arm和fpga的紅外成像系統(tǒng)及測溫算法實現(xiàn)最終

1、分類號密級重慶郵電大學(xué)基于ARM 和 FPGA 的紅外成像系統(tǒng)題目及測溫算法實現(xiàn)The implemenion of the ARM and FPGA英文題目based infrared imaging system andtemperature measurement algorithm吳 偉教授指導(dǎo)教師學(xué)科專業(yè)通信與信息系統(tǒng)提交日期答辯日期評閱人答辯年月日獨(dú) 創(chuàng) 性本人所呈交的是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，中不包含其他人已經(jīng)或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 重慶郵電大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或而使用過的材料。與我一同工作的

2、對本做的任何貢已在中作了明確的說明并表示謝意。作者簽名：簽字日期：年月日使用書本作者完全了解重慶郵電大學(xué)有關(guān)保留、使用的規(guī)定，保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交的復(fù)印件和磁盤，允許被查閱和借閱。本人重慶郵電大學(xué)可以將的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等保存、匯編學(xué)位論文。（的在后適用本書）作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月摘要近年來，隨著黨和國家對科技創(chuàng)新的支持力度不斷加大，電力系統(tǒng)科技程度不斷深化，智能堅強(qiáng)電網(wǎng)成為電網(wǎng)的目標(biāo)。由于國民經(jīng)濟(jì)高速增長，人們對物質(zhì)、精神文化生活追求不斷提高，對電力的依賴程度越來越大高，導(dǎo)致社會用電總量急劇增加，電力設(shè)備經(jīng)常

3、以超負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行工作。通過對當(dāng)前變電站事故的分析發(fā)現(xiàn)，電力設(shè)備溫度過高是導(dǎo)致事故的主要原因，解決實時獲取電力設(shè)備關(guān)鍵點溫度是構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵，本文對該問題展開論述，提出一種實時反映電力設(shè)備溫度狀態(tài)的測溫方案。本文設(shè)計目的是獲取變電站內(nèi)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況，主要方式是通過紅外探測器獲取設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點溫度信息，工作環(huán)境為變電站設(shè)備周圍。首先對課題的研究背景和當(dāng)前智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，分析電力的必要性和重要性。通過對現(xiàn)有測溫方案分析對比，選取適合本項目的基于紅外成像技術(shù)的測溫方案。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，提出基于 ARM+FPGA 的紅外成像終端系統(tǒng)組建方案。然后對紅外成像系統(tǒng)框架進(jìn)行介紹，重點對

4、系統(tǒng)終端的整體設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。根據(jù)系統(tǒng)需求對硬件的進(jìn)行選型、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸格式選型等進(jìn)行介紹。接口模塊和終端硬件部分主要由FPGA 模塊、ARM 模塊、ARM 與FPGA輔助模塊；終端系統(tǒng)設(shè)計包括驅(qū)動程序和應(yīng)用程序設(shè)計，系統(tǒng)主要完成紅外圖像、處理、上傳等功能，最終實現(xiàn)電力設(shè)備節(jié)點的測溫功能。最后通過實驗對硬件系統(tǒng)進(jìn)行電源模塊、時鐘模塊和基本功能模塊測試，在搭建好的測試上進(jìn)行系統(tǒng)各部分功能測試。實驗結(jié)果表明：本文組建的基于 ARM 和FPGA 的紅外系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且基本實現(xiàn)對電力設(shè)備節(jié)點的測溫功能，但測溫精度還有待提高。關(guān)鍵字：電力設(shè)備、紅外技術(shù)、ARM、FPGAAbstractIn rec

5、ent years, with the strengthening of the emphasis on scientifictechnological innovation from the party and the country, the reform degree of theand erersystem technology deepens, smart stronger grides theof thegrid reform. As the raimprovement of the national economy and peoples pursuit ofmaterial a

6、nd spiritual culture life, the level of dependence on electricity is higher,leading to a sharp increasehe total amount of sol electricer consumption, theelectrical equipment often work in the overloaded se. Through theysis of thecurrent subsion accident, the extreme high temperature of the electrica

7、l equipment isthe leading cause of accidents. Solving the real-time acs to the temperature of keypos of theer equipment is key to build a smart grid. Therefore,his thesis, thisproblem was discussed. And a real-time temperature measurement scheme reflecting thetemperature se of theThe design purer eq

8、uipment was proof this thesis is to obtaed.ehe operating condition of theanner is obtaining the equipmentsequipmenthe monitoring subsion; the makey nodes temperature information through infrared detector; the working environment is around the subsion equipment.ly,his thesis, the research background

9、and current development sus ofsmart grid technology were elaborated, and the nesity and importance ofermonitoring wereyzed. Through theysis and comparison of theexisting schemeysis oftemperature measurement schemes, the suitable temperature measurementbased on the infrared imaging technology was sel

10、ected. According to thesystem requirements, the ARM+FPGA based infrared imaging terminal system projectwas proed.Next, the infrared imaging monitoring system framework wasroduced, focusingon the expounding of overall design of the monitoring terminal. According to thesystem demandysis, itroduthe sel

11、ection of chip hardware, software system,and daransmisformat. The monitoring terminal hardware system mainly consistsof FPGA module,ARM module, ARM and FPGAerface module, and peripheralauxiliary module. The design of monitoring terminal software system includes driversand applications, implementing

12、the acquisition, prosing, and uploading and otherfeatures of the infrared images, and ultimay the temperature measurement function.Finally, through laboratory platform, theer module, clock module and basicfunction modules of the hardware system were tested. Each part of the system softwarewas tested

13、 based on the software testing platform. The experimental results showed the ARM and FPGA based infrared monitoring system established in this thesis stably, and basically realized the temperature measurement function of theequipment nodes, but the temperature measurement accuracy is to be improved.

14、t:ran erKeywords: electrical equipment monitoring, infrared technology, ARM, FPGA目錄摘要IAbstractIII IX XIII插圖附表縮略語XV緒論1第一章1.11.21.31.4電力2.12.22.32.4課題研究背景1課題研究現(xiàn)狀1本文主要研究內(nèi)容3結(jié)構(gòu)安排4系統(tǒng)中方案分析5電力的必要性分析5電力設(shè)備主要故障分析6電力系統(tǒng)介紹7現(xiàn)有電力設(shè)備溫度監(jiān)測方案對比8第二章2.4.12.4.22.4.32.4.42.4.5基于熱電阻技術(shù)的測溫方案9基于光纖測溫技術(shù)的測溫方案9基于聲表面波技術(shù)的測溫方案10基于紅外成像

15、技術(shù)的測溫方案11四種測溫方案比較122.5本章小結(jié)13紅外成像測溫系統(tǒng)總體設(shè)計15第三章3.13.23.3紅外成像測溫系統(tǒng)功能需求分析15紅外成像測溫系統(tǒng)架構(gòu)17紅外成像終端系統(tǒng)方案對比18SOPC 系統(tǒng)方案18DSP+FPGA 系統(tǒng)方案19ARM+FPGA 系統(tǒng)方案19系統(tǒng)方案對比20紅外成像測溫終端總體設(shè)計21紅外成像測溫系統(tǒng)終端硬件設(shè)計213.43.53.5.1 硬件方案設(shè)計213.5.2選型及簡介223.6 紅外成像測溫系統(tǒng)設(shè)計253.6.13.6.23.6.3系統(tǒng)框架25操作系統(tǒng)選型26數(shù)據(jù)傳輸方式與協(xié)議選型273.6 本章小結(jié)29紅外成像測溫系統(tǒng)終端硬件設(shè)計314.1 FPGA

16、系統(tǒng)硬件設(shè)計31第四章4.1.1面陣列設(shè)計314.1.2 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)計33ARM 系統(tǒng)硬件設(shè)計35S3C2440A 基本電路設(shè)計35以太網(wǎng)信號處理電路設(shè)計38溫濕度傳感器電路設(shè)計39ARM 與FPGA 硬件接口設(shè)計40電源設(shè)計41PCB 設(shè)計42本章小結(jié)44設(shè)計45的搭建45第五章紅外成像測溫系統(tǒng)5.1開發(fā)建立交叉編譯環(huán)境45定制Bootloader45Linux 內(nèi)核定制47根文件系統(tǒng)47驅(qū)動程序設(shè)計48數(shù)據(jù)接口驅(qū)動程序設(shè)計49傳感器驅(qū)動程序設(shè)計55應(yīng)用程序設(shè)計56紅外測溫實現(xiàn)585.25.35.45.4.15.4.25.4.3盲元補(bǔ)償58非均勻性校正60溫度測量625.5本章小結(jié)64第

17、六章 紅外成像測溫系統(tǒng)性能測試與分析656.1硬件功能驗證656.1.1 電源及時測試656.1.2 UFPA 模塊測試666.1.3硬件基本功能驗證67功能驗證70驗證70測溫實現(xiàn)驗證716.26.2.16.2.26.36.4系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測溫測試73本章小結(jié)74第七章 總結(jié)與展望75全文總結(jié)75對未來工作的展望75致謝77參考文獻(xiàn)79附錄A 作者在期間的成果83附錄B PCB 電路圖85插圖第二章圖 2. 1圖 2. 2圖 2. 3圖 2. 4圖 2. 5圖 2. 6第三章圖 3. 1電力設(shè)備故障隱患的接頭和觸頭處6一種智能電網(wǎng)系統(tǒng)方案拓?fù)鋱D8熱電阻測溫系統(tǒng)框圖9分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖1

18、0聲表面波測溫技術(shù)組成框圖11紅外測溫系統(tǒng)組成框圖12測溫系統(tǒng)總體架構(gòu)17圖 3. 2 SOPC 系統(tǒng)方案18圖 3. 3 DSP+FPGA 系統(tǒng)方案19圖 3. 4 ARM+FPGA 系統(tǒng)方案20圖 3. 5終端總體設(shè)計21圖 3. 6 紅外成像處理系統(tǒng)硬件22圖 3. 7 IS61LV51216結(jié)構(gòu)原理圖24圖 3. 8第四章系統(tǒng)框架26圖 4. 1 FPGA 模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖31圖 4. 2 探測器原理框圖32圖 4. 3 UFPA 與FPGA 的連接圖32圖 4. 4 UFPA 驅(qū)動時序波形圖33圖 4. 5 串行控制接口時序圖33圖 4. 6 VSP2562 與FPGA 連接圖34圖

19、 4. 7 ARM 系統(tǒng)框圖35圖 4. 8 S3C2440A 與SDRAM 接口電路設(shè)計圖36圖 4. 9 系統(tǒng)時鐘電路圖37圖 4. 10 ARM 系統(tǒng)復(fù)位電路圖37圖 4. 11 UART 電路設(shè)計圖38圖 4. 12 以太網(wǎng)與主控連接電路39圖 4. 13 傳感器電路連接圖39圖 4. 14 ARM 與FPGA 接口設(shè)計圖40圖 4. 15 3.3V 電源電路圖42圖 4. 16 1.25V 電源電路圖42圖 4. 17 PCB 板層結(jié)構(gòu)圖42圖 4. 18 PCB 板布局圖43圖 4. 19 SDRAM 蛇形走線圖43圖 4. 20 紅外第五章系統(tǒng)成品44圖 5. 1 根文件系統(tǒng)目錄

20、結(jié)構(gòu)圖48圖 5. 2 ARM 控制SRAM 工作流程49圖 5. 3 S3C2440A空間地址分配53圖 5. 4 SRAM 控制時序圖53圖 5. 5 傳感器控制時序圖56圖 5. 6 應(yīng)用程序流程56圖 5. 7 UDP 通信的程序設(shè)計流程圖57圖 5. 8圖 5. 9圖 5. 10圖 5. 11圖 5. 12圖 5. 13圖 5. 14圖 5. 15圖 5. 16第六章圖 6. 1圖 6. 2圖 6. 3圖 6. 4紅外信號處理流程58盲元響應(yīng)特性曲線59盲元檢測實現(xiàn)流程圖59盲元補(bǔ)償實現(xiàn)60多點校的響應(yīng)曲線61非均勻性校正表的建立62非均勻性校正的實現(xiàn)流程圖62溫度測量實驗流程圖63

21、測溫實現(xiàn)過程64硬件電路測試板65時測量結(jié)果66主時鐘、積分信號和復(fù)位信號仿真圖67紅外面陣列初始化仿真圖67圖 6. 5 JTAG 測試連接圖67圖 6. 6 目標(biāo)板與PC 連接成功68圖 6. 7 Flash 出錯界面68圖 6. 8 Flash 測試界面69圖 6. 9 SDRAM 讀寫操作69圖 6. 10 以太網(wǎng)模塊錯誤界面70圖 6. 11移植與測試示意圖70圖 6. 12 ARM 模塊啟動打印信息71圖 6. 13圖 6. 14圖 6. 15盲元補(bǔ)償結(jié)果對比圖72非均勻校正結(jié)果對比圖73系統(tǒng)聯(lián)調(diào)圖73附表第二章表 2. 1第三章表 3. 1表 3. 2表 3. 3三種電力測溫方案

22、的對比12系統(tǒng)整體功能需求分析15系統(tǒng)部分性能指標(biāo)16紅外成像終端系統(tǒng)方案性能對比20表 3. 4 ProASIC3 系列特性23表 3. 5表 3. 6表 3. 7第四章操作系統(tǒng)比較27數(shù)據(jù)傳輸方式對比27網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議對比28表 4. 1 VSP2562 各個引腳功能34表 4. 2 JTAG 引腳說明38表 4. 3 器件功耗表41第六章表 6. 1 電源模塊測量結(jié)果66表 6. 2 Flash地址分配表71表 6. 3 不同方法獲取溫度信息74縮略語縮寫 PLC FPGA PCBA/D英文全稱Programmable Logic Controller Field Programmable

23、 Gate Array中文全稱可編程邏輯控制器現(xiàn)場可編程門陣列印刷電路板模數(shù)轉(zhuǎn)換Pred Circuit boardDigital toog Converter，A/D同步動態(tài)隨機(jī)器用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議光時域反射計圖形陣列SDRAMSynchronous Dynamic Random Acs MemoryUDP OTDR VGA UFPA TEC PC DMAPLLUser DatagrOptical TimerotocolReflectometerGraphics Array Uncooled Focal Plane Arrays ThermoElectric Cooleral Computer非

24、制冷面陣列熱電冷卻器個人計算機(jī)直接 器鎖相環(huán)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件高級加密標(biāo)準(zhǔn)精簡指令集Direct Memory AcPhase Locking LoopsCMOSComplementary Metal Oxide SemiconductorAES RISCSRAMMCUAdvanced Encryption StandardReduced Instruction Set ComputerSic RAM靜態(tài)隨機(jī)微控制器器Micro Controller Unit通用異步收發(fā)傳輸器GNU 編譯器集合主時鐘積分信號方型扁平式封裝 通用異步收發(fā)傳輸器聯(lián)合測試工作組主時鐘次數(shù)電荷耦合元件球柵陣列U

25、ARTUniversal Asynchronous Reciver Trans-mitterGCCMCGNU Compiler Collection Master Clockegration PhasePlastic Quad Flat PackageQFPUARTUniversal Asynchronous Reciver Trans-mitterJTAG TMC CCDBGAJoTest Action GroupTime Master Clock Charge-coupled DeviceBall Grid ArrayCRCFIFOCyclic Redundancy Check循環(huán)冗余碼校

26、驗先入先出隊列速集成電路硬件描述語言InputOutputVery-High-Speedegrated CircuirdwareVHDLDescription Language第一章緒論1.1 課題研究背景科技迅猛發(fā)展的今天，許多行業(yè)都力、創(chuàng)造力是黨和國家的重要部署之著科技的，進(jìn)一步解放和發(fā)展生產(chǎn)三中全會對全面深化作出部署，這也影響著國家能源部門和電力行業(yè)的創(chuàng)新。電力行業(yè)深入貫徹黨的三中全會精神，把握時代特性以創(chuàng)新作為主要航標(biāo)，推動我國能源安全發(fā)展、清潔發(fā)展、環(huán)保發(fā)展、友好發(fā)展。電力部門在新一輪科技創(chuàng)新中把握電力行業(yè)關(guān)鍵點，只有在大浪潮中把握機(jī)遇、搶占先機(jī)，才能贏得最終的勝利，才能推動能源電力

27、工業(yè)健康可持續(xù)科學(xué)發(fā)展，為全面建成小康社會，實現(xiàn)民族的偉大復(fù)興1。隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，黨和國家對電力民生工程的重視，電力系統(tǒng)智能化水平不斷提高。隨著家用電器的增多，高耗能企業(yè)的增加，社會整體用電急劇上升，人們對電的重視不斷，對電的依賴也越來越大，這也給電力部門帶來極大五”國家，只有不斷提高電網(wǎng)規(guī)模等級、智能化水平才能適應(yīng)社會需求?！笆孕屡d產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要中為智能電網(wǎng)的發(fā)展做出重要規(guī)劃和部署1。電力部門將從建設(shè)特高壓傳輸線路、提高能源轉(zhuǎn)化效率、開發(fā)新型能源等降低損耗，提高能源利用率。變電站在傳輸過程中起到中轉(zhuǎn)作用，其重要性顯而易見，必須提高傳輸線路的安全

28、可靠。并且社會用電的增加導(dǎo)致變電站超負(fù)荷運(yùn)行，這將對變電站內(nèi)各種電氣設(shè)備極大傷亡、，稍有不慎就會因為電力設(shè)備的溫度上升火災(zāi)，容易造成損失和環(huán)境污染，導(dǎo)致供電地區(qū)的大面積停電，引起一系列重、特大事故的發(fā)生。而且變電站內(nèi)電力設(shè)備被偷盜的現(xiàn)象時常發(fā)生，不僅造成國家損失，也對電力設(shè)備的安全運(yùn)行，所以電力部門對變電站的問題變得越來越重要。急需一種性價比高、能實時防范事故發(fā)生的管理系統(tǒng)，協(xié)助變電站管理使電力事故降低到最小。1.2 課題研究現(xiàn)狀我國對電力技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，但伴隨人們?nèi)粘Ｉ顚﹄娏σ蕾囋絹碓酱?，電力設(shè)備的安全運(yùn)行受到工作得到迅速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，從事電力和電力部門的高度重視，電網(wǎng)改造

29、設(shè)備生產(chǎn)和研發(fā)的己有 100受理的關(guān)于自動抄表系統(tǒng)的專利己有近 200 項。余家，國家知識我國電力于 20 世紀(jì) 50 年代，那時主要采用模擬技術(shù)方式，對設(shè)備的監(jiān)測和控制是相互獨(dú)立分開的，監(jiān)測系統(tǒng)中電子元器件主要采用電子管、繼電器、步進(jìn)式選線器等，工作速度低，容積率小，成本高，可靠性差。20 世紀(jì) 60 年代，采用無觸點式的數(shù)字綜合運(yùn)動裝置，器件以半導(dǎo)體元器件為主，采用數(shù)字式技術(shù)將遙測、遙信、得到很大提高，但裝置由布線邏輯方式、遙調(diào)綜合于一體，工作性能相比以前，電路難修改，功能和容量受到極大限制。70 年代，在之前設(shè)備基礎(chǔ)之上發(fā)展研制可編程裝置。80 年代末，計算機(jī)的發(fā)展為技術(shù)提供強(qiáng)有力的保證

30、，1987 年，機(jī)電工程系研制的我國第一個綜合自動化變電站系統(tǒng)在山東威海望島變電站成功運(yùn)行2。進(jìn)入科技迅猛發(fā)展的 21 世紀(jì)，計算機(jī)技術(shù)的普及、通信技術(shù)的多樣性、嵌入式技術(shù)的深入開發(fā)和人工智能化技術(shù)的發(fā)展，智能電力一些廠家生產(chǎn)的設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。如國電系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展，的 NS2000系統(tǒng)，該系統(tǒng)匯集了國電、保護(hù)、四方保護(hù)、上繼 ARAVA 等廠家的測控與保護(hù)裝置，通過工業(yè)交換機(jī)實現(xiàn)全站所有保護(hù)裝置實現(xiàn)以太網(wǎng)接入和綜合自動化控制，已成功運(yùn)用在特高壓晉東南變電站 500KV 線路段?；莅蚕到y(tǒng)控制有限公司生產(chǎn)的易于控制性、通m 2000 系列產(chǎn)品，具有完全基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制智能化、口多樣性等優(yōu)點3

31、。國外變電站智能化研究比中國早 10 年左右，1975 年關(guān)西電子公司和三菱電氣研制的變電站數(shù)字控制系統(tǒng)S-1。1985 年西門子公司投運(yùn)第一套分散式變電站自動化系統(tǒng)LSA768，該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)控四遙功能，能實現(xiàn)對過流負(fù)荷保護(hù)、距離保護(hù)、變壓器差動保護(hù)、主動和發(fā)保護(hù)等。ABB 公司生產(chǎn)的自動化變電站系統(tǒng)適用于低壓和高壓兩種模式，分為段級和站級，段級完成對設(shè)備的保護(hù)、控制、監(jiān)視等功能，實現(xiàn)人機(jī)交互，管理計算機(jī)和與遠(yuǎn)端計算機(jī)通信4。德國AEG 公司的 ILS 自動化變電站（Programmable Logic Controll系統(tǒng)，控制部分采用先進(jìn)的可編程邏輯控LC）制器，站級主機(jī)采用MUUBUS-

32、n 技術(shù)。GE 公司的變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化控制與傳輸，數(shù)字式保護(hù)和線路控制水平都走在世界前端。目前變電站使用的電力系統(tǒng)還存在許多，比如不同廠家接入網(wǎng)數(shù)據(jù)接口未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，兼容性不好，設(shè)備工作性質(zhì)單一，安裝需要大量的人力和物力，數(shù)據(jù)不比如大霧天氣、有效匯總，不能對現(xiàn)場進(jìn)行實時，在特殊環(huán)境下天氣、大風(fēng)干擾天氣、漆黑的夜晚無法全面了解變電站的實際情況，制約著智能電網(wǎng)的發(fā)展。新型智能電力系統(tǒng)解決方案要求數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，解決不力設(shè)備廠商之間接口的一致性；智能電網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)每個變電站到中心的網(wǎng)絡(luò)連接；控制；完成實時視實現(xiàn)中心系統(tǒng)對變電站自動化系統(tǒng)聯(lián)動，對設(shè)備進(jìn)行頻功能；實現(xiàn)對系統(tǒng)云臺的控制、現(xiàn)場環(huán)

33、境參數(shù)、機(jī)房空調(diào)和風(fēng)機(jī)的控制、門禁安保和消防系統(tǒng)的控制等功能。電力數(shù)據(jù)多樣性方向綜合發(fā)展。向智能化、1.3 本文主要研究內(nèi)容本課題提出一種基于 ARM 和FPGA 的紅外熱成像測溫系統(tǒng)。方案硬件設(shè)備由基于非制冷紅外熱像儀和可見光圖像處理、紅外測溫及自動機(jī)等；系統(tǒng)包括紅外成像實現(xiàn)、。將系統(tǒng)設(shè)備安裝在等與之相關(guān)的電力設(shè)備的關(guān)鍵節(jié)點處，通過紅外測溫儀對設(shè)備溫度進(jìn)行監(jiān)測，實時反應(yīng)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行情況，如出現(xiàn)安全隱患及時將該情況通報給技術(shù)。系統(tǒng)通過對前方云臺系統(tǒng)的控制改變監(jiān)測點，能獲取更大的變電站內(nèi)外情況，防止人為對電力設(shè)備的破壞。范圍，結(jié)合可見光獲取本系統(tǒng)的設(shè)計涉及很多技術(shù)，包括技術(shù)、圖像處理技術(shù)、技術(shù)

34、、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議技術(shù)等。為提高項目整體研發(fā)效率，在系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮系統(tǒng)所具備的基礎(chǔ)功能、覆蓋性、實時性、設(shè)計成本性等，通過四個階段進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計：方案論證、方案設(shè)計、方案實現(xiàn)、系統(tǒng)測試。方案論證階段通過查閱與本課題相關(guān)的資料驗證方案的可行性；方案設(shè)計中提出需求分析，對各個功能模塊進(jìn)行設(shè)計；方案實現(xiàn)中將各個模塊根據(jù)設(shè)計進(jìn)行具體實現(xiàn)；系統(tǒng)測試中先對各個模塊進(jìn)行單獨(dú)測試，再將各個模塊連接組合進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。為系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，在設(shè)計時哪個階段如出現(xiàn)問題需對前一階段的設(shè)計進(jìn)行述，本方案主要研究內(nèi)容包括以下幾個步驟：修改。綜上所 首先針對目前變電站系統(tǒng)中對電力設(shè)備存在的弊端進(jìn)行調(diào)研，得知問題的根源，確定本課

35、題研究的意義；然后對構(gòu)建系統(tǒng)時用到的常見技術(shù)方案進(jìn)行對比；最后確定系統(tǒng)需求分析。 根據(jù)系統(tǒng)需求分析，按功能實現(xiàn)進(jìn)行分模塊設(shè)計，確定具體實施的方案，完成各個模塊之間的傳輸協(xié)議選型，確立最終系統(tǒng)方案設(shè)計。 按照功能模塊設(shè)計圖，完成硬原理圖設(shè)計和印刷電路板制作（PrBoard，PCB）。ed Circuit技術(shù)、圖像處理技術(shù)和 Linux 驅(qū)動開發(fā)程 深入學(xué)習(xí)紅外成像技術(shù)、序相關(guān)知識，完成 ARM 最小系統(tǒng)、可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）最小系統(tǒng)的組建，以及電力系統(tǒng)中驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)設(shè)計。 完成各個模塊的單獨(dú)調(diào)試，驗證準(zhǔn)確無誤后再將各個模

36、塊進(jìn)行組建進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。1.4結(jié)構(gòu)安排本文針對目前電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的一些突出問題進(jìn)行分析，提出整個系統(tǒng)的設(shè)計方案，重點對進(jìn)行介紹，提出一種基于紅外熱成像技術(shù)的電力設(shè)備測的章節(jié)安排如下：溫系統(tǒng)。本第一章：緒論：首先通過課題研究背景介紹，突出本文研究意義；然后從國內(nèi)外電力技術(shù)的發(fā)展對比，我國電力技術(shù)處于蓬勃發(fā)展的階段，相關(guān)技術(shù)有待完善；最后對本文研究的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹，對行安排。的結(jié)構(gòu)和各個章節(jié)進(jìn)第二章：電力系統(tǒng)中方案分析：首先通過電力事故實例突出智能電網(wǎng)系統(tǒng)的必要性和重要性，對電力系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計；然后對誘發(fā)事故的原因進(jìn)行分析，電力設(shè)備關(guān)鍵點溫度過高為導(dǎo)致事故主導(dǎo)原因；最后針對于本文重點介紹的電力

37、設(shè)備溫度系統(tǒng)進(jìn)行方案論證，選取適合于項目的紅外成像系統(tǒng)。第三章：紅外成像測溫系統(tǒng)總體設(shè)計：首先根據(jù)紅外成像需求分析，設(shè)計系統(tǒng)整體框架；然后在 4 個常用的終端系統(tǒng)方案中選取基于 ARM+FPGA 的設(shè)計方案；最后針對該終端系統(tǒng)的硬件和進(jìn)行總體設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)需求對主控、操作系統(tǒng)、傳輸方式、傳輸協(xié)議進(jìn)行選取。第四章：紅外成像測溫系統(tǒng)終端硬件設(shè)計：主要對組建系統(tǒng)的三大硬件模塊進(jìn)行分析設(shè)計。對 FPGA 系統(tǒng)中的面陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換（Digital toogConverter，A/D）電路進(jìn)行介紹；對 ARM 最小系統(tǒng)中 Flash 電路、同步動態(tài)隨機(jī)器（Synchronous Dynamic Rando

38、m Acs Memory，SDRAM）電路、電路進(jìn)行介紹；對FPGA 和ARM 兩個模塊的連接部分進(jìn)行分析設(shè)計。第五章：紅外成像測溫系統(tǒng)設(shè)計：主要從驅(qū)動層和應(yīng)用層進(jìn)行分別設(shè)計。驅(qū)動層主要對的搭建、驅(qū)動程序的開發(fā)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計；應(yīng)用層主要介紹基于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）的 Socket 編程和測溫算法的具體實現(xiàn)步驟進(jìn)行介紹。第六章：紅外成像測溫系統(tǒng)性能測試與分析：主要完成對紅外系統(tǒng)的測試，首先分別對硬件系統(tǒng)和系統(tǒng)測試進(jìn)行搭建；然后對系統(tǒng)中的各項性能參數(shù)進(jìn)試；最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。第七章：總結(jié)與展望：對全文所做工作進(jìn)行總結(jié)并對后續(xù)工作進(jìn)行展望。第二章 電力系

39、統(tǒng)中方案分析2.1 電力的必要性分析智能電力系統(tǒng)是創(chuàng)新大背景下科技時代的產(chǎn)物，隨著國家對能源部門的重視，電力系統(tǒng)管理體制在不斷創(chuàng)新，變電站科技化水平在不斷，智能自動化控制技術(shù)已普遍使用，很多變電站都變?yōu)闊o人看守。為了確保變電站高效、穩(wěn)定的工作，變電站系統(tǒng)的搭建顯得尤為重要。近年電網(wǎng)事故頻頻發(fā)生，尤其是變電站事故，對人們的生活帶來極大困擾，并造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外都發(fā)生過類似的事故，2012 年 3 月 12 日晚，波一所變電站由于設(shè)備故障引起火災(zāi)，導(dǎo)致當(dāng)?shù)叵萑胍黄?，停電地區(qū)的飯店、酒吧及部分民居都停業(yè)，地鐵列車經(jīng)過停電區(qū)過站不停，高架路的出口匝道全部封閉。此外，部分交通信號燈失靈，使得當(dāng)?shù)?/p>

40、交通陷入一團(tuán)，初步估計，大約有2 萬戶斷電。2012 年 12 月 7 日，大阪市中心多幢建筑發(fā)生臨時停電，其中包括大阪大樓、大阪證劵交易所在大樓等，經(jīng)停電原因是關(guān)西電力公司一變電站配電盤由于老化被燒損。2013 年 5 月 21 日晚，南部發(fā)生大規(guī)模停電，該地區(qū)的、也拉、普吉島等 14 府停電長達(dá) 45 分鐘左右，停電原因是中部地區(qū)的 500 千伏電纜傳輸系統(tǒng)因設(shè)備溫度過高斷開所致，這是該國有最大一次停電事故7。近年國內(nèi)電力事故也時常發(fā)生，2013 年 2 月 15 日，以來的220 千伏變電站因母聯(lián)C 相故障，導(dǎo)致 220 千伏變電站及 110 千伏石灣站失壓，損失負(fù)荷 4.92 萬千瓦，

41、占市總負(fù)荷的 8.89%，影響用戶 8.67 萬戶，占全市用戶的 10.67%。2013 年 6 月 5 日，市中心突然發(fā)生大面積停電事故，導(dǎo)致地鐵 2 號線受影響停運(yùn)、交通紅綠燈失效、電梯停運(yùn)等事故，停電從 8 點 10 分開始，持續(xù)大約一個，停電期間，消防部門接警 50 多起。2013 年 7 月 10 日，浙能燃機(jī)發(fā)電廠 8 號機(jī)組燃機(jī)超溫，導(dǎo)致局部設(shè)備部分寧波鎮(zhèn)海聯(lián)合發(fā)電動、靜葉片損壞，初步估計設(shè)備經(jīng)濟(jì)損失約 500 萬元6。這些事故給人們的日常生活帶來極大困惱，也造成經(jīng)濟(jì)損失。但是部分電力事故是可以避免的，只要及時發(fā)現(xiàn)事故的發(fā)源點，控制事態(tài)的蔓延，即可避免重大事故的發(fā)生。但是傳統(tǒng)的安

42、全檢測方法不僅存在很多率低下，不能將設(shè)備關(guān)鍵點的工作情況實時反映給檢測，而且工作效率和準(zhǔn)確，人為經(jīng)驗論經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，造成經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時損害整個電力系統(tǒng)，甚至對人身安全產(chǎn)生危害。如果采取有效的檢測方法，萌芽期將危害源點及時控制，可使設(shè)備的準(zhǔn)確獲取設(shè)備工作情況，在事故的更加方便，費(fèi)用減少 25%50%，事故的發(fā)生機(jī)率減少 85%，具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益8。2.2 電力設(shè)備主要故障分析構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)是電力設(shè)備的可靠性運(yùn)行，據(jù)電力相關(guān)部門統(tǒng)計表明，電力設(shè)備事故易發(fā)點也是本文監(jiān)測的重點一般在各個設(shè)備的觸頭和接頭9。如圖 2.1所示的位置。圖 2. 1 電力設(shè)備故障隱患的接頭和觸頭處電力設(shè)備

43、事故易發(fā)點主要發(fā)生在三個地方：開關(guān)柜動觸頭、電纜接頭、變壓器接頭10。 開關(guān)柜動觸頭故障開關(guān)柜是電力傳輸系統(tǒng)中重要設(shè)備，在電力系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和電能轉(zhuǎn)換的過程中，進(jìn)行開合、控制和保護(hù)用電設(shè)備。開關(guān)柜內(nèi)的主要由斷路器、開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)、互感器以及各種保護(hù)裝置等組成。由于開關(guān)長時間靠壓力接觸，會出現(xiàn)彈簧壓力，滾輪壓力不均，使開關(guān)連接處接觸面積減小，引起分接開關(guān)在運(yùn)行中發(fā)熱損壞，并且長時間的超負(fù)荷，電力設(shè)備承載電流過大，接觸頭老化，這將導(dǎo)致設(shè)備長時間發(fā)熱、接觸點溫度急劇上升，最終導(dǎo)致設(shè)備的損害。 電纜接頭故障電纜接頭的故障多為接觸面處理不佳，接線端或連接管在生產(chǎn)和保養(yǎng)過程中由于條件影

44、響常有雜質(zhì)、毛刺和氧化層的存在，加上設(shè)備運(yùn)行時間過長，負(fù)荷量大等原因引起接頭發(fā)熱，導(dǎo)致設(shè)備整個絕緣介質(zhì)被熱擊穿，最終設(shè)備溫度升高，該現(xiàn)象的惡性循環(huán)發(fā)生將使溫度上升的狀況急劇 變壓器接頭故障，甚至發(fā)生火災(zāi)。變壓器長期超負(fù)荷運(yùn)行和設(shè)備散熱能力差，導(dǎo)致變壓器設(shè)備溫度升高使傳輸線絕緣老化脆裂，抗電強(qiáng)度降低；在雷雨天氣下，防雷設(shè)施的不完善導(dǎo)致器件絕緣擊穿；變壓器鐵芯由硅鋼片疊裝而成，硅鋼片之間有絕緣漆膜；硅鋼片緊固不好，漆膜破壞產(chǎn)生渦流而發(fā)生局部過熱11；接頭連接線由于封閉不嚴(yán)進(jìn)水，引起絕緣受潮，或變壓器嚴(yán)重缺油使油箱內(nèi)引線在空氣中，造成閃絡(luò)導(dǎo)致溫度升高。以上問題如不及時解決將產(chǎn)生嚴(yán)重。綜上所述，電力設(shè)

45、備故障一般由于設(shè)備長期超負(fù)荷運(yùn)行接頭溫度升高，但是不同設(shè)備接頭的制作材料對溫度的反應(yīng)程度不同，在進(jìn)行溫度監(jiān)測是應(yīng)對照設(shè)備元器件材料所允許的最高溫度。為了有效避免變電站事故的發(fā)生，研發(fā)一套能實時測量電力設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點溫度和獲取電力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的系統(tǒng)迫在眉睫。2.3 電力系統(tǒng)介紹單元、傳輸通訊設(shè)備、計算機(jī)為基本工具12。數(shù)據(jù)電力系統(tǒng)是以單元通過傳感器將環(huán)境參數(shù)情況轉(zhuǎn)換為電信號；傳輸通訊設(shè)備將數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)；計算機(jī)對上傳的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如有異常及時觸發(fā)系統(tǒng)通告，將事故解決在萌發(fā)期，有效避免事故的發(fā)生。也可通過臺對前端設(shè)備進(jìn)行控制，使范圍和監(jiān)測參數(shù)擴(kuò)大化，降低其運(yùn)行成本

46、，提高生產(chǎn)效率。因此對系統(tǒng)提出相應(yīng)的要求，即必須具有以下特點： 先進(jìn)性和開放性在系統(tǒng)設(shè)計時不僅滿足當(dāng)前的設(shè)計需求，還應(yīng)顧及未來功能的擴(kuò)展；的接口不僅滿足目前硬件系統(tǒng)，還應(yīng)滿足與其他設(shè)備之間進(jìn)行互聯(lián)的預(yù)留接口；數(shù)據(jù)處理的性能不僅滿足目前的需求，還應(yīng)預(yù)留足夠空間滿足擴(kuò)展的功能。確保整個系統(tǒng)具有較強(qiáng)的生命周期、先進(jìn)性和開放性。 穩(wěn)定性和可靠性確保整個系統(tǒng)在、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理的各個環(huán)節(jié)上有較強(qiáng)的穩(wěn)定可靠性。對異常情況能準(zhǔn)確處理，確保系統(tǒng)在 7*24 小時的運(yùn)行過程中準(zhǔn)確無誤的將圖像數(shù)據(jù)傳輸給中心。 可操作性和易操作終端全部采用性的圖形化管理界面易于管理對設(shè)備的操控，管理人員通過簡單的培訓(xùn)或查閱相關(guān)文

47、檔說明書即可完成對數(shù)據(jù)、備份和處理等操作。系統(tǒng)采用模塊化組合處理，各個模塊具有自檢、修護(hù)功能，模塊預(yù)留與外界端口，易于操作。 安全性和規(guī)范性系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮實際應(yīng)用環(huán)境，確保該系統(tǒng)在不影響其他電力設(shè)備的情況下能安全運(yùn)行，技術(shù)上采用可靠、全面的措施對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。編寫詳細(xì)的用戶手冊和使用文檔，對各個重要操作步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。 良好的性價比以確保整個系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行為前提，充分考慮對數(shù)據(jù)資源的合理處理，最大程度降低系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)成本，提高系統(tǒng)整體性價比。智能電力進(jìn)行實時系統(tǒng)主要對變電站內(nèi)高壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜、變壓器等的關(guān)鍵。系統(tǒng)實時單相、三相的電壓和電流、功率、功率因數(shù)、電度、頻率和電

48、流開關(guān)狀態(tài)等各項參數(shù)，當(dāng)某個參數(shù)值超出預(yù)設(shè)的閥值時便產(chǎn)生預(yù)警、信號，值班、企業(yè)能對異常情況做出準(zhǔn)確及時的處理并對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。一種現(xiàn)有的智能電網(wǎng)系統(tǒng)方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖 2.2 所示13。變電站電力設(shè)備的正常運(yùn)行。本文研究的系統(tǒng)主要完成能對設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點的溫度情況進(jìn)行，及時將監(jiān)測的溫度情況傳遞給值班。下面將對現(xiàn)有常見的電力設(shè)備溫度檢測方案進(jìn)行分析對比，目前的溫度監(jiān)測方案主要有熱電阻技術(shù)的測溫方案、光纖技術(shù)的測溫方案、聲表面波技術(shù)的監(jiān)測方案和紅外成像技術(shù)的方案。2.4.1 基于熱電阻技術(shù)的測溫方案熱電阻測溫方案主要應(yīng)用在低、中溫度測溫環(huán)境中，主要基于電力傳輸過程中溫度與電阻形成一定的比例關(guān)系，不

49、同的溫度對應(yīng)不同的電阻值的原理。將電路中的熱電阻與電容組成 RC 振蕩電路，即可通過輸出的頻率值獲取不同的電阻值，再通過計算求取當(dāng)前監(jiān)測點的溫度值。熱電阻的電阻值與溫度關(guān)系式為：系統(tǒng)如圖 2.4 所示15。然后聲表面波器件通過對傳輸?shù)穆曅盘栠M(jìn)行放大、采樣等處理，通過聲電轉(zhuǎn)化器件獲取電信號；最后對的電信號進(jìn)行分析處理，最終獲取溫度值信息。傳感器表面的反射條的數(shù)目和位置決定用戶 ID，對發(fā)射的信號脈沖的延時進(jìn)行估算，實時解調(diào)識別碼。收到詢問信號后將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號并撞擊反射區(qū)。反射區(qū)位置和數(shù)目的不同對應(yīng)信號具有不同的振幅和相位18。聲表面波測溫技術(shù)組成框圖如圖 2.5 所示。2.5 本章小結(jié)本章

50、首先通過實例分析突出變電站對人們生活產(chǎn)生著重要影響，得出電力設(shè)備的重要性；然后對電力事故中主要的故障點、系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)監(jiān)測對象進(jìn)行介紹；最后詳細(xì)對比介紹了 4 種測溫技術(shù)方案，最終選擇適合于本課題的紅外成像技術(shù)測溫方案。第三章 紅外成像測溫系統(tǒng)總體設(shè)計上一章對電力系統(tǒng)進(jìn)行全面對比分析，選取基于紅外成像技術(shù)的測溫方案。為了更加直觀的了解現(xiàn)場情況，本系統(tǒng)加以可見光作為輔助，可見光市場上技術(shù)比較成熟，本文將主要對紅外成像技術(shù)進(jìn)行驗證。本章詳細(xì)分析紅外成像測溫系統(tǒng)的功能需求，在需求分析的基礎(chǔ)之上硬件終端選取適合于本項目的ARM+FPGA 的紅外系統(tǒng)設(shè)計方案，然后對系統(tǒng)軟、硬件的組建進(jìn)行介紹。3.1

51、紅外成像測溫系統(tǒng)功能需求分析根據(jù)前一章的對測溫系統(tǒng)的技術(shù)方案進(jìn)行對比分析，本擇紅外成像技術(shù)方案。測溫系統(tǒng)的目的是獲取變電站內(nèi)設(shè)備關(guān)鍵點的溫度信息，了解變電站設(shè)備運(yùn)行狀況。主要通過紅外成像測溫系統(tǒng)獲取紅外灰度圖像，經(jīng)過分析處理獲得設(shè)備溫度信息，結(jié)合可見光析如表 3.1 所示。儀獲取設(shè)備及周圍可視圖像。紅外成像系統(tǒng)需求分表 3. 1 系統(tǒng)整體功能需求分析根據(jù)上述所有要求，在具體設(shè)計時，該 實現(xiàn)對變電站中關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行紅外系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下功能：和可見光。 通過溫、濕度傳感器獲取點實時的環(huán)境溫度信息。系統(tǒng)功能說明紅外紅外電力設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點狀態(tài)，獲取設(shè)備關(guān)鍵點溫度情況?？梢姽庾冸娬粳F(xiàn)場情況，防止人為破壞電力

52、設(shè)備。云臺控制中心對通過云臺調(diào)控，獲取設(shè)備節(jié)點?，F(xiàn)場環(huán)境溫、濕度獲取環(huán)境溫、濕度，在進(jìn)溫計算時便于對圖像進(jìn)行補(bǔ)償，提高節(jié)點溫度精度。圖像數(shù)據(jù)上傳圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口上傳至遠(yuǎn)端中心。管理服務(wù)器對用戶登錄權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，用戶登錄退出進(jìn)行，實時保存變電站各個點發(fā)出的參數(shù)值。主機(jī)主機(jī)具有對前端云臺進(jìn)行控制、布防等功能。與大屏幕之間通過圖形陣列（Graphics Array，VGA）方式連接。完成圖像解壓、圖像控制、聯(lián)動、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和查詢功能。輔助功能協(xié)同配合其他監(jiān)測、控制設(shè)備（如負(fù)荷監(jiān)測設(shè)備、智能抄表計費(fèi)設(shè)備）構(gòu)建智能堅強(qiáng)電網(wǎng)。 將紅外設(shè)備的現(xiàn)場圖像經(jīng)過處理，上傳到中心。中心對的紅外灰度圖像進(jìn)行溫度標(biāo)定，獲取

53、關(guān)鍵點的溫度信息，并查閱監(jiān)測點材料對應(yīng)的溫度允許范圍，及時判斷該監(jiān)測點的安全情況。 根據(jù)獲取的設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點溫度情況，判斷溫度等級，啟動預(yù)案，將故障設(shè)備信息通告管理與值班。中心能對的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析，通過時間與設(shè)備溫度變化曲線，分析設(shè)備運(yùn)行狀況。 將各個設(shè)備溫度信息通過電視墻實時顯示。表 3.2 列舉系統(tǒng)要實現(xiàn)的部分功能，以及達(dá)到的相應(yīng)性能指標(biāo)。表 3. 2 系統(tǒng)部分性能指標(biāo)系統(tǒng)部分性能性能指標(biāo)紅外探測器非制冷面微熱輻射計型探測器像素（可兼容）160120；320240；384288信號數(shù)字化分辨率16Bit圖像幀頻50Hz圖像處理非均勻性校正/濾波/增強(qiáng)測溫測量范圍20500（可根據(jù)需要擴(kuò)展

54、）測溫精度11(X125)22%(125X500)測溫功能可進(jìn)行全屏任意點測溫測溫區(qū)域功能顯示區(qū)域最高溫度最低溫度平均溫度方式手動/自動單幀圖像畫面顯示全屏偽彩，可調(diào)整色標(biāo)、亮度、對比度可見光成像可見光頭(自動/手動調(diào)節(jié)可見光效果)調(diào)焦自動/手動傳輸方式網(wǎng)口PC輸出PAL/NTSC(可選)聲音高于、低于設(shè)定溫度值可自動3.2 紅外成像測溫系統(tǒng)架構(gòu)通過上一節(jié)對紅外成像的具體情況進(jìn)行分析。系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能進(jìn)行簡要介紹，下面對系統(tǒng)實施 應(yīng)用環(huán)境：變電站內(nèi)電力設(shè)備安裝點。 主要目的：監(jiān)測變電站內(nèi)各個電力設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點溫度情況，反應(yīng)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況。 主要任務(wù)和方式：通過紅外成像技術(shù)電力設(shè)備重要接頭節(jié)點

55、的圖像信息，通過算法分析處理獲取探測節(jié)點的溫度信息，可見光監(jiān)測。頭對現(xiàn)場進(jìn)行輔助性 使用主要技術(shù)：紅外成像技術(shù)，開發(fā)技術(shù)，圖像技術(shù)。紅外成像智能電網(wǎng)系統(tǒng)由三部分組成：圖像系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、中心系統(tǒng)25。紅外成像智能電網(wǎng)測溫系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 3.1 所示。圖像傳輸系統(tǒng)將對過網(wǎng)絡(luò)傳輸端口上傳至云臺進(jìn)行調(diào)控，并將中心。的溫、濕度信息和圖像信息通中心系統(tǒng)完成圖像接收，圖像，用戶登陸管理，優(yōu)先權(quán)分配，圖像的實時，的、回放、備份、恢復(fù)等。當(dāng)變電站內(nèi)某個設(shè)備某項參數(shù)超出值時，即可觸發(fā)系統(tǒng)，并通過方式通告值班出事設(shè)備所在區(qū)域和設(shè)備。中心可對變電站所有云臺進(jìn)行控制，確保獲取更廣的區(qū)域。3.3 紅外成像終端系統(tǒng)

56、方案對比紅外成像終端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)：圖像、處理圖像、上傳圖像。為達(dá)到性能指標(biāo)，對目前主流的系統(tǒng)方案：可編程片上系統(tǒng)（System On Programmable Chip，SOPC）、DSP+FPGA、ARM+FPGA 進(jìn)行對比分析。3.3.1 SOPC 系統(tǒng)方案SOPC 采用可編程邏輯技術(shù)將整個系統(tǒng)移植到一塊硅片上，常見的將 CPU、存儲器、外設(shè) I/O 和邏輯控制單元等集成在單片 FPGA 器件上，實現(xiàn)在單個上完成整個系統(tǒng)的邏輯功能26。SOPC 模塊主要完成：對非制冷面陣列（UncooledFocal Plane Arrays，UFPA）探測器進(jìn)行初始化和提供驅(qū)動信號；提供 A/D 電路控

57、制信號；對原始圖像信號進(jìn)行算法處理；對圖像數(shù)據(jù)的控制；對圖像顯示系統(tǒng)的控制；對通信模塊以及對設(shè)備的控制。SOPC 系統(tǒng)方案如圖 3.2 所示。3.3.2 DSP+FPGA 系統(tǒng)方案方案中 DSP 作為專門的微處理器，通過匯編或高級語言進(jìn)行編程對圖像進(jìn)行處理，對模塊獲取的原始圖像進(jìn)行算法處理；對外設(shè)各個外接功能模塊的硬件初始化；對顯示終端界面和網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行初始化；對圖像數(shù)據(jù)的、顯示等功能進(jìn)行管理。FPGA 負(fù)責(zé)為紅外圖像模塊中探測器提供時鐘驅(qū)動信號；對模塊電路的控制；對 A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路模塊的控制；對系統(tǒng)外設(shè)功能模塊的管理。DSP+FPGA 系統(tǒng)方案如圖 3.3 所示27。3.4 紅外成像測

58、溫終端總體設(shè)計根據(jù)前幾節(jié)的分析對比結(jié)合系統(tǒng)需求分析，本擇出適合于本項目的ARM+FPGA 系統(tǒng)方案。根據(jù)系統(tǒng)總體框架為基礎(chǔ)終端總體設(shè)計如圖 3.5 所示。理模塊、ARM 控制模塊。紅外成像處理系統(tǒng)硬件如圖 3.6 所示。 價格便宜，降低開發(fā)成本。 開發(fā)簡單，減短周期。根據(jù)硬件系統(tǒng)的功能分析，考慮到系統(tǒng)處理能力向上和向下的兼容性，對處理的數(shù)據(jù)均考慮到最大情況，前端非制冷面微熱輻射計型探測器選用兼容最大可能的 384288 像素，幀頻為 50Hz。處理器對的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理時，一個像素點需要 20 個指令周期，即在進(jìn)行處理時 1 秒內(nèi) CPU 的計算量為：5038428820=10506240

59、0105MHz。再考慮到其它數(shù)據(jù)吞吐、計算及其它開銷，至少需要上述 23 倍的CPU 運(yùn)算能力。系統(tǒng)選取時，圖像按每秒 25 幀計算、一幀 384288 個像素點、每個像素點寬度 16 位，每秒過壓縮圖像數(shù)據(jù)量為 44.2MB，單幀為 0.88MB?？紤]到圖像處理運(yùn)算過程中需要大約 10 幀的圖像緩存空間，以及程序代碼運(yùn)行空間，因此系統(tǒng)內(nèi)存至少大于 100MB。 FPGA選型FPGA 主要承擔(dān)圖像后，本系統(tǒng) FPGA特性如下表 3.4 所示。、圖像處理算法的實現(xiàn)功能。在綜合考慮成本、性能等選用 AC公司推出的ProASIC3 系列，該系列表 3. 4 ProASIC3 系列特性根據(jù)上一節(jié)對處理

60、數(shù)據(jù)的分析，選取適合的 A3P1000，它具有可反復(fù)編程修改、處理速度快、并行性等優(yōu)點，非常適合于圖像處理，它采用 3.3V 直流電壓供S 工藝，該的主要特性有30：具有 1000000 個柵極數(shù)目。器資源豐富，包括雙端口和單端口 SRAM。3 個相位選擇器、6 個可編程延時器、5 個可編程分頻器、1 個固定延時器。鎖相環(huán)（Phase Locking Loop，PLL）輸入頻率范圍 1.5MHz350MHz，通過電，1)2)3)4)器件A3P030A3P060A3P125A3P250A3P400A3P600A3P1000系統(tǒng)門30,00060,000125,000250,000400,0006