tǒng)。S3C2440A接口設(shè)計(jì)如圖3所示。其中S3C2440A通過(guò)攝像頭控制器接口與紅外探測(cè)器相連，并通過(guò)IC接口配置探測(cè)器，使得探測(cè)器工作在合適的模式;SDRAM是系統(tǒng)的運(yùn)行存儲(chǔ)器，系統(tǒng)軟件運(yùn)行程序和中間數(shù)據(jù)都在SDRAM中保存，S3C2440A通過(guò)地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)與SDRAM連接;SDCARD采用4G字節(jié)的SD卡，用于存儲(chǔ)拍攝的結(jié)果數(shù)據(jù)，S3C2440A通過(guò)SD卡接口與SDCARD連接;LCD采用800*600的彩色液晶顯示器，用于顯示拍攝的紅外熱圖像，S3C2440A通過(guò)顯示控制器接口與LCD相連;FLASH為程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，系統(tǒng)程序全部保存在FLASH中，S3C2440A通過(guò)CFI閃存接口與FLASH連接;S3C2440A通過(guò)通用IO接口與按鍵連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，包括4個(gè)子模塊和1個(gè)主模塊。4個(gè)子模塊分別是紅外探測(cè)器模塊、按鍵模塊、LCD模塊和SD卡模塊。其中紅外探測(cè)器模塊通過(guò)修改ARM-Linux的攝像頭驅(qū)動(dòng)而得到。

其包括兩個(gè)部分，一部分是S3C2440A通過(guò)IC總線(xiàn)設(shè)置探測(cè)器的控制寄存器來(lái)完成初始化;另一部分是通過(guò)封裝的V4L2標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)為上層應(yīng)用提供規(guī)范的Linux API。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，首先傳遞videodev的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給驅(qū)動(dòng)程序，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括設(shè)備號(hào)等信息;通過(guò)open（ ）函數(shù)打開(kāi)熱像儀設(shè)備，之后通過(guò)

read（ ）函數(shù)來(lái)讀取熱像儀的圖像數(shù)據(jù);通過(guò)ioctl（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)熱像儀的啟動(dòng)、停止拍攝等;當(dāng)應(yīng)用程序退出時(shí)，通過(guò)release（ ）函數(shù)釋放對(duì)熱像儀的控制，將內(nèi)存釋放;按鍵主要實(shí)現(xiàn)紅外圖像的拍攝、存儲(chǔ)等功能。按鍵的驅(qū)動(dòng)是字符型的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)程序載入時(shí)配置IO端口為輸入，應(yīng)用程序通過(guò)read操作讀取IO端口的狀態(tài)，即當(dāng)前的按鍵狀態(tài);LCD模塊和SD卡模塊分別使用系統(tǒng)自帶的顯示器驅(qū)動(dòng)和SD卡驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主模塊主要完成系統(tǒng)各部件的初始化和實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊的調(diào)用。工作過(guò)程：給系統(tǒng)上電，啟動(dòng)BootLoader，對(duì)CPU、SDRAM、FLASH進(jìn)行初始化，調(diào)用Arm-Linux并啟動(dòng)，裝載LCD驅(qū)動(dòng)程序，并在LCD上顯示啟動(dòng)界面，之后裝載紅外探測(cè)器、按鍵的驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)啟動(dòng)完畢后，啟動(dòng)應(yīng)用程序，首先調(diào)用熱像儀驅(qū)動(dòng)程序，初始化熱像儀的各項(xiàng)參數(shù)，之后調(diào)用按鍵驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)按下拍攝按鍵，開(kāi)啟熱像儀的拍攝任務(wù)，拍攝完成后獲取熱像儀數(shù)據(jù)，解析后將熱像儀圖像顯示在LCD顯示器上，同時(shí)得到圖像信號(hào)以紅外圖像序列形式（*.is2文件格式）存儲(chǔ)在SD卡中。在PC機(jī)中利用SMARTVIEW軟件將此圖像格式保存成*.jpg格式，并利用專(zhuān)用軟件對(duì)熱圖像進(jìn)行處理。

4 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)調(diào)試，本文設(shè)計(jì)的紅外熱成像系統(tǒng)電路工作正常，對(duì)實(shí)際場(chǎng)景的成像和顯示效果均較好。筆者選擇西安地區(qū)老舊小區(qū)居住建筑為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的紅外熱成像熱工缺陷檢測(cè)工作。在室內(nèi)環(huán)境下，系統(tǒng)對(duì)一住戶(hù)暖氣管道成像后的結(jié)果如圖4所示。左圖為暖氣管道的可見(jiàn)光照片，右圖為利用該系統(tǒng)拍攝的紅外熱像圖。在可見(jiàn)光照片上，總體外觀感良好;但在紅外熱像圖上，由于暖氣管道內(nèi)部堵塞或其他因素的影響，使得暖氣管圖像顏色不均勻，即所謂的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，為暖氣管道熱工缺陷部位預(yù)判定提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從硬件和軟件兩個(gè)方面構(gòu)建紅外熱成像系統(tǒng)。調(diào)試后對(duì)建筑物進(jìn)行拍攝，可以完成紅外圖像信號(hào)的采集、保存及顯示等功能;再輔助以紅外圖像濾波、圖像增強(qiáng)、圖像特征信息提取等圖像處理手段，就使得建筑缺陷突出。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有較高的處理功能，因此在建筑質(zhì)量檢測(cè)方面有較高的使用價(jià)值。

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The Design of Infrared Thermal Imaging Instrument in Construction Engineer Quality Testing Based on ARM

ZHANG Aiping，LIU Yi，LIU Xin，ZHAO Yongqiang

（Science of College， Xi’an University of Architecture and Technology，? Xi’an? Shanxi? 710055）

Abstract： This paper presents a design scheme of an ARM-based infrared camera for building quality inspection. The system uses S3C2440A as the microprocessor and TAU640 as the infrared detector. The CPU receives the data of the detector， and after collecting a frame of infrared image， it saves the image data to the SD card and displays it on the LCD display. On the basis of hardware completion， the collection and display of infrared thermal images are realized through programming. The test results show that： combined with the site， infrared heat map and temperature characteristics can realize the pre-judgment of the thermal defects of the building.

Keywords： The infrared thermal imaging instrument;ARM;Construction Engineer Quality testing