陳文敏，夏應(yīng)清，郎 磊，王正陽

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430079)

0 引言

溫度是農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)研究以及國防建設(shè)等領(lǐng)域廣泛使用的參數(shù)[1]。目前，溫度的測量方法主要包括接觸式測溫和非接觸式測溫。接觸式測溫主要以熱電偶、熱敏電阻等感溫元件作為測溫傳感器，簡單方便，成本較低，但感溫元件的熱慣性會(huì)影響測溫的速度、準(zhǔn)確率，不適合一些要求快速、準(zhǔn)確測溫的場合[2]。非接觸式測溫方法主要包括光纖測溫和紅外測溫，光纖溫度傳感器具有測量精度高、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格比較高昂，提高了系統(tǒng)的制造成本[3]。與光纖傳感器相比，紅外溫度傳感器價(jià)格相對便宜，且測量速度快、測溫范圍寬，得到較為廣泛的應(yīng)用[4]。常見的紅外陣列傳感器，如AMG8833的圖像分辨率為8×8像素、MLX90621的圖像分辨率為16×4像素、MLX90641的圖像分辨率為16×12像素等，普遍存在分辨率不高的問題，成像質(zhì)量較差，應(yīng)用有限[5]。

針對以上問題，本文采用了32×24像素的高分辨率紅外陣列傳感器MLX90640進(jìn)行溫度監(jiān)測，以STM32F401RCT6作為核心控制器，控制器驅(qū)動(dòng)并讀取MLX90640的測溫?cái)?shù)據(jù)，并通過UART接口實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)軟件的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，便于對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析和處理。系統(tǒng)測溫迅速、范圍寬，形成的紅外熱圖像分辨率高、質(zhì)量好。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)主要包括溫度數(shù)據(jù)采集硬件部分和溫度數(shù)據(jù)顯示與分析軟件部分，其中，硬件部分以STM32F401RCT6芯片為控制核心、采用MLX90640溫度傳感器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，軟件部分基于VC++開發(fā)環(huán)境，根據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)繪制紅外熱圖像并進(jìn)行處理分析。MLX90640紅外溫度傳感器具有768個(gè)像元，通過I2C總線與MCU通信，通信速率可達(dá)1 Mbit/s，硬件電路通過UART接口與PC機(jī)通信，將768個(gè)像元的溫度數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件可顯示768個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度值，并根據(jù)采集的溫度繪制紅外熱圖像，直觀顯示被測目標(biāo)的紅外輻射溫度場分布，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置需要監(jiān)測的溫度范圍，超出時(shí)顯示異常點(diǎn)坐標(biāo)并報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 高分辨率紅外傳感器MLX90640工作原理

MLX90640是完全校準(zhǔn)的32×24像素高分辨率紅外測溫陣列芯片，正常工作的溫度范圍為-40～300 ℃,測溫范圍為-40～85 ℃，有110°×75°和55°×35° 2種視場(FOV)可供選擇。芯片中使用集成環(huán)境傳感器來測量芯片的環(huán)境溫度，并提供傳感器以測量Vdd。所有傳感器IR、Ta和Vdd的輸出都存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM中，可通過I2C訪問。該傳感器與微控制器之間采用I2C通訊。通過讀取相應(yīng)的RAM數(shù)據(jù)，并參考存于EEPROM的校準(zhǔn)常數(shù)來計(jì)算熱圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的溫度值，可提供±1 ℃的典型目標(biāo)物體溫度精度，分辨率達(dá)到0.1 ℃。芯片中的與絕對溫度成比例(PTAT)的溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度。每個(gè)紅外像元和PTAT的輸出數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM中[6]。

MLX90640紅外探測器內(nèi)部硬件電路框圖如圖2所示，其內(nèi)部集成的768個(gè)紅外測溫像元，都包含放大器和ADC，還集成有PTAT傳感器，用于測量芯片溫度，每個(gè)測溫像元將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部的RAM存儲(chǔ)器中，EEPROM中存儲(chǔ)的是探測器出廠時(shí)的校準(zhǔn)參數(shù)，該參數(shù)用來補(bǔ)償不同探測器之間的差異。內(nèi)部集成高速I2C總線接口，方便與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖2 MLX90640內(nèi)部框圖

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過配置控制寄存器中的控制位，將陣列數(shù)據(jù)分為2個(gè)子頁面進(jìn)行讀取，即有2種像素排列模式：交錯(cuò)模式和棋盤模式，分別如圖3和圖4所示。默認(rèn)模式為棋盤模式，作為標(biāo)準(zhǔn)，MLX90640在棋盤模式下進(jìn)行校準(zhǔn)，傳感器在棋盤模式下具有更好的固定模式噪聲。為獲得最佳效果，Melexis公司建議使用棋盤模式。

圖3 交錯(cuò)模式

圖4 棋盤模式

2.1 MLX90640內(nèi)部寄存器

MLX90640芯片內(nèi)部帶有1個(gè)1 024×16 bit的RAM，地址映射如圖5所示，可通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，RAM內(nèi)存儲(chǔ)有768個(gè)字(1個(gè)字為16 bit)溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)，1個(gè)字用于存儲(chǔ)Vbe的值,1個(gè)字用于存儲(chǔ)增益參數(shù),1個(gè)字用于存儲(chǔ)PTAT傳感器的溫度測量值，PTAT傳感器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上為芯片的封裝溫度，該溫度對探測器測溫準(zhǔn)確性有直接的影響，是計(jì)算目標(biāo)物體溫度不可缺少的參數(shù)之一。1個(gè)字用于存儲(chǔ)Vdd的值。RAM中還有2個(gè)字分別存儲(chǔ)0子幀和1子幀的CP傳感器數(shù)據(jù)[7]。

圖5 RAM地址映射

芯片內(nèi)部的EEPROM具有832×16 bit的存儲(chǔ)容量，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為芯片出廠時(shí)固化在其內(nèi)部的用于計(jì)算溫度數(shù)值的校準(zhǔn)參數(shù)以及器件的配置參數(shù)，微控制器只需在芯片上電(POR)后讀取一次并存儲(chǔ)在微控制器的RAM中即可，方便用于溫度數(shù)值計(jì)算。

2.2 MLX90640驅(qū)動(dòng)流程

芯片根據(jù)設(shè)定的刷新頻率和讀取模式掃描768個(gè)紅外傳感器和PTAT傳感器的輸出，并利用存儲(chǔ)在EEPROM中的校準(zhǔn)常數(shù)計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的測溫?cái)?shù)值，其工作流程如圖6所示。芯片上電后，需要延時(shí)80 ms，然后讀取EEPROM內(nèi)部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到RAM中。接著，通過I2C總線讀取每個(gè)像素元的測量溫度，根據(jù)選擇的讀取模式，輪流讀取0子幀和1子幀的數(shù)據(jù)，并清除狀態(tài)寄存器(0x8000)中的第3位，當(dāng)一個(gè)完整的新數(shù)據(jù)集(子頁面)可用時(shí)，該寄存器置1，表示RAM中可用的新數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，由用戶重置該位。最后計(jì)算每個(gè)像素元的實(shí)際溫度，并設(shè)置狀態(tài)寄存器的第5位，開始計(jì)算。

2.3 溫度計(jì)算方法

從IR傳感器中讀取溫度相關(guān)數(shù)據(jù)后，由式(1)計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際溫度。

圖6 MLX90640測量流程

(1)

式中：(i,j)為像素點(diǎn)坐標(biāo)；V(i,j)為單個(gè)像素的溫度梯度補(bǔ)償；αc(i,j)為單個(gè)像素的歸一化靈敏度系數(shù);Ksx為不同溫度范圍的靈敏度斜率；Ta-r可由環(huán)境溫度Ta(TO39的封裝溫度)和反射系數(shù)ε求得，見式(2)。

(2)

式中：Tr為IR信號反射溫度，近似等于Ta-8；Ta為環(huán)境溫度。

V(i,j)可由式(3)求得：

(3)

式中：pixos(i,j)為IR數(shù)據(jù)補(bǔ)償偏移量，由式(4)求得；G為溫度梯度系數(shù)，從EEPROM中讀?。籔根據(jù)讀取模式和像素?cái)?shù)量求得；pixp0和pixp1分別為子頁面0和1的像素補(bǔ)償偏移值。

pixos(i,j)=pixgain(i,j)-pixref·[1+KTa(i,j)·(Ta-Ta0)]·

[1+KV(i,j)·(Vdd-V0)]

(4)

式中：pixgain(i,j)為像素增益補(bǔ)償；pixref為像素偏移量；KTa(i,j)為環(huán)境溫度補(bǔ)償系數(shù)；KV(i,j)為電壓補(bǔ)償系數(shù);KTa(i,j)和KV(i,j)均取決于陣列中的像素位置，即像素行和列是奇數(shù)還是偶數(shù)；Ta0為常數(shù)25；Vdd為電源電壓；V0為常數(shù)3.3。

αc(i,j)可由式(5)求得：

αc(i,j)={α(i,j)-G·[(1-P)·αcp0+P·αcp1]}·
(1+KsTa·(Ta-Ta0))

(5)

式中：α(i,j)為單個(gè)像素的靈敏度；參數(shù)αcp0和αcp1分別為子頁面0和1的補(bǔ)償像素靈敏度；KsTa為環(huán)境溫度的靈敏度斜率。

至此，計(jì)算溫度所需參數(shù)均已求得，代入式(1)即可求出各個(gè)像素點(diǎn)實(shí)際溫度值。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)結(jié)果

本系統(tǒng)使用VC++搭建上位機(jī)軟件，主要功能是通過UART接口讀取微控制器傳來的溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示溫度紅外熱圖像。軟件將采集的溫度數(shù)據(jù)用色階區(qū)分顯示，通過不同顏色梯度表示溫度的高低，溫度越高，顏色越偏向紅色，溫度越低，顏色越偏向藍(lán)色，直觀顯示被測目標(biāo)的紅外輻射溫度場分布。軟件采用高斯模糊算法對圖像進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高圖像分辨率，弱化原始圖中的鋸齒，消除方塊效應(yīng)，成像效果有了明顯的提升[8]。

系統(tǒng)測試過程中，在距離紅外傳感器約20 cm的位置對手掌溫度進(jìn)行采集，圖7中左圖為直接根據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)得到的原始圖，其存在分辨率較低、邊緣模糊等缺點(diǎn)，右圖為進(jìn)行均值濾波算法后得到的圖像，手掌輪廓明顯，成像質(zhì)量更好，增強(qiáng)了圖像的直觀性。

圖7 軟件操作界面

本溫度監(jiān)控系統(tǒng)將計(jì)算得到的溫度數(shù)據(jù)以十進(jìn)制形式存儲(chǔ)在TXT文件中，方便進(jìn)一步的查詢和使用。實(shí)際應(yīng)用中，用戶可根據(jù)具體需要設(shè)置監(jiān)測的溫度范圍，任一像素點(diǎn)溫度超過警戒值將會(huì)報(bào)警并顯示異常像素點(diǎn)坐標(biāo)位置。

4 結(jié)論

本溫度監(jiān)控系統(tǒng)使用具有768像元的高分辨率的紅外溫度傳感器MLX90640，通過非接觸方式進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，解決了傳統(tǒng)的紅外傳感器像素分辨率低、監(jiān)測范圍有限的問題，測溫迅速、方便，成像質(zhì)量好。系統(tǒng)硬件體積小，便于攜帶安裝，軟件界面友好、穩(wěn)定性高，如需進(jìn)行遠(yuǎn)距離的溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可將UART有線連接通信方式改為無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛、靈活[9]。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確率高，形成的紅外熱圖像分辨率高，可滿足目前工程的實(shí)際需要，有較強(qiáng)的工程意義和廣闊的應(yīng)用前景。