Reduzierung von Größe, Leistung und Kosten für Infrarot-Wärmebildanwendungen

Die Wärmebildtechnik wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Herstellung und Verarbeitung von Industrieprodukten bis hin zu Sicherheit und Überwachung. Da die von Wärmebildkameras gemessenen Wellenlängen größer sind als diejenigen, die bei der optischen Bildgebung gemessen werden, müssen Entwickler von Wärmebildanwendungen anders an das Design herangehen als bei herkömmlichen Bildverarbeitungsanwendungen. Durch das Verständnis der Unterschiede zwischen thermischer und optischer Bildgebung können Entwickler ihre Designs optimieren, um die richtige Art von externem Speicher zu verwenden, was zu kleineren Systemen, geringerer Komplexität, geringerem Stromverbrauch und letztendlich niedrigeren Systemkosten führt.

Das Infrarotspektrum

Das menschliche Auge kann nur einen sehr kleinen Teil des größeren elektromagnetischen Spektrums erfassen, das als sichtbares Spektrum bezeichnet wird. Außerhalb dieses Bereichs liegen andere Spektren wie Röntgen, Ultraviolett (UV), Infrarot (IR) und Mikrowelle, deren Frequenz und Wellenlänge sie für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar machen.

Von besonderer Bedeutung in dieser Diskussion ist das IR-Spektrum. Das IR-Spektrum bietet eine Möglichkeit, die von einem Objekt erzeugte Wärme zu erkennen und zu messen. Dies wird als „Wärmesignatur“ bezeichnet. Je heißer ein Objekt ist, desto mehr Infrarotstrahlung erzeugt es.

Wärmebildkameras sind Instrumente, die Infrarotstrahlung erfassen und in ein Bild umwandeln können, das wir dann mit unseren Augen sehen können. Obwohl die Infrarot-Bildgebung ursprünglich entwickelt wurde, um feindliche Ziele bei Nacht zu orten, wird die Wärmebildgebung heute in vielen verschiedenen Arten von Anwendungen verwendet, darunter:

• Präventive Brandfrüherkennung und Anlagenzustandsüberwachung
• Fertigung und Verarbeitung in der Fabrikautomation (Industrie 4.0)
• Energieeinsparung, z. B. das Erkennen, wo ein Haus durch Tür- und Fensterrisse Wärme verlieren könnte.
• Nachtüberwachung, z. B. Perimeterschutz
• Wetterverfolgung, z. B. von Stürmen und Hurrikanen
• Diagnose verschiedener Störungen und Krankheiten.
• Inspektion von Fahrzeugen (z. B. Flugzeugen und Zügen)
• Wildtierschutz, Landwirtschaft, Tierhaltung
• Notfallrettung und Wiederherstellung

Die Liste der Anwendungen, die die Thermometrie nutzen, wächst weiter. Da Unternehmen mehr in Forschung und Entwicklung investieren, werden Wärmebildkameras nur besser und billiger und finden so ihren Weg in noch mehr Anwendungen, von der Freizeit bis zur Forschung.

Wärmebildkameras sind in verschiedenen Sensoren, Sichtfeldern, Bildraten und physischen Konfigurationen erhältlich. Eine Wärmebildkamera besteht aus einem mechanischen Gehäuse mit Objektiv, Infrarotsensor und Verarbeitungselektronik bestehend aus Bildprozessor, FPGA, Speicher, Kommunikations- und Anzeigeelektronik. Das Objektiv fokussiert Infrarotenergie auf den Sensor, der die Wärmesignatur aller Objekte in der Umgebung misst.

Wärmesensoren gibt es in einer Vielzahl von Pixelkonfigurationen, von 80 × 60 bis 1280 × 1024 Pixel oder mehr. Beachten Sie, dass diese Auflösungen im Vergleich zu Bildgeräten für sichtbares Licht niedrig sind. Da thermische Detektoren Energie mit viel größeren Wellenlängen als sichtbares Licht erfassen müssen, muss auch jedes Sensorelement deutlich größer sein. Bedenken Sie, dass Standard-Consumer-Kameras eine Pixelgröße von etwa 1,7 µm haben, während industrielle Bildverarbeitungskameras Pixelgrößen von 4,6 µm bis 6,5 µm mit einer größeren lichtaktiven Oberfläche haben, um ein besseres Signal zu erhalten. Wärmebildkameras verfügen über noch größere Sensoren mit einer Pixelgröße von 25 µm. Daher hat eine Wärmebildkamera normalerweise eine viel geringere Auflösung (d. h. insgesamt weniger Pixel) als sichtbare Sensoren der gleichen mechanischen Größe.

Beachten Sie, dass eine größere Pixelgröße zwar die Auflösung verringert, aber auch bedeutet, dass die von einer Infrarotkamera erfasste Wärme sehr genau gemessen werden kann. Dies ist für eine Vielzahl von Anwendungen wichtig. Einige Wärmebildkameras können beispielsweise winzige Wärmeunterschiede – bis zu 0,01 °C – erkennen und sie als Graustufen oder in verschiedenen Farbpaletten anzeigen.

Speicherherausforderungen

Das FPGA innerhalb einer Wärmebildkamera filtert und verarbeitet die von seinen Sensoren und Detektoren erzeugten Signale. Oft reicht der RAM-Block innerhalb des FPGA nicht aus, um die Daten zu speichern und zu verarbeiten. Das System muss für Aufgaben wie das Ausführen von Algorithmen, das Anzeigen von Daten und das Puffern der Kommunikation auf einen Bildspeicher außerhalb des Chips angewiesen sein. Der Erweiterungsspeicher bietet außerdem den zusätzlichen Vorteil, dass das Design skalierbar ist, um die wachsenden Dichteanforderungen zu erfüllen.

Traditionell haben OEMs DRAM für Off-Chip-Speicher unter Verwendung einer DDR-Schnittstelle verwendet. Angesichts der geringen Bildauflösungsanforderungen der Wärmebildgebung sind jedoch die Anforderungen an den Off-Chip-Speicher wesentlich geringer als bei optischen Kameras. Als solches kann ein DRAM mit hoher Dichte übertrieben sein und die Produktkosten erhöhen, ohne einen wirklichen Vorteil zu bieten. DRAMs benötigen außerdem typischerweise mehr als 30 Pins für die Datenübertragung. Diese Pins erhöhen den System-Overhead in Bezug auf zusätzliches Signalrouting und erfordern zusätzliche PCB-Schichten, um diese Signalspuren zu führen. Da DRAM außerdem flüchtig ist, müssen Zellen periodisch aufgefrischt werden, um Daten zu bewahren. Daher bedeutet die Verwendung eines zu großen DRAM einen höheren Stromverbrauch, was sich direkt auf die Betriebslebensdauer für batteriebetriebene Wärmebildanwendungen auswirkt.

Um den Speicherherausforderungen von DRAM zu begegnen, verwenden Kamera-OEMs alternative Speichertechnologien wie HyperRAM-Speicher. HyperRAM basiert auf der DRAM-Architektur und enthält eine eingebaute Selbstauffrischungsschaltung. Da ein aktiver Strom von nur 25 mA benötigt wird, beträgt der Stromverbrauch von HyperRAM nur einen Bruchteil dessen im Vergleich zu DRAMs (siehe Tabelle 1), wodurch es für tragbare Anwendungen energieeffizient genug ist.

Tabelle:Vergleich zwischen HyperRAM und Single Data Rate (SDR) DRAM. [*Hinweis:Vergleich verwendet ein 64-Mb-Gerät als Basis.] (Quelle:Infineon Technologies)

Die HyperBus-Speicherschnittstelle und das Protokoll bieten durchgängig DDR-Äquivalent – ​​400 MB/s – und benötigen dabei nur 12 Pins für die Datenübertragung. Anstatt einen kostspieligen DDR-DRAM-Speichercontroller implementieren zu müssen, kann ein HyperBus-Speichercontroller mit effizienter Gateanzahl in Soft-IP im FPGA implementiert werden, was dies zu einem optimalen und effizienten Ansatz für Off-Chip-Erweiterungsspeicher macht (siehe Abbildung 1).

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Abbildung 1:(Links) Eine Kamera mit externem DDR-SDRAM und NOR-Flash benötigt zwei Speicherbusse mit insgesamt 41 Pins, die die PCB-Schichten auf sechs oder mehr erhöhen. (Rechts) Eine Kamera, die HyperRAM und HyperFlash für externen Speicher verwendet, kann über einen einzigen Bus mit 13 Pins kommunizieren und benötigt nur zwei bis vier PCB-Schichten. (Quelle:Infineon Technologies)

Bei den meisten Kameradesigns ist außerdem ein externer NOR-Blitz erforderlich, um Parameter und andere wichtige Informationen zu speichern, die beim Ausschalten (batteriebetrieben) oder bei einem Stromausfall erhalten bleiben müssen. Mit Standard-NOR-Flash werden weitere 10 Pins für die Busschnittstelle benötigt, wodurch sich die Pin-Gesamtzahl auf 41 erhöht. Als Alternative zu NOR-Flash können OEMs HyperFlash-Speicher verwenden.

HyperFlash ist NOR-Flash, das die HyperBus-Schnittstelle verwendet. Dadurch können Systeme denselben Bus für die Verbindung mit HyperRAM- und HyperFlash-Geräten verwenden, um die Gesamtzahl der Pins noch weiter zu reduzieren. In diesem Fall wären insgesamt nur 13 Pins für die Schnittstelle erforderlich:12 Pins für die Datenübertragung und 1 zusätzlicher Pin für die Verwendung als Chip-Select. Vergleichen Sie dies mit den über 41 Pins, die möglicherweise für separate DDR DRAM- und QSPI-NOR-Flash-Geräte erforderlich sind.

Beachten Sie, dass HyperRAM-Erweiterungsspeicher auch in industriellen Bildverarbeitungsanwendungen als Alternative zu DRAM für den Bildspeicher verwendet werden können. Mit Low-Pin-Count-Packaging ist HyperRAM in Dichten von 64 MB bis 512 MB verfügbar und unterstützt sowohl HyperBus- als auch Octal xSPI JEDEC-kompatible Schnittstellen. HyperBus wird von einem Ökosystem von Partnern unterstützt, und der HyperBus-Speichercontroller ist auch als RTL-IP für die Implementierung des Controllers in einem FPGA erhältlich.

Entwickler von Wärmebildkameras müssen sich anderen Herausforderungen stellen als Entwickler optischer Kameras. Durch die Auswahl einer externen Speichertechnologie, die den Anforderungen eines Wärmebildsystems entspricht, können OEMs ihre Signalverfolgung vereinfachen, die Anzahl der benötigten PCB-Schichten reduzieren, die Gesamtsystemkosten senken und den Stromverbrauch senken, um die Betriebslebensdauer zu verlängern.

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