Optimaliseren van grootte, stroom en kosten in infrarood thermische beeldsystemen

Thermische beeldvorming beslaat industriële productie, beveiliging, en milieu-monitoring. Omdat infrarood-golflengtes verschillen van zichtbaar licht, moeten ontwerpers hardware afstemmen voor optimale prestaties – wat resulteert in kleinere, lager-stroom, en meer kosteneffectieve systemen.

Het Infrarood-spectrum

Het menselijk oog vangt alleen het zichtbare deel van het elektromagnetisch spectrum. Infrarood (IR) straling ligt buiten zichtbaar licht en is de sleutel tot het detecteren van warmtehandtekeningen – de temperatuur van een object dicteert direct zijn IR-uitgang.

Oorspronkelijk gebruikt voor nachtelijke doeelwitaanwinst, dienen thermische camera's nu een breed scala aan doeleinden, waaronder:

• Vroege branddetectie en plantengezondheidsmonitoring
• Fabrieksautomatisering en Industrie 4.0-processen
• Energie-audits die warmtelekkages in gebouwen lokaliseren
• Nachtelijke perimeter- en wildlife-bewaking
• Storm- en orkaan-tracking
• Medische diagnostiek van temperatuurafwijkingen
• Inspectie van vliegtuigen, treinen, en ander zwaar materieel
• Wildlife-bescherming en precisielandbouw
• Rampenreactie en reddingsoperaties

De groeiende lijst met toepassingen drijft doorlopende R&D-investeringen, wat thermische camera's steeds krachtiger en betaalbaarder maakt.

Een typische thermische camera bestaat uit een behuizing, lens, IR-sensor, en on-board elektronica – beeldprocessor, FPGA, geheugen, communicatie, en display-circuits. De lens concentreert IR-energie op de sensor, die de warmtehandtekening omzet in een zichtbaar beeld.

IR-sensoren zijn beschikbaar van 80 × 60 tot 1280 × 1024 pixels. Vergeleken met zichtbaar-licht camera's, moet elk pixel groter zijn (≈ 25 µm versus 1,7 µm in consumentensensors) om de langere golflengtes vast te leggen. Als gevolg hebben thermische camera's een lagere algehele resolutie, maar de grotere pixelgrootte stelt precieze temperatuurmething toe – sommige modellen detecteren verschillen van maar 0,01 °C.

Geheugenuitdagingen

De FPGA in een thermische camera verwerkt ruwe sensordata. De interne RAM is vaak onvoldoende, dus ontwerpers vertrouwen op off-chip geheugen voor algoritmes, display-buffering, en communicatie. Off-chip opslag biedt ook schaalbaarheid voor toekomstige dichtheidstoenames.

Traditioneel wordt DDR DRAM hiervoor gebruikt. Echter, de bescheidene resolutie van thermische beelden betekent dat hoog-dichtheid DRAM onnodig is, wat kosten, extra pennen, en stroomverbruik toevoegt. DRAM's volatiliteit vereist periodieke refresh, wat het verbruik verder verhoogt – een probleem voor batterij-aangedreven apparaten.

Infineon's HyperRAM adresseert deze beperkingen. Gebouwd op een DRAM-kern met ingebouwde self-refresh, trekt HyperRAM slechts 25 mA, wat de stroom dramatisch vermindert terwijl vergelijkbare doorvoer (≈ 400 MB/s) wordt geleverd. Het gebruikt een 12-pin HyperBus-interface, veel minder dan DDR's 30+ pennen, wat PCB-routing en laag-aantal vereenvoudigt.

Tabel: HyperRAM vs SDR DRAM (64 Mb device). Bron: Infineon Technologies

De HyperBus Memory Controller kan als soft IP in de FPGA geïmplementeerd worden, wat de behoefte aan een bulky DDR-controller elimineert. Figuur 1 toont het pin-voordeel: een DDR-gebaseerd systeem vereist twee bussen met in totaal 41 pennen en zes PCB-lagen, terwijl een HyperRAM/HyperFlash-systeem een enkele 13-pin bus en slechts twee tot vier lagen gebruikt.

Figuur 1: Pin-count vergelijking tussen DDR-SDRAM/NOR Flash en HyperRAM/HyperFlash. Bron: Infineon Technologies

Externe NOR Flash is ook gebruikelijk voor non-volatile configuratie-opslag. HyperFlash – NOR Flash met de HyperBus-interface – kan dezelfde 13-pin bus delen als HyperRAM, wat pin-count reduceert van 41+ naar slechts 13. HyperFlash en HyperRAM zijn beschikbaar in 64–512 Mb dichtheden, met HyperBus en Octal xSPI JEDEC-compliant interfaces.

Door geheugen te selecteren dat past bij thermische beeldvereisten, kunnen OEM's PCB-ontwerp stroomlijnen, kosten verlagen, stroomverbruik snijden, en batterijduur verlengen.

Gerelateerde inhoud:

• Sensoren en processoren convergeren voor industriële toepassingen
• Hoe seriële Flash-technologie evolueert om te voldoen aan nieuwe eisen van Industrie 4.0-ontwerpen
• Waarom FIR-sensing-technologie essentieel is voor volledig autonome voertuigen
• Sensorsystemen in de industriële IoT
• Nieuwe ams-beeldsensoren voor hoge-doorvoer industriële visie

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.