基于ARM的建筑質量檢測紅外熱像儀設計

張愛萍　劉一　劉欣　趙永強

摘? 要：本文提出了一種基于ARM的建筑質量檢測紅外攝像儀設計方案。系統以S3C2440A為微處理器，TAU640為紅外探測器。CPU接收探測器的數據，采集完一幀紅外圖像后將圖像數據保存到SD卡中，并在LCD顯示屏上顯示。在硬件完成基礎上，通過編程實現紅外熱圖像的采集、顯示。測試結果表明：結合現場，紅外熱圖和溫度特征可以實現對建筑熱工缺陷部位進行預判定。

關鍵詞：紅外熱像儀;ARM;建筑質量檢測

中圖分類號：TP334??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）02-0000-00

傳統的建筑質量檢測方法通常效率不高，只能檢測出一些明顯的缺陷。然而大部分缺陷并不明顯，往往只有在造成嚴重的破壞之后才能發現。隨著建筑節能發展的不斷深入，節能工作逐漸轉向現場檢測驗收，這就要求有相應的節能檢測手段。紅外熱像技術具有非接觸、速度快、在線檢測等優點。將紅外技術與建筑節能檢測方法相結合，能快速準確定位建筑物質量缺陷，保證建筑物的使用安全，進一步促進建筑節能檢測工作的發展。

以FPGA為核心的嵌入式系統在任務調度等功能上處理起來較為復雜;而以ARM為核心的嵌入式系統具有設計靈活、軟硬件可剪裁等優點，其廣泛應用于各種嵌入式終端開發領域。本文以S3C2440A微處理器為核心設計紅外熱像儀。探測器選用TAU640機芯。系統采用嵌入式ARM-Linux操作系統。軟件用C語言編程，順序執行結構以保證在攝像頭拍攝一幀照片之后系統能及時地存儲，并為下一幀照片的拍攝做好準備。

1 系統整體設計

基于紅外輻射原理，紅外熱成像系統檢測物體表面的紅外熱輻射能，將此輻射能分布反映到探測器的光敏組件上，進而獲得與物體表面的熱分布場相對應的紅外熱像圖。當建筑結構沒有缺陷時，一定范圍內的結構和材質基本相同，在該范圍內物質比熱容相近，其溫度分布是均勻的;當存在缺陷時，熱流在建筑物內傳導過程中，由于受到環境各類因素及建筑材料本身差異的影響，材料內部會形成不同的溫度梯度，進而形成相應的“冷區”和“熱區”。紅外熱像儀利用紅外輻射原理將這種不均勻的溫度場以圖像顯示出來。根據紅外熱圖，判斷被檢測范圍內溫度值過高（低）的區域，進而找到熱工性能薄弱的部位，以便對其進行改造。

本文設計的紅外熱像儀總體框架如圖1所示，在工作過程中：當按下拍攝按鍵時，紅外探測器記錄試件表面的溫度變化，并把熱輻射轉換為電信號;S3C2440A處理器接收紅外探測器的數據，并將數據暫時保存在SDRAM內存中;當采集完一幀紅外圖像后將數據保存到SD卡中，并在LCD顯示屏上顯示，從而實現對紅外熱像數據的實時采集、處理及存儲。以太網可以實現ARM和PC機之間的通信，以便能實施遠程監控。

2 硬件設計

2.1 紅外探測器接口電路

TAU640是一款640*480的長波紅外非制冷焦平面陣列機芯，像素尺寸為17μm。如圖2所示，該機芯有24根引腳輸出，其中I2CSDA和I2CSCL分別為IC數據信號和時鐘信號，CPU通過IC總線來控制探測器工作，同時檢測探測器的狀態;CAMRESET為復位信號，CPU通過該引腳來對探測器進行復位;CAMVSYNC和CAMHREF分別為探測器視頻垂直和水平同步信號;CAMENT_GPG12為中斷輸出信號，用來通知CPU圖像已經探測完成;CAMDATA0-7為YCbCr像素數字數據輸出;CAMCLKOUT和CAMPCLK分別為時鐘信號和像素時鐘號;VCC1.8和VCC2.5V分別為探測器提供1.8V和2.5V電源;VCC3.3為3.3V I/O電源。

2.2 S3C2440A的接口設計

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。S3C2440A接口設計如圖3所示。其中S3C2440A通過攝像頭控制器接口與紅外探測器相連，并通過IC接口配置探測器，使得探測器工作在合適的模式;SDRAM是系統的運行存儲器，系統軟件運行程序和中間數據都在SDRAM中保存，S3C2440A通過地址總線和數據總線與SDRAM連接;SDCARD采用4G字節的SD卡，用于存儲拍攝的結果數據，S3C2440A通過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通過顯示控制器接口與LCD相連;FLASH為程序和數據存儲器，系統程序全部保存在FLASH中，S3C2440A通過CFI閃存接口與FLASH連接;S3C2440A通過通用IO接口與按鍵連接。

3 軟件設計

系統軟件采用結構化和模塊化設計方法，包括4個子模塊和1個主模塊。4個子模塊分別是紅外探測器模塊、按鍵模塊、LCD模塊和SD卡模塊。其中紅外探測器模塊通過修改ARM-Linux的攝像頭驅動而得到。

其包括兩個部分，一部分是S3C2440A通過IC總線設置探測器的控制寄存器來完成初始化;另一部分是通過封裝的V4L2標準函數為上層應用提供規范的Linux API。當應用程序調用驅動程序時，首先傳遞videodev的數據結構給驅動程序，數據結構中包括設備號等信息;通過open（ ）函數打開熱像儀設備，之后通過

read（ ）函數來讀取熱像儀的圖像數據;通過ioctl（ ）函數實現熱像儀的啟動、停止拍攝等;當應用程序退出時，通過release（ ）函數釋放對熱像儀的控制，將內存釋放;按鍵主要實現紅外圖像的拍攝、存儲等功能。按鍵的驅動是字符型的驅動，驅動程序載入時配置IO端口為輸入，應用程序通過read操作讀取IO端口的狀態，即當前的按鍵狀態;LCD模塊和SD卡模塊分別使用系統自帶的顯示器驅動和SD卡驅動來實現。主模塊主要完成系統各部件的初始化和實現各個子模塊的調用。工作過程：給系統上電，啟動BootLoader，對CPU、SDRAM、FLASH進行初始化，調用Arm-Linux并啟動，裝載LCD驅動程序，并在LCD上顯示啟動界面，之后裝載紅外探測器、按鍵的驅動程序。系統啟動完畢后，啟動應用程序，首先調用熱像儀驅動程序，初始化熱像儀的各項參數，之后調用按鍵驅動程序，當按下拍攝按鍵，開啟熱像儀的拍攝任務，拍攝完成后獲取熱像儀數據，解析后將熱像儀圖像顯示在LCD顯示器上，同時得到圖像信號以紅外圖像序列形式（*.is2文件格式）存儲在SD卡中。在PC機中利用SMARTVIEW軟件將此圖像格式保存成*.jpg格式，并利用專用軟件對熱圖像進行處理。

4 系統測試

經過調試，本文設計的紅外熱成像系統電路工作正常，對實際場景的成像和顯示效果均較好。筆者選擇西安地區老舊小區居住建筑為研究對象，對其進行相應的紅外熱成像熱工缺陷檢測工作。在室內環境下，系統對一住戶暖氣管道成像后的結果如圖4所示。左圖為暖氣管道的可見光照片，右圖為利用該系統拍攝的紅外熱像圖。在可見光照片上，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”和“冷區”，為暖氣管道熱工缺陷部位預判定提供依據。

5 結語

本文從硬件和軟件兩個方面構建紅外熱成像系統。調試后對建筑物進行拍攝，可以完成紅外圖像信號的采集、保存及顯示等功能;再輔助以紅外圖像濾波、圖像增強、圖像特征信息提取等圖像處理手段，就使得建筑缺陷突出。實驗證明該系統具有較高的處理功能，因此在建筑質量檢測方面有較高的使用價值。

參考文獻

[1] 程玉蘭.紅外診斷現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 楊麗萍，閆增峰，孫立新，等.紅外熱成像技術在建筑外墻熱工缺陷檢測中的應用[J].新型建筑材料，2010，37（6）：53-57.

[3] 田旭園，湯一平，楊燕萍.紅外熱成像處理在墻體空鼓檢測上的應用研究[J].計算機測量與控制，2012（6）：1501-1503.

[4] 梁丁，熊建.ARM微處理器與應用開發[M].北京：電子工業出版社，2007.

[5] 劉國賀，李玉惠，李勃，等.基于FPGA的數字圖像水印實時嵌入系統的設計與實現[J].電子技術應用，2010，36（3）：27-30.

[6] 黃國楊，李健.紅外熱成像技術在建筑節能檢測中的應用[J].住宅科技，2010，30（1）：50-54.

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