Уменьшение размера, мощности и стоимости приложений инфракрасного тепловидения

Тепловидение используется в широком спектре приложений, от производства и обработки промышленных товаров до безопасности и наблюдения. Поскольку длины волн, измеряемые тепловизионными камерами, больше, чем длины волн, измеряемые при формировании оптических изображений, разработчикам тепловизионных приложений необходимо подходить к проектированию иначе, чем это используется в традиционных приложениях машинного зрения. Понимая разницу между тепловизионным и оптическим отображением, разработчики могут оптимизировать свои конструкции, чтобы использовать правильный тип внешней памяти, что приводит к уменьшению размеров систем, снижению сложности, снижению энергопотребления и, в конечном итоге, снижению стоимости системы.

Инфракрасный спектр

Человеческий глаз способен уловить только очень небольшую часть большего электромагнитного спектра, называемого видимым спектром. За пределами этой области находятся другие спектры, такие как рентгеновский, ультрафиолетовый (УФ), инфракрасный (ИК) и микроволновый, частота и длина волны которых делают их невидимыми для человеческого глаза.

Особое значение в этом обсуждении имеет ИК-спектр. ИК-спектр позволяет обнаруживать и измерять тепло, выделяемое объектом. Это называется «тепловая подпись». Чем горячее объект, тем больше инфракрасного излучения он производит.

Тепловизионные камеры - это инструменты, которые могут улавливать инфракрасное излучение и преобразовывать его в изображение, которое мы затем можем видеть своими глазами. Хотя инфракрасное изображение изначально было разработано для обнаружения вражеских целей в ночное время, тепловидение теперь используется во многих различных областях, включая:

• Превентивное раннее обнаружение пожара и мониторинг состояния оборудования.
• Производство и обработка в автоматизации производства (Индустрия 4.0)
• Энергосбережение, например определение мест, где дом может терять тепло из-за дверных и оконных трещин.
• Ночное наблюдение, например охрана периметра.
• Отслеживание погоды, например штормов и ураганов.
• Диагностика различных расстройств и заболеваний.
• Осмотр транспортных средств (например, самолетов и поездов)
• Охрана дикой природы, сельское хозяйство, животноводство
• Аварийное спасение и восстановление

Список приложений, использующих термометрию, продолжает расти. По мере того, как компании вкладывают больше средств в исследования и разработки, тепловизионные камеры будут становиться все лучше и дешевле, а значит, найдут свое применение в еще большем количестве приложений, от отдыха до исследований.

Тепловизионные камеры доступны с выбором датчиков, полей зрения, частоты кадров и физических конфигураций. Тепловизионная камера состоит из механического корпуса с линзой, инфракрасного датчика и электроники обработки, состоящей из процессора изображений, FPGA, памяти, коммуникационной и дисплейной электроники. Объектив фокусирует инфракрасную энергию на датчике, который измеряет тепловую сигнатуру любых объектов в окружающей среде.

Термодатчики бывают различных конфигураций пикселей, от 80 × 60 до 1280 × 1024 пикселей и более. Обратите внимание, что это разрешение низкое по сравнению с изображениями в видимом свете. Поскольку тепловые детекторы должны воспринимать энергию, имеющую гораздо большую длину волны, чем видимый свет, каждый чувствительный элемент также должен быть значительно больше. Учтите, что стандартные потребительские камеры имеют размер пикселя около 1,7 мкм, в то время как промышленные камеры машинного зрения имеют размер пикселя от 4,6 мкм до 6,5 мкм с большей светоактивной поверхностью для получения лучшего сигнала. Тепловизионные камеры имеют еще более крупные сенсоры с размером пикселя 25 мкм. В результате тепловизионная камера обычно имеет гораздо более низкое разрешение (т.е. меньшее количество пикселей), чем видимые датчики того же механического размера.

Обратите внимание, что хотя больший размер пикселя снижает разрешение, это также означает, что тепло, воспринимаемое инфракрасной камерой, может быть очень точно измерено. Это важно для самых разных приложений. Например, некоторые тепловизионные камеры могут обнаруживать крошечные различия в температуре - всего 0,01 ° C - и отображать их в виде оттенков серого или с использованием различных цветовых палитр.

Проблемы с памятью

FPGA внутри тепловизионной камеры фильтрует и обрабатывает сигналы, генерируемые ее датчиками и детекторами. Часто блока RAM внутри FPGA недостаточно для хранения и обработки данных. Система должна будет зависеть от внешней памяти изображений для таких задач, как выполнение алгоритмов, отображение данных и буферизация связи. Расширяемая память также обеспечивает дополнительное преимущество, позволяя масштабировать проект в соответствии с растущими требованиями к плотности.

Традиционно OEM-производители использовали DRAM для хранения вне кристалла с использованием интерфейса DDR. Однако, учитывая требования к низкому разрешению изображения для тепловизоров, требования к внешней памяти существенно ниже, чем требуется для оптических камер. Таким образом, DRAM с высокой плотностью может быть излишним и увеличивать стоимость продукта без какой-либо реальной выгоды. DRAM также обычно требует более 30 контактов для передачи данных. Эти выводы увеличивают накладные расходы системы с точки зрения дополнительной маршрутизации сигналов и требуют дополнительных слоев печатной платы для запуска этих трассировок сигналов. Кроме того, поскольку DRAM является энергозависимым, ячейки необходимо периодически обновлять для сохранения данных. Таким образом, использование слишком большой DRAM означает более высокое энергопотребление, что напрямую влияет на срок службы тепловизионных приложений с батарейным питанием.

Чтобы решить проблемы памяти DRAM, производители камер используют альтернативные технологии памяти, такие как память HyperRAM. HyperRAM основана на архитектуре DRAM и включает встроенную схему самообновления. Потребляемая мощность HyperRAM составляет всего 25 мА, поэтому потребляемая мощность в несколько раз меньше, чем у DRAM (см. Таблицу 1), что делает ее достаточно энергоэффективной для портативных приложений.

Таблица:Сравнение HyperRAM и DRAM с одной скоростью передачи данных (SDR). [* Примечание:для сравнения используется устройство на 64 Мб в качестве основы.] (Источник:Infineon Technologies)

Интерфейс и протокол памяти HyperBus полностью эквивалентны DDR - 400 Мбит / с - при этом для передачи данных требуется всего 12 контактов. Вместо того, чтобы внедрять дорогостоящий контроллер памяти DDR DRAM, эффективный контроллер памяти HyperBus может быть реализован в программном IP в FPGA, что делает это оптимальным и эффективным подходом к внешнему расширению памяти (см. Рисунок 1).

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 1. (Слева) Камера, использующая внешнюю DDR SDRAM и NOR Flash, требует двух шин памяти с общим 41 контактом, которые увеличивают количество слоев печатной платы до шести или более. (Справа) Камера, использующая HyperRAM и HyperFlash для внешней памяти, может обмениваться данными по одной шине с 13 контактами, для чего требуется всего от двух до четырех слоев печатной платы. (Источник:Infineon Technologies)

Для большинства конструкций камер также требуется внешняя вспышка NOR для хранения параметров и другой важной информации, которая должна сохраняться при отключении питания (питание от батареи) или сбое питания. При использовании стандартной NOR Flash для интерфейса шины потребуются еще 10 контактов, в результате чего общее количество контактов достигнет 41. В качестве альтернативы NOR Flash OEM-производители могут использовать память HyperFlash.

HyperFlash - это НЕ Flash, использующий интерфейс HyperBus. Это позволяет системам использовать одну и ту же шину для взаимодействия с устройствами HyperRAM и HyperFlash, чтобы еще больше уменьшить общее количество выводов. В этом случае для сопряжения потребуется всего 13 контактов:12 контактов для передачи данных и 1 дополнительный контакт для использования в качестве выбора микросхемы. Сравните это с более чем 41 контактом, который может потребоваться для отдельных устройств DDR DRAM и QSPI NOR Flash.

Обратите внимание, что память расширения HyperRAM также может использоваться в промышленных приложениях машинного зрения в качестве альтернативы DRAM для памяти изображений. Благодаря корпусу с малым количеством выводов HyperRAM доступен с плотностью от 64 МБ до 512 МБ, поддерживая интерфейсы, совместимые с HyperBus и Octal xSPI JEDEC. HyperBus поддерживается экосистемой партнеров, и контроллер памяти HyperBus также доступен как RTL IP для реализации контроллера в FPGA.

Разработчики тепловизионных камер должны решать проблемы, отличные от тех, с которыми сталкиваются разработчики оптических камер. Выбирая технологию внешней памяти, которая соответствует требованиям тепловизионной системы, производители комплектного оборудования могут упростить отслеживание сигналов, уменьшить количество необходимых слоев печатных плат, снизить общую стоимость системы и снизить энергопотребление, чтобы продлить срок службы.

Связанное содержание:

• Датчики и процессоры объединяются для промышленного применения.
• Как технология последовательной флэш-памяти развивается в соответствии с новыми требованиями дизайна Индустрии 4.0.
• Почему технология FIR-зондирования необходима для создания полностью автономных транспортных средств.
• Сенсорные системы в промышленном IoT
• Новые датчики изображения AMS для высокопроизводительного промышленного зрения

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.