【導(dǎo)讀】熱成像的應(yīng)用范圍很廣,從工業(yè)產(chǎn)品的制造和加工到安全和監(jiān)控。由于熱像儀測量的波長大于光學(xué)成像中測量的波長,因此熱成像應(yīng)用的開發(fā)人員需要采用與傳統(tǒng)視覺應(yīng)用不同的設(shè)計方法。通過了解熱成像和光學(xué)成像之間的區(qū)別,開發(fā)人員可以優(yōu)化他們的設(shè)計以利用正確類型的外部存儲器,從而使系統(tǒng)更小、復(fù)雜性更低、功耗更低,并終降低系統(tǒng)成本。
熱成像的應(yīng)用范圍很廣,從工業(yè)產(chǎn)品的制造和加工到安全和監(jiān)控。由于熱像儀測量的波長大于光學(xué)成像中測量的波長,因此熱成像應(yīng)用的開發(fā)人員需要采用與傳統(tǒng)視覺應(yīng)用不同的設(shè)計方法。通過了解熱成像和光學(xué)成像之間的區(qū)別,開發(fā)人員可以優(yōu)化他們的設(shè)計以利用正確類型的外部存儲器,從而使系統(tǒng)更小、復(fù)雜性更低、功耗更低,并終降低系統(tǒng)成本。
紅外光譜
人眼只能捕捉到更大電磁波譜的一小部分,稱為可見光譜。在該區(qū)域之外還有其他光譜,例如 X 射線、紫外線 (UV)、紅外線 (IR) 和微波,它們的頻率和波長使人眼無法分辨。
在這個討論中特別重要的是紅外光譜。紅外光譜提供了一種檢測和測量物體產(chǎn)生的熱量的方法。這被稱為“熱簽名”。物體越熱,它產(chǎn)生的紅外輻射就越多。
熱像儀是一種可以捕捉紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為我們可以用眼睛看到的圖像的儀器。雖然紅外成像初是為了在夜間定位敵方目標(biāo)而開發(fā)的,但熱成像現(xiàn)在已用于許多不同類型的應(yīng)用,包括:
o 預(yù)防性早期火災(zāi)探測和工廠狀況監(jiān)測
o 工廠自動化中的制造和加工(工業(yè) 4.0)
o 節(jié)能,例如確定房屋可能通過門窗裂縫散失熱量的位置。
o 夜間監(jiān)控,如周界保護
o 天氣跟蹤,例如風(fēng)暴和颶風(fēng)
o 不同病癥和疾病的診斷。
o 檢查車輛(例如,飛機和火車)
o 野生動物保護、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)
o 災(zāi)難救援和恢復(fù)
使用溫度計的應(yīng)用程序列表繼續(xù)增長。隨著公司在研發(fā)上投入更多,熱像儀只會變得更好、更便宜,從而找到更多應(yīng)用的途徑,從娛樂到研究。
熱像儀可用于選擇傳感器、視野、幀速率和物理配置。熱像儀由帶鏡頭的機械外殼、紅外傳感器和由圖像處理器、FPGA、存儲器、通信和顯示電子設(shè)備組成的處理電子設(shè)備組成。鏡頭將紅外能量聚焦到傳感器上,傳感器測量環(huán)境中任何物體的熱信號。
熱傳感器有多種像素配置,從 80 × 60 到 1280 × 1024 像素或更多。請注意,與可見光成像儀相比,這些分辨率較低。由于熱探測器需要感測波長比可見光長得多的能量,因此每個傳感器元件也必須大得多。考慮到標(biāo)準(zhǔn)消費類相機的像素尺寸約為 1.7μm,而工業(yè)機器視覺相機的像素尺寸范圍為 4.6μm 至 6.5μm,具有更大的光活性表面以獲得更好的信號。熱像儀具有更大的傳感器,像素尺寸為 25μm。因此,與機械尺寸相同的可見傳感器相比,熱像儀的分辨率通常要低得多(即,總像素更少)。
請注意,雖然較大的像素尺寸會降低分辨率,但這也意味著可以非常地測量紅外熱像儀感測到的熱量。這對于各種各樣的應(yīng)用程序很重要。例如,一些熱像儀可以檢測到微小的熱量差異(小至 0.01°C),并將它們顯示為灰色陰影或使用不同的調(diào)色板。
記憶挑戰(zhàn)
熱像儀中的 FPGA 過濾并處理其傳感器和檢測器生成的信號。通常 FPGA 中的 RAM 塊不足以存儲和處理數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將不得不依賴片外圖像存儲器來執(zhí)行諸如運行算法、顯示數(shù)據(jù)和緩沖通信等任務(wù)。擴展內(nèi)存還提供了額外的好處,允許設(shè)計可擴展以滿足不斷擴展的密度要求。
傳統(tǒng)上,OEM 已將 DRAM 用于利用 DDR 接口的片外存儲。然而,鑒于熱成像的低圖像分辨率要求,片外存儲器要求大大低于光學(xué)相機的要求。因此,高密度 DRAM 可能會矯枉過正并增加產(chǎn)品成本,而不會提供任何實際好處。DRAM 通常還需要 30 多個引腳用于數(shù)據(jù)傳輸。這些引腳在額外的信號路由方面增加了系統(tǒng)開銷,并且需要額外的 PCB 層來運行這些信號跡線。此外,由于 DRAM 是易失性的,因此需要定期刷新單元以保存數(shù)據(jù)。因此,使用太大的 DRAM 意味著更高的功耗,直接影響電池供電的熱成像應(yīng)用的使用壽命。
為了應(yīng)對 DRAM 的內(nèi)存挑戰(zhàn),相機 OEM 正在使用替代內(nèi)存技術(shù),例如HyperRAM內(nèi)存。HyperRAM 基于 DRAM 架構(gòu)并包含內(nèi)置自刷新電路。HyperRAM 僅需要 25mA 的工作電流,功耗僅為 DRAM 的一小部分(見表 1),使其能效足以滿足便攜式應(yīng)用的需求。
表:HyperRAM 與單數(shù)據(jù)速率 (SDR) DRAM 的比較。[*注意:比較是使用 64Mb 設(shè)備作為基礎(chǔ)。](:Infineon Technologies)
HyperBus內(nèi)存接口和協(xié)議提供相當(dāng)于 DDR 的吞吐量 – 400MBps – 同時僅需要 12 個引腳用于數(shù)據(jù)傳輸。無需實施昂貴的 DDR DRAM 存儲器控制器,可以在 FPGA 的軟核 IP 中實施門數(shù)高效的 HyperBus 存儲器控制器,從而使其成為片外擴展存儲器的和高效方法(見圖 1)。
圖 1:(左)使用外部 DDR SDRAM 和 NOR 閃存的相機需要兩條總計 41 個引腳的內(nèi)存總線,從而將 PCB 層數(shù)增加到六層或更多。(右)使用 HyperRAM 和 HyperFlash 作為外部存儲器的相機可以通過 13 個引腳的單總線進(jìn)行通信,并且只需要兩到四個 PCB 層。(:英飛凌科技)
大多數(shù)相機設(shè)計還需要外部 NOR Flash 來存儲參數(shù)和其他重要信息,這些信息需要在電源關(guān)閉(電池供電)或斷電時保留。對于標(biāo)準(zhǔn) NOR 閃存,總線接口將需要另外 10 個引腳,使引腳總數(shù)達(dá)到 41 個。作為 NOR 閃存的替代品,OEM 可以使用HyperFlash存儲器。
HyperFlash 是使用 HyperBus 接口的 NOR Flash。這使系統(tǒng)能夠利用相同的總線來連接 HyperRAM 和 HyperFlash 設(shè)備,以進(jìn)一步減少總引腳數(shù)。在這種情況下,接口總共只需要 13 個引腳:12 個引腳用于數(shù)據(jù)傳輸,另外 1 個引腳用作芯片選擇。將此與單獨的 DDR DRAM 和 QSPI NOR 閃存設(shè)備可能需要的 41+ 個引腳進(jìn)行比較。
請注意,HyperRAM 擴展存儲器也可用于工業(yè)機器視覺應(yīng)用,作為圖像存儲器 DRAM 的替代品。HyperRAM 采用低引腳數(shù)封裝,密度范圍從 64Mb 到 512Mb,支持 HyperBus 和八通道 xSPI JEDEC 兼容接口。HyperBus 得到合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)的支持,并且 HyperBus 內(nèi)存控制器也可用作 RTL IP,用于在 FPGA 中實現(xiàn)控制器。
熱像儀開發(fā)人員必須應(yīng)對與光學(xué)相機設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)不同的挑戰(zhàn)。通過選擇符合熱成像系統(tǒng)要求的外部存儲器技術(shù),OEM 可以簡化信號跟蹤、減少所需的 PCB 層數(shù)、降低總體系統(tǒng)成本并降低功耗以延長使用壽命。
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