基于ARM的建筑质量检测红外热像仪设计

张爱萍　刘一　刘欣　赵永强

摘  要：本文提出了一种基于ARM的建筑质量检测红外摄像仪设计方案。系统以S3C2440A为微处理器，TAU640为红外探测器。CPU接收探测器的数据，采集完一帧红外图像后将图像数据保存到SD卡中，并在LCD显示屏上显示。在硬件完成基础上，通过编程实现红外热图像的采集、显示。测试结果表明：结合现场，红外热图和温度特征可以实现对建筑热工缺陷部位进行预判定。

关键词：红外热像仪;ARM;建筑质量检测

中图分类号：TP334    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）02-0000-00

传统的建筑质量检测方法通常效率不高，只能检测出一些明显的缺陷。然而大部分缺陷并不明显，往往只有在造成严重的破坏之后才能发现。随着建筑节能发展的不断深入，节能工作逐渐转向现场检测验收，这就要求有相应的节能检测手段。红外热像技术具有非接触、速度快、在线检测等优点。将红外技术与建筑节能检测方法相结合，能快速准确定位建筑物质量缺陷，保证建筑物的使用安全，进一步促进建筑节能检测工作的发展。

以FPGA为核心的嵌入式系统在任务调度等功能上处理起来较为复杂;而以ARM为核心的嵌入式系统具有设计灵活、软硬件可剪裁等优点，其广泛应用于各种嵌入式终端开发领域。本文以S3C2440A微处理器为核心设计红外热像仪。探测器选用TAU640机芯。系统采用嵌入式ARM-Linux操作系统。软件用C语言编程，顺序执行结构以保证在摄像头拍摄一帧照片之后系统能及时地存储，并为下一帧照片的拍摄做好准备。

1 系统整体设计

基于红外辐射原理，红外热成像系统检测物体表面的红外热辐射能，将此辐射能分布反映到探测器的光敏组件上，进而获得与物体表面的热分布场相对应的红外热像图。当建筑结构没有缺陷时，一定范围内的结构和材质基本相同，在该范围内物质比热容相近，其温度分布是均匀的;当存在缺陷时，热流在建筑物内传导过程中，由于受到环境各类因素及建筑材料本身差异的影响，材料内部会形成不同的温度梯度，进而形成相应的“冷区”和“热区”。红外热像仪利用红外辐射原理将这种不均匀的温度场以图像显示出来。根据红外热图，判断被检测范围内温度值过高（低）的区域，进而找到热工性能薄弱的部位，以便对其进行改造。

本文设计的红外热像仪总体框架如图1所示，在工作过程中：当按下拍摄按键时，红外探测器記录试件表面的温度变化，并把热辐射转换为电信号;S3C2440A处理器接收红外探测器的数据，并将数据暂时保存在SDRAM内存中;当采集完一帧红外图像后将数据保存到SD卡中，并在LCD显示屏上显示，从而实现对红外热像数据的实时采集、处理及存储。以太网可以实现ARM和PC机之间的通信，以便能实施远程监控。

2 硬件设计

2.1 红外探测器接口电路

TAU640是一款640*480的长波红外非制冷焦平面阵列机芯，像素尺寸为17μm。如图2所示，该机芯有24根引脚输出，其中I2CSDA和I2CSCL分别为IC数据信号和时钟信号，CPU通过IC总线来控制探测器工作，同时检测探测器的状态;CAMRESET为复位信号，CPU通过该引脚来对探测器进行复位;CAMVSYNC和CAMHREF分别为探测器视频垂直和水平同步信号;CAMENT_GPG12为中断输出信号，用来通知CPU图像已经探测完成;CAMDATA0-7为YCbCr像素数字数据输出;CAMCLKOUT和CAMPCLK分别为时钟信号和像素时钟号;VCC1.8和VCC2.5V分别为探测器提供1.8V和2.5V电源;VCC3.3为3.3V I/O电源。

2.2 S3C2440A的接口设计

S3C2440A微处理器主频为400MHz，可连接LCD控制器、摄像头控制器、128MB SDRAM、512MB FLASH等，支持ARM-Linux嵌入式操作系统。S3C2440A接口设计如图3所示。其中S3C2440A通过摄像头控制器接口与红外探测器相连，并通过IC接口配置探测器，使得探测器工作在合适的模式;SDRAM是系统的运行存储器，系统软件运行程序和中间数据都在SDRAM中保存，S3C2440A通过地址总线和数据总线与SDRAM连接;SDCARD采用4G字节的SD卡，用于存储拍摄的结果数据，S3C2440A通过SD卡接口与SDCARD连接;LCD采用800*600的彩色液晶显示器，用于显示拍摄的红外热图像，S3C2440A通过显示控制器接口与LCD相连;FLASH为程序和数据存储器，系统程序全部保存在FLASH中，S3C2440A通过CFI闪存接口与FLASH连接;S3C2440A通过通用IO接口与按键连接。

3 软件设计

系统软件采用结构化和模块化设计方法，包括4个子模块和1个主模块。4个子模块分别是红外探测器模块、按键模块、LCD模块和SD卡模块。其中红外探测器模块通过修改ARM-Linux的摄像头驱动而得到。

其包括两个部分，一部分是S3C2440A通过IC总线设置探测器的控制寄存器来完成初始化;另一部分是通过封装的V4L2标准函数为上层应用提供规范的Linux API。当应用程序调用驱动程序时，首先传递videodev的数据结构给驱动程序，数据结构中包括设备号等信息;通过open（ ）函数打开热像仪设备，之后通过

read（ ）函数来读取热像仪的图像数据;通过ioctl（ ）函数实现热像仪的启动、停止拍摄等;当应用程序退出时，通过release（ ）函数释放对热像仪的控制，将内存释放;按键主要实现红外图像的拍摄、存储等功能。按键的驱动是字符型的驱动，驱动程序载入时配置IO端口为输入，应用程序通过read操作读取IO端口的状态，即当前的按键状态;LCD模块和SD卡模块分别使用系统自带的显示器驱动和SD卡驱动来实现。主模块主要完成系统各部件的初始化和实现各个子模块的调用。工作过程：给系统上电，启动BootLoader，对CPU、SDRAM、FLASH进行初始化，调用Arm-Linux并启动，装载LCD驱动程序，并在LCD上显示启动界面，之后装载红外探测器、按键的驱动程序。系统启动完毕后，启动应用程序，首先调用热像仪驱动程序，初始化热像仪的各项参数，之后调用按键驱动程序，当按下拍摄按键，开启热像仪的拍摄任务，拍摄完成后获取热像仪数据，解析后将热像仪图像显示在LCD显示器上，同时得到图像信号以红外图像序列形式（*.is2文件格式）存储在SD卡中。在PC机中利用SMARTVIEW软件将此图像格式保存成*.jpg格式，并利用专用软件对热图像进行处理。

4 系统测试

经过调试，本文设计的红外热成像系统电路工作正常，对实际场景的成像和显示效果均较好。笔者选择西安地区老旧小区居住建筑为研究对象，对其进行相应的红外热成像热工缺陷检测工作。在室内环境下，系统对一住户暖气管道成像后的结果如图4所示。左图为暖气管道的可见光照片，右图为利用该系统拍摄的红外热像图。在可见光照片上，总体外观感良好;但在红外热像图上，由于暖气管道内部堵塞或其他因素的影响，使得暖气管图像颜色不均匀，即所谓的“热区”和“冷区”，为暖气管道热工缺陷部位预判定提供依据。

5 结语

本文从硬件和软件两个方面构建红外热成像系统。调试后对建筑物进行拍摄，可以完成红外图像信号的采集、保存及显示等功能;再辅助以红外图像滤波、图像增强、图像特征信息提取等图像处理手段，就使得建筑缺陷突出。实验证明该系统具有较高的处理功能，因此在建筑质量检测方面有较高的使用价值。

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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