李跟寶，汪 熙，王 揚(yáng)，石 瀟

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安710064）

智能交通攝像機(jī)工作熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)評價*

李跟寶*，汪 熙，王 揚(yáng)，石 瀟

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安710064）

利用紅外熱像技術(shù)，對某新型智能交通攝像機(jī)工作熱負(fù)荷狀況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并針對相機(jī)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(shí)驗(yàn)。原機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相機(jī)工作熱負(fù)荷對芯片性能的影響不容忽視，即便處于只進(jìn)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(shè)計上限，因而有必要進(jìn)行相機(jī)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。模擬芯片實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(jī)工作熱負(fù)荷。對比分析相機(jī)輔助散熱器熱阻可知，該散熱器效率較低，存在進(jìn)一步優(yōu)化潛力。

智能交通；熱負(fù)荷；紅外成像技術(shù)；交通攝像機(jī)；散熱器

為應(yīng)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(diǎn)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(jìn)行采集，作為系統(tǒng)前端關(guān)鍵設(shè)備，智能交通攝像機(jī)集高像素圖像采集、高質(zhì)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(fù)雜算法集成等相關(guān)技術(shù)方面發(fā)展迅速［2-3］。

智能交通攝像機(jī)結(jié)構(gòu)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(yán)重影響到ITS技術(shù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，相機(jī)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(guān)系上升，較高功耗所造成的溫升將導(dǎo)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(jī)故障性重啟［6］。當(dāng)前，智能交通攝像機(jī)行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)研發(fā)周期短、產(chǎn)品種類多等特點(diǎn)，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(shè)計，而實(shí)際應(yīng)用中熱故障則時有發(fā)生［7］。由此，對智能交通攝像機(jī)進(jìn)行規(guī)范熱設(shè)計以合理控制其工作熱負(fù)荷，對于保證相機(jī)在復(fù)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(gòu)、優(yōu)化芯片功耗設(shè)計，從而降低或去除芯片熱點(diǎn)。眾多研究成果證實(shí)，控制芯片功耗是改善其熱穩(wěn)定性能的直接技術(shù)途徑［9］。試驗(yàn)技術(shù)方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shù)的日益成熟和不斷普及，國內(nèi)外已開始嘗試?yán)眉t外成像對電子產(chǎn)品熱問題進(jìn)行研究［11-12］。與此同時，應(yīng)用ICEPAK、CFX、FLOTHERM等商用軟件對電子產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值模擬研究也日漸成熟，利用數(shù)值模擬技術(shù)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(yīng)用前景［13-14］。

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

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 交通攝像機(jī)簡介

本文所研究的交通攝像機(jī)樣機(jī)為某專業(yè)廠家最新開發(fā)的高清產(chǎn)品，采用當(dāng)前主流高性能DSP處理器，并融合了車牌識別、視頻檢查等復(fù)雜算法。相機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)照片，相機(jī)硬件系統(tǒng)由LB、MB及PB 3塊電路板構(gòu)成，其間通過插針和排線相連接。相機(jī)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(fù)荷。肋片式散熱器采用風(fēng)冷散熱方案，散熱器與芯片之間涂覆導(dǎo)熱硅脂以降低接觸熱阻。

圖1 交通攝像機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括原機(jī)試驗(yàn)及模擬芯片試驗(yàn)兩部分。原機(jī)試驗(yàn)的目的是評價相機(jī)整體熱負(fù)荷狀況，明確主要發(fā)熱元件，為模擬臺架試驗(yàn)設(shè)計提供依據(jù)。模擬臺架試驗(yàn)克服原機(jī)試驗(yàn)中芯片工作參數(shù)不易精確調(diào)整的制約，在不同功耗模式下對芯片表面溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，并評價散熱器工作性能。

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

模擬芯片試驗(yàn)針對布置有DSP和FPGA的MB電路板進(jìn)行模型構(gòu)建。圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要包括試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒓t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(zhuǎn)換器，精度為0.0 2℃，可同時進(jìn)行12路數(shù)據(jù)采集。圖3為模擬芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖3 模擬芯片試驗(yàn)系統(tǒng)照片

試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠勉~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(dǎo)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(yùn)行產(chǎn)生的熱量盡可能沿散熱器方向?qū)С觥Ｔ囼?yàn)中利用直流穩(wěn)壓源為試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d功率，通過調(diào)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(jìn)行。模擬芯片實(shí)驗(yàn)功耗分配如表1所示，工況1對應(yīng)相機(jī)只進(jìn)行圖像采集而不做圖像處理情況，工況3對應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 原機(jī)實(shí)驗(yàn)

交通攝像機(jī)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(jī)試驗(yàn)熱圖像，由圖可以看出相機(jī)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(dān)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(jìn)行熱設(shè)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(dá)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(jī)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(jī)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(dá)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(shè)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(dāng)相機(jī)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(shè)計要求，但核心芯片DSP的溫升已不容忽視。由于相機(jī)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(jī)試驗(yàn)手段進(jìn)行量化。對于本文所研究的智能交通攝像機(jī)來說，DSP和FPGA芯片的實(shí)際功耗是導(dǎo)致其表面溫升的直接影響因素，當(dāng)相機(jī)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(fù)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(yàn)手段深入研究不同功耗下的相機(jī)熱負(fù)荷狀況，為整機(jī)熱設(shè)計提供依據(jù)。

圖5 相機(jī)芯片組紅外成像

2.2 模擬芯片實(shí)驗(yàn)

2.2.1 散熱器表面溫度對比

圖6展示了3種試驗(yàn)工況下散熱器表面紅外熱成像結(jié)果。

圖6 散熱器表面紅外熱圖像

與圖4結(jié)果進(jìn)行對比，可以看出工況1對應(yīng)表面最大溫度為45.91℃，平均溫度為45.07℃，而原機(jī)實(shí)驗(yàn)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(yàn)只考慮DSP芯片和FPGA芯片的功耗，而原機(jī)中仍存在CCD、電源及電容等功耗件，導(dǎo)致原機(jī)試驗(yàn)結(jié)果略高于模型試驗(yàn)結(jié)果。總的來說，二者表面溫度場分布比較接近，且在工況改變時，模型試驗(yàn)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(yàn)方案是可行的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明芯片功率不同導(dǎo)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(jī)持續(xù)運(yùn)行在芯片重負(fù)荷工況時的穩(wěn)定性帶來隱患。由于本攝像機(jī)樣機(jī)開發(fā)過程中沒有從熱設(shè)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(jié)果證實(shí)在研發(fā)階段進(jìn)行專業(yè)的熱設(shè)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(jī)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(shè)計時希望散熱器具有較強(qiáng)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(shù)對芯片表面溫度進(jìn)行直觀檢測，功率加載過程中芯片表面溫度響應(yīng)越慢，散熱器瞬時儲熱能力越強(qiáng)。3種工況下功率加載過程中實(shí)驗(yàn)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(yīng)，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(jié)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(yīng)DSP芯片）表面積小于2號芯片（對應(yīng)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(yàn)工況二，1號芯片表面溫度達(dá)到99.72℃，2號芯片為85.02℃。由芯片設(shè)計要求可知，該工況下芯片溫度已超出設(shè)計限值。因此，為保證相機(jī)在現(xiàn)有散熱系統(tǒng)輔助下正常工作，DSP功耗設(shè)計不應(yīng)超過4 W，F(xiàn)PGA功耗設(shè)計不應(yīng)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(dǎo)速率；θb為肋基處最大過余溫度；由于試驗(yàn)中無法較為準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)測量結(jié)果可以近似計算不同工況下的散熱器熱阻，結(jié)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(jī)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來進(jìn)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(jié)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(jī)開展了原機(jī)熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)和模擬芯片試驗(yàn)，結(jié)合測試結(jié)果以及相關(guān)芯片設(shè)計要求對相機(jī)進(jìn)行了工作熱負(fù)荷評定，主要得出以下結(jié)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(jī)核心芯片DSP表面溫度已逼近設(shè)計上限，因此對現(xiàn)有相機(jī)進(jìn)行熱設(shè)計優(yōu)化極為必要。

（2）模擬芯片試驗(yàn)可較為真實(shí)地反映相機(jī)芯片實(shí)際工作發(fā)熱情況。實(shí)驗(yàn)證實(shí)芯片功率對其表面溫度有顯著影響，因此適當(dāng)控制芯片功率可以明顯改善相機(jī)工作熱負(fù)荷。

（3）相機(jī)輔助散熱系統(tǒng)的散熱能力有限，需要對散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而進(jìn)一步降低散熱器熱阻，以有效控制相機(jī)在較高功耗條件下的工作熱負(fù)荷。

（4）受當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件制約，本文實(shí)驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行，為獲得相機(jī)在極端條件下熱負(fù)荷狀況，后續(xù)工作中應(yīng)開展相機(jī)熱工作過程數(shù)值模擬研究，對相機(jī)全工況熱性能進(jìn)行有效預(yù)測及評價，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于對預(yù)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?yàn)殡娮由峒夹g(shù)，ligb@chd.edu.cn；

汪 熙（1990-），男，長安大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮由峒夹g(shù)，1390980963@qq.com；

王 揚(yáng)（1991-），男，長安大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮由峒夹g(shù)，455193669@qq.com；

石 瀟（1992-），男，長安大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)閺?qiáng)化換熱技術(shù)，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(xiàng)目來源：陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013JM7015）；中央高?；究蒲许?xiàng)目（0009-2014G1221021）

2015-11-27 修改日期：2015-12-22