減小紅外熱成像應(yīng)用的尺寸、功耗和成本

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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(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(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。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(jī)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(gè)傳感器元件也必須大得多?？紤]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。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(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。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(jī)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(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路由方面增加了系統(tǒng)開銷，并且需要額外的 PCB 層來運(yùn)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(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。無需實(shí)施昂貴的 DDR DRAM 存儲器控制器，可以在 FPGA 的軟核 IP 中實(shí)施門數(shù)高效的 HyperBus 存儲器控制器，從而使其成為片外擴(kuò)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(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 作為外部存儲器的相機(jī)可以通過 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(shí)保留。對于標(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(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。

請注意，HyperRAM 擴(kuò)展存儲器也可用于工業(yè)機(jī)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(shí)現(xiàn)控制器。

熱像儀開發(fā)人員必須應(yīng)對與光學(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。