使用PIC18单片机开发热像仪

只看该作者 · 2019-1-17 15:12

本帖最后由 oxygenzz 于 2019-1-17 15:18 编辑

转帖自Sensors Magazine网站。**作者Chris Best来自于Microchip 8位单片机应用团队。
https://www.sensorsmag.com/components/how-to-build-eight-bit-thermal-imaging-camera

热像仪, 也被称为红外相机, 利用红外辐射来创建我们可以在可见光光谱中看到的图像。热像仪最初是在朝鲜战争期间为军事应用而开发的。如今, 热像仪被广泛用于商业、工业和个人应用等领域。

通常, 这些摄像机采用最先进的微处理器、16位或32位微控制器 (mcu) 或两者的组合进行设计。本文介绍了一种采用8位MCU的低成本、低分辨率的热像仪的简单实现。

感兴趣的同学，可以访问上面链接；或Microchip官网获取对应的应用笔记：
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/AN2773-8-Bit-Thermal-Camera-00002773A.pdf

8位热像仪由以下三个主要硬件组成：

Panasonic Grid-EYE 红外传感器
Varitronix COG-C144MVGI-08 LCD模组
PIC18F27K42 8位单片机

使用Grid-EYE传感器进行红外检测。 Grid-EYE是一个8 x 8像素（总共64个）红外阵列传感器，采用微电子机械系统（MEMS）热电堆技术设计。热电堆阵列由一系列独立的热电偶组成。每个热电偶由两根不同热材料的细线组成。两根导线在一端连接在一起，称为热接头，另一端连接到散热器。

热接点连接到一个非常薄的普通红外吸收膜，由所有64个热电偶共用。如果两个结之间存在温差，则会产生微小的电动势（EMF）电压，可以测量该电压并将其转换为温度。这种现象称为塞贝克效应。传感器通过I2C总线进行通信，最大工作频率为400 kHz。该传感器还具有板载增益放大器，模数转换器（ADC）和热敏电阻，见下图。

传感器通过在60°视场范围内吸收红外热能开始运行。红外能量通过集成的硅透镜，充当光学滤波器，允许吸收5到13微米（远红外区域）波长的红外能量。一旦IR能量通过透镜，它就被每个热电堆阵列的64个传感元件吸收。每个传感元件将其吸收的IR能量转换为模拟输出信号。

模拟电压通常在低毫伏范围内，这可能太小而不能准确地检测到能量的微小变化。为了纠正这个问题，每个传感元件的模拟输出都通过增益放大器，有效地提高了每个元件的分辨率。一旦每个信号被放大，它就会通过ADC，在那里根据板载热敏电阻的温度值进行参考，并转换成12位（11位+ 1符号位）数字等效值。 64个像素中的每一个都有自己独特的温度寄存器，它保持转换后的数字温度等效值。这些温度寄存器可由微控制器通过I2C总线读取。

LCD模块采用彩色超扭曲向列（CSTN）LCD技术，采用无源矩阵寻址。在CSTN LCD中，行和列信号用于直接寻址像素，并且像素必须保持其ON / OFF状态而不使用开关或电容器。每个视觉像素被分成三个物理子像素，并且每个子像素使用红色，蓝色或绿色滤波器来显示颜色。显示器使用白色LED背光，其光通过每个子像素。

每个子像素输出的强度由显示器的LCD驱动器控制，可创建多达6.5万种独特颜色。采用三星S6B3306 LCD驱动芯片，集成在显示模块中。驱动器简化了微控制器和显示器之间的接口，这意味着需要更少的连接。

LCD配置为65k色模式。在65k色彩模式下，16位字被分为标准RGB565色彩格式。 RGB565格式是一种16位色彩方案，其中位<15:11>（5位）定义红色强度，位<10：5>（6位）定义绿色强度，位<4：0>（ 5位）定义蓝色强度（见下图）。 RGB565格式为绿色提供了额外的位，因为人类视觉对可见光光谱的绿色波长更敏感。

PIC18F27K42单片机用于读取传感器的温度数据，执行图像处理，并将颜色数据传输到LCD。本相机使用了以下片上外设：

定时器1 （Timer1）
直接内存访问（DMA）
I2C
SPI

Timer1是一个16位递增计数器，在热像仪应用程序中实现，产生15秒的延迟。首次打开相机电源并配置Grid-EYE传感器使用时，需要15秒的延迟才能稳定下来。 Timer1可用于执行相同的任务，而不是使用在延迟周期内暂停程序执行的“延迟”功能。由于Timer1在后台运行，代码执行仍在继续，允许内核专注于其他任务，而不是暂停代码执行15秒的“延迟”功能。

直接存储器访问（DMA）模块允许PIC单片机的存储区之间进行数据传输，无需任何CPU干预。 DMA消除了CPU处理用于跟踪数据传输的中断的需要，允许CPU在传输过程中执行其他任务。在Grid-EYE传感器所需的15秒稳定延迟期间，相机使用DMA将存储在程序存储器中的图像文件传输到LCD。

I2C模块在微控制器和其他I2C兼容设备之间提供同步串行接口。 I2C模块用于配置和读取Grid-EYE传感器的温度数据，并以100 kHz的总线速度运行。读取传感器的像素数据需要块读取像素寄存器。每个像素包含分成两个单独字节的12位温度值，并且由于总共有64个像素，因此I2C执行128字节的块读取。

幸运的是，像素数据区域是顺序配置的，这意味着I2C可以发送单个从地址，然后是单个寄存器地址，但在单个事务中将接收所有128个字节。在读取每个像素寄存器之后，传感器自动指向下一个寄存器，因此每次读取像素寄存器时都不需要启动新的通信包。

PIC18F27K42的SPI模块用于配置和向LCD写入颜色信息。该模块配置为仅发送模式，SCK速度为8 MHz。仅发送配置允许从主设备到从设备的单向传输，而无需主设备读取其SDI输入。每个图像帧由17,434个16位字组成，这意味着每个帧将要求SPI为每帧发送34,868个8位字节。

可以看出，每次SPI写入一个字节的数据时，即使保存一个指令周期也会达到34,868个保存指令，这意味着SPI可以更快地写入其数据。这有助于防止帧与帧之间的图像滞后。

一旦PIC单片机从传感器读取了温度数据，它就必须执行图像处理以创建传输到LCD的图像。图像处理软件使用传感器数据基于传感器中包含的64个像素来创建图像。如果我们在1.44英寸LCD上观察这个64像素阵列，那么图像太小而无法看到。要正确查看图像，必须进行扩展。

线性插值是在线上的两个已知值之间找到未知值的过程。换句话说，线性插值使用我们必须填写的信息来扩展图像所需的缺失信息。对于此相机，使用双线性插值方法。

在这种情况下，软件获取四个相邻像素的值，将缩放因子应用于四个像素中的每一个，并取四个缩放像素的平均值并将该值应用于新创建的像素。缩放因子取决于新创建的像素与原始像素的距离;新像素越远，比例因子越小（见下图）。线性插值基于已知值近似未知值，但不能确保计算值准确。换句话说，两个像素之间的未知区域可能包含对象的边缘，而不是创建对象的“硬”边界，插值可能导致边界定义较少。