Оптимизация размера, питания и стоимости в инфракрасных термальных визировках

Термальное визирование охватывает промышленное производство, безопасность и экологический мониторинг. Поскольку инфракрасные длины волн отличаются от видимого света, инженерам необходимо адаптировать железо для оптимальной производительности — в результате получаются более компактные, малоэнергозатратные и стоимостно-эффективные системы.

Инфракрасный спектр

Человеческий глаз улавливает только видимую часть электромагнитного спектра. Инфракрасное (IR) излучение лежит за видимым светом и является ключом к детектированию тепловых сигнатур — температура объекта напрямую диктует его IR-выход.

Изначально использовавшийся для ночного захвата целей, термальные камеры теперь служат широкому кругу целей, включая:

• Раннее обнаружение пожаров и мониторинг здоровья растений
• Автоматизация заводов и процессы Индустрии 4.0
• Энергетические аудиты, выявляющие утечки тепла в зданиях
• Ночной периметрический и дикий мониторинг
• Отслеживание штормов и ураганов
• Медицинская диагностика температурных аномалий
• Инспекция самолётов, поездов и другого тяжёлого оборудования
• Сохранение дикой природы и прецизионное земледелие
• Реагирование на катастрофы и спасательные операции

Растущий список приложений стимулирует продолжающиеся инвестиции в НИОКР, делая термальные камеры всё более мощными и доступными.

Типичная термальная камера состоит из корпуса, объектива, IR-сенсора и бортовой электроники — процессора изображения, FPGA, памяти, коммуникаций и дисплейных схем. Объектив концентрирует IR-энергию на сенсоре, который преобразует тепловую сигнатуру в видимое изображение.

IR-сенсоры доступны от 80×60 до 1280×1024 пикселей. По сравнению с камерами видимого света, каждый пиксель должен быть крупнее (≈ 25 мкм против 1,7 мкм в потребительских сенсорах) для захвата более длинных длин волн. Следовательно, термальные камеры имеют более низкое общее разрешение, но больший размер пикселя позволяет точные измерения температуры — некоторые модели детектируют различия всего в 0,01 °C.

Проблемы памяти

FPGA в термальной камере обрабатывает сырые данные сенсора. Её внутренняя RAM часто недостаточна, поэтому дизайнеры полагаются на off-chip память для алгоритмов, буферизации дисплея и коммуникаций. Off-chip хранилище также обеспечивает масштабируемость для будущих повышений плотности.

Традиционно для этого используется DDR DRAM. Однако скромное разрешение термальных изображений означает, что высокоплотный DRAM избыточен, добавляя стоимость, лишние ножки и потребление энергии. Волатильность DRAM требует периодического рефреша, ещё больше увеличивая потребление — проблему для батарейных устройств.

HyperRAM от Infineon решает эти ограничения. Построенная на DRAM-ядре с встроенным self-refresh, HyperRAM потребляет только 25 мА, драматически снижая потребление при сопоставимой пропускной способности (≈ 400 МБ/с). Она использует 12-пиновый интерфейс HyperBus, гораздо меньше 30+ пинов DDR, упрощая разводку PCB и количество слоёв.

Таблица: HyperRAM vs SDR DRAM (64 Мб устройство). Источник: Infineon Technologies

HyperBus Memory Controller может быть реализован как soft IP в FPGA, устраняя необходимость в громоздком DDR-контроллере. Рисунок 1 показывает преимущество в количестве пинов: DDR-система требует две шины с 41 пином и шесть слоёв PCB, в то время как HyperRAM/HyperFlash система использует одну 13-пиновую шину и всего два-четыре слоя.

Рисунок 1: Сравнение количества пинов между DDR-SDRAM/NOR Flash и HyperRAM/HyperFlash. Источник: Infineon Technologies

Внешний NOR Flash также часто используется для невиолатильного хранения конфигурации. HyperFlash — NOR Flash с интерфейсом HyperBus — может делить ту же 13-пиновую шину с HyperRAM, снижая количество пинов с 41+ до всего 13. HyperFlash и HyperRAM доступны в плотностях 64–512 Мб, с интерфейсами HyperBus и Octal xSPI, совместимыми с JEDEC.

Выбирая память, соответствующую требованиям термального визирования, OEM могут оптимизировать дизайн PCB, снизить стоимость, сократить потребление энергии и продлить время работы от батареи.

---

Бобби Джон — старший менеджер по продуктовому маркетингу в бизнес-единице Memory Solutions в Infineon Technologies, с более чем 13-летним опытом в различных ролях в полупроводниковой отрасли.

---

Связанный контент:

• Сенсоры и процессоры сходятся для промышленных приложений
• Как технология serial Flash эволюционирует для встречи новых требований дизайнов Индустрии 4.0
• Почему FIR-сенсинг критичен для достижения полностью автономных транспортных средств
• Сенсорные системы в промышленном IoT
• Новые image sensors ams для высокопроизводительного промышленного зрения

Для получения большего контента по Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.