Het verkleinen van de afmetingen, het vermogen en de kosten voor infrarood warmtebeeldtoepassingen

Thermische beeldvorming wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van de productie en verwerking van industriële producten tot beveiliging en bewaking. Omdat de golflengten die worden gemeten door thermische camera's groter zijn dan die gemeten bij optische beeldvorming, moeten ontwikkelaars van warmtebeeldtoepassingen het ontwerp anders benaderen dan wordt gebruikt in traditionele zichttoepassingen. Door de verschillen tussen thermische en optische beeldvorming te begrijpen, kunnen ontwikkelaars hun ontwerpen optimaliseren om het juiste soort extern geheugen te gebruiken, wat resulteert in kleinere systemen, minder complexiteit, minder stroomverbruik en uiteindelijk lagere systeemkosten.

Het infraroodspectrum

Het menselijk oog is slechts in staat om een ​​zeer klein deel van het grotere elektromagnetische spectrum, het zichtbare spectrum, op te vangen. Buiten dit gebied liggen andere spectrums zoals röntgenstraling, ultraviolet (UV), infrarood (IR) en microgolven, waarvan de frequentie en golflengte ze onzichtbaar maken voor het menselijk oog.

Van bijzonder belang in deze discussie is het IR-spectrum. Het IR-spectrum biedt een middel om de door een object gegenereerde warmte te detecteren en te meten. Dit wordt de “hittesignatuur” genoemd. Hoe heter een object is, hoe meer infraroodstraling het produceert.

Thermische camera's zijn instrumenten die infraroodstraling kunnen opvangen en omzetten in een beeld dat we vervolgens met onze ogen kunnen zien. Hoewel infraroodbeeldvorming oorspronkelijk is ontwikkeld om vijandelijke doelen 's nachts te lokaliseren, wordt thermische beeldvorming nu in veel verschillende soorten toepassingen gebruikt, waaronder:

• Preventieve vroege branddetectie en monitoring van de fabrieksconditie
• Vervaardiging en verwerking in fabrieksautomatisering (Industrie 4.0)
• Energiebesparing, zoals het identificeren waar een huis mogelijk warmte verliest door kieren van deuren en ramen.
• Nachtbewaking, zoals perimeterbeveiliging
• Weersregistratie zoals stormen en orkanen
• Diagnose van verschillende aandoeningen en ziekten.
• Inspectie van voertuigen (bijv. vliegtuigen en treinen)
• Behoud van wilde dieren, landbouw, veeteelt
• Redding en herstel bij rampen

De lijst met toepassingen die gebruik maken van thermometrie blijft groeien. Naarmate bedrijven meer investeren in onderzoek en ontwikkeling, zullen thermische camera's alleen maar beter en goedkoper worden, en zo hun weg vinden naar nog meer toepassingen, van recreatie tot onderzoek.

Thermische camera's zijn verkrijgbaar in verschillende sensoren, gezichtsvelden, framesnelheden en fysieke configuraties. Een thermische camera bestaat uit een mechanische behuizing met lens, infraroodsensor en verwerkingselektronica bestaande uit de beeldprocessor, FPGA, geheugen, communicatie en weergave-elektronica. De lens focust infraroodenergie op de sensor, die de warmtesignatuur meet van alle objecten in de omgeving.

Thermische sensoren zijn er in verschillende pixelconfiguraties, van 80 × 60 tot 1280 × 1024 pixels of meer. Merk op dat deze resoluties laag zijn in vergelijking met zichtbare lichtbeeldcamera's. Omdat thermische detectoren energie moeten detecteren die veel grotere golflengten heeft dan zichtbaar licht, moet elk sensorelement ook aanzienlijk groter zijn. Bedenk dat standaard consumentencamera's een pixelgrootte hebben van ongeveer 1,7 µm, terwijl industriële machine vision-camera's pixelgroottes hebben van 4,6 µm tot 6,5 µm met een groter lichtactief oppervlak om een ​​beter signaal te verkrijgen. Thermische camera's hebben nog grotere sensoren, met een pixelgrootte van 25 µm. Als gevolg hiervan heeft een thermische camera meestal een veel lagere resolutie (d.w.z. minder pixels in totaal) dan zichtbare sensoren van dezelfde mechanische grootte.

Merk op dat hoewel een grotere pixelgrootte de resolutie vermindert, dit ook betekent dat de warmte die wordt gedetecteerd door een infraroodcamera zeer nauwkeurig kan worden gemeten. Dit is belangrijk voor een grote verscheidenheid aan toepassingen. Sommige thermische camera's kunnen bijvoorbeeld kleine verschillen in warmte detecteren - zo klein als 0,01°C - en deze weergeven als grijstinten of met verschillende kleurenpaletten.

Geheugenuitdagingen

De FPGA in een thermische camera filtert en verwerkt de signalen die worden gegenereerd door zijn sensoren en detectoren. Vaak is het RAM-blok binnen de FPGA onvoldoende om de gegevens op te slaan en te verwerken. Het systeem zal afhankelijk moeten zijn van off-chip beeldgeheugen voor taken zoals het uitvoeren van algoritmen, het weergeven van gegevens en het bufferen van communicatie. Uitbreidingsgeheugen biedt ook het extra voordeel dat het ontwerp schaalbaar is om te voldoen aan de toenemende dichtheidsvereisten.

Traditioneel gebruiken OEM's DRAM voor off-chip opslag met behulp van een DDR-interface. Gezien de lage beeldresolutievereisten van thermische beeldvorming, zijn de vereisten voor geheugen buiten de chip aanzienlijk lager dan vereist is voor optische camera's. Als zodanig kan een DRAM met hoge dichtheid overkill zijn en de productkosten verhogen zonder echt voordeel te bieden. DRAM's hebben doorgaans ook meer dan 30 pinnen nodig voor gegevensoverdracht. Deze pinnen dragen bij aan de systeemoverhead in termen van extra signaalroutering en vereisen extra PCB-lagen om deze signaalsporen uit te voeren. Bovendien, aangezien DRAM vluchtig is, moeten cellen periodiek worden vernieuwd om gegevens te behouden. Het gebruik van een te groot DRAM betekent dus een hoger stroomverbruik, wat een directe invloed heeft op de levensduur van warmtebeeldtoepassingen op batterijen.

Om de geheugenuitdagingen van DRAM aan te pakken, gebruiken camera-OEM's alternatieve geheugentechnologieën zoals HyperRAM-geheugen. HyperRAM is gebaseerd op de DRAM-architectuur en bevat ingebouwde zelfverversingscircuits. Met een actieve stroom van slechts 25 mA, is het energieverbruik van HyperRAM een fractie van dat in vergelijking met DRAM's (zie tabel 1), waardoor het energiezuinig genoeg is voor draagbare toepassingen.

Tabel:vergelijking van HyperRAM versus Single Data Rate (SDR) DRAM. [*Opmerking:vergelijking gebruikt een 64Mb-apparaat als basis.] (Bron:Infineon Technologies)

De HyperBus-geheugeninterface en -protocol bieden overal equivalent aan DDR - 400 MBps - terwijl er slechts 12 pinnen nodig zijn voor gegevensoverdracht. In plaats van een dure DDR DRAM-geheugencontroller te moeten implementeren, kan een gate-count efficiënte HyperBus Memory Controller worden geïmplementeerd in soft IP in de FPGA, waardoor dit een optimale en efficiënte benadering is voor off-chip uitbreidingsgeheugen (zie afbeelding 1).

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 1:(Links) Een camera die externe DDR SDRAM en NOR Flash gebruikt, heeft twee geheugenbussen nodig met in totaal 41 pinnen die de PCB-lagen vergroten tot zes of meer. (Rechts) Een camera die HyperRAM en HyperFlash voor extern geheugen gebruikt, kan communiceren via een enkele bus van 13 pinnen en heeft slechts twee tot vier PCB-lagen nodig. (Bron:Infineon Technologies)

De meeste camera-ontwerpen hebben ook een externe NOR-flitser nodig om parameters en andere belangrijke informatie op te slaan die moet worden bewaard wanneer de stroom wordt uitgeschakeld (op batterijen) of als er een stroomstoring is. Met standaard NOR Flash zijn nog eens 10 pinnen nodig voor de businterface, waardoor het pintotaal op 41 komt. Als alternatief voor NOR Flash kunnen OEM's HyperFlash-geheugen gebruiken.

HyperFlash is NOR Flash die gebruikmaakt van de HyperBus-interface. Hierdoor kunnen systemen dezelfde bus gebruiken voor interfaces met zowel HyperRAM- als HyperFlash-apparaten om het totale aantal pinnen nog verder te verminderen. In dit geval zijn er in totaal slechts 13 pinnen nodig voor interfacing:12 pinnen voor gegevensoverdracht en 1 extra pin voor gebruik als chipselectie. Vergelijk dit met de 41+ pinnen die nodig kunnen zijn voor afzonderlijke DDR DRAM- en QSPI NOR Flash-apparaten.

Merk op dat HyperRAM-uitbreidingsgeheugen ook kan worden gebruikt in industriële machine vision-toepassingen als alternatief voor DRAM voor het beeldgeheugen. Met een verpakking met een laag aantal pins is HyperRAM beschikbaar in dichtheden variërend van 64 Mb tot 512 Mb en ondersteunt zowel HyperBus als Octal xSPI JEDEC-compatibele interfaces. HyperBus wordt ondersteund door een ecosysteem van partners en de HyperBus-geheugencontroller is ook beschikbaar als RTL IP voor het implementeren van de controller in een FPGA.

Ontwikkelaars van thermische camera's moeten uitdagingen aangaan die anders zijn dan waarmee ontwerpers van optische camera's worden geconfronteerd. Door een externe geheugentechnologie te selecteren die voldoet aan de vereisten van een warmtebeeldsysteem, kunnen OEM's hun signaaltracering vereenvoudigen, het aantal benodigde PCB-lagen verminderen, de totale systeemkosten verlagen en het stroomverbruik verminderen om de levensduur te verlengen.

Verwante inhoud:

• Sensoren en processors komen samen voor industriële toepassingen
• Hoe seriële Flash-technologie evolueert om te voldoen aan de nieuwe vereisten van Industrie 4.0-ontwerpen
• Waarom FIR-detectietechnologie essentieel is voor het realiseren van volledig autonome voertuigen
• Sensorsystemen in het industriële IoT
• Nieuwe ams-beeldsensoren voor industrieel zicht met hoge doorvoer

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.