【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(cè)量的波長(zhǎng)大于光學(xué)成像中測(cè)量的波長(zhǎng),因此熱成像應(yīng)用的開(kāi)發(fā)人員需要采用與傳統(tǒng)視覺(jué)應(yīng)用不同的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)了解熱成像和光學(xué)成像之間的區(qū)別,開(kāi)發(fā)人員可以優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)以利用正確類型的外部存儲(chǔ)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(cè)量的波長(zhǎng)大于光學(xué)成像中測(cè)量的波長(zhǎng),因此熱成像應(yīng)用的開(kāi)發(fā)人員需要采用與傳統(tǒng)視覺(jué)應(yīng)用不同的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)了解熱成像和光學(xué)成像之間的區(qū)別,開(kāi)發(fā)人員可以優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)以利用正確類型的外部存儲(chǔ)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(jiàn)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(zhǎng)使人眼無(wú)法分辨。
在這個(gè)討論中特別重要的是紅外光譜。紅外光譜提供了一種檢測(cè)和測(cè)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(kāi)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(cè)和工廠狀況監(jiān)測(cè)
o 工廠自動(dòng)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(guò)門窗裂縫散失熱量的位置。
o 夜間監(jiān)控,如周界保護(hù)
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(jī)和火車)
o 野生動(dòng)物保護(hù)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)
o 災(zāi)難救援和恢復(fù)
使用溫度計(jì)的應(yīng)用程序列表繼續(xù)增長(zhǎng)。隨著公司在研發(fā)上投入更多,熱像儀只會(huì)變得更好、更便宜,從而找到更多應(yīng)用的途徑,從娛樂(lè)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(jī)械外殼、紅外傳感器和由圖像處理器、FPGA、存儲(chǔ)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(cè)量環(huán)境中任何物體的熱信號(hào)。
熱傳感器有多種像素配置,從 80 × 60 到 1280 × 1024 像素或更多。請(qǐng)注意,與可見(jiàn)光成像儀相比,這些分辨率較低。由于熱探測(cè)器需要感測(cè)波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)得多的能量,因此每個(gè)傳感器元件也必須大得多。考慮到標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)類相機(jī)的像素尺寸約為 1.7μm,而工業(yè)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)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(hào)。熱像儀具有更大的傳感器,像素尺寸為 25μm。因此,與機(jī)械尺寸相同的可見(jiàn)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(qǐng)注意,雖然較大的像素尺寸會(huì)降低分辨率,但這也意味著可以非常地測(cè)量紅外熱像儀感測(cè)到的熱量。這對(duì)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(cè)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(guò)濾并處理其傳感器和檢測(cè)器生成的信號(hào)。通常 FPGA 中的 RAM 塊不足以存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將不得不依賴片外圖像存儲(chǔ)器來(lái)執(zhí)行諸如運(yùn)行算法、顯示數(shù)據(jù)和緩沖通信等任務(wù)。擴(kuò)展內(nèi)存還提供了額外的好處,允許設(shè)計(jì)可擴(kuò)展以滿足不斷擴(kuò)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(chǔ)。然而,鑒于熱成像的低圖像分辨率要求,片外存儲(chǔ)器要求大大低于光學(xué)相機(jī)的要求。因此,高密度 DRAM 可能會(huì)矯枉過(guò)正并增加產(chǎn)品成本,而不會(huì)提供任何實(shí)際好處。DRAM 通常還需要 30 多個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)傳輸。這些引腳在額外的信號(hào)路由方面增加了系統(tǒng)開(kāi)銷,并且需要額外的 PCB 層來(lái)運(yùn)行這些信號(hào)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(duì) DRAM 的內(nèi)存挑戰(zhàn),相機(jī) 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(jiàn)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(shí)僅需要 12 個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)需實(shí)施昂貴的 DDR DRAM 存儲(chǔ)器控制器,可以在 FPGA 的軟核 IP 中實(shí)施門數(shù)高效的 HyperBus 存儲(chǔ)器控制器,從而使其成為片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的和高效方法(見(jiàn)圖 1)。
圖 1:(左)使用外部 DDR SDRAM 和 NOR 閃存的相機(jī)需要兩條總計(jì) 41 個(gè)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(chǔ)器的相機(jī)可以通過(guò) 13 個(gè)引腳的單總線進(jìn)行通信,并且只需要兩到四個(gè) PCB 層。(:英飛凌科技)
大多數(shù)相機(jī)設(shè)計(jì)還需要外部 NOR Flash 來(lái)存儲(chǔ)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(shí)保留。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) NOR 閃存,總線接口將需要另外 10 個(gè)引腳,使引腳總數(shù)達(dá)到 41 個(gè)。作為 NOR 閃存的替代品,OEM 可以使用HyperFlash存儲(chǔ)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(lái)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(gè)引腳:12 個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)傳輸,另外 1 個(gè)引腳用作芯片選擇。將此與單獨(dú)的 DDR DRAM 和 QSPI NOR 閃存設(shè)備可能需要的 41+ 個(gè)引腳進(jìn)行比較。
請(qǐng)注意,HyperRAM 擴(kuò)展存儲(chǔ)器也可用于工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用,作為圖像存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)控制器。
熱像儀開(kāi)發(fā)人員必須應(yīng)對(duì)與光學(xué)相機(jī)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)不同的挑戰(zhàn)。通過(guò)選擇符合熱成像系統(tǒng)要求的外部存儲(chǔ)器技術(shù),OEM 可以簡(jiǎn)化信號(hào)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(zhǎng)使用壽命。
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