减小红外热成像应用的尺寸、功率和成本

热成像用于广泛的应用，从工业产品的制造和加工到安全和监控。由于热像仪测量的波长大于光学成像测量的波长，因此热成像应用的开发人员需要采用不同于传统视觉应用的设计方法。通过了解热成像和光学成像之间的差异，开发人员可以优化他们的设计以利用正确类型的外部存储器，从而缩小系统、降低复杂性、降低功耗并最终降低系统成本。

红外光谱

人眼只能捕捉到称为可见光谱的更大电磁波谱中的一小部分。在该区域之外还有其他光谱，例如 X 射线、紫外线 (UV)、红外线 (IR) 和微波，其频率和波长使人眼无法分辨。

在这个讨论中特别重要的是红外光谱。红外光谱提供了一种检测和测量物体产生的热量的方法。这被称为“热特征”。物体越热，它产生的红外辐射就越多。

热像仪是一种可以捕获红外辐射并将其转换为我们可以用肉眼看到的图像的仪器。虽然红外成像最初是为了在夜间定位敌方目标而开发的，但现在热成像已用于许多不同类型的应用，包括：

• 预防性早期火灾探测和工厂状态监测
• 工厂自动化中的制造和加工（工业 4.0）
• 节能，例如确定房屋可能通过门窗裂缝散热的位置。
• 夜间监视，例如周界保护
• 天气跟踪，例如风暴和飓风
• 诊断不同的障碍和疾病。
• 检查车辆（例如飞机和火车）
• 野生动物保护、农业、畜牧业
• 灾难救援与恢复

使用温度测量的应用列表不断增加。随着公司在研发上投入更多资金，热像仪只会变得更好、更便宜，从而进入更多的应用领域，从娱乐到研究。

热像仪有多种传感器、视野、帧率和物理配置可供选择。热像仪由带有镜头的机械外壳、红外传感器和处理电子设备组成，处理电子设备包括图像处理器、FPGA、存储器、通信和显示电子设备。镜头将红外能量聚焦到传感器上，传感器可测量环境中任何物体的热特征。

热传感器有多种像素配置，从 80 × 60 到 1280 × 1024 像素或更多。请注意，与可见光成像仪相比，这些分辨率较低。由于热探测器需要检测波长比可见光大得多的能量，因此每个传感器元件也必须大得多。考虑到标准消费类相机的像素尺寸约为 1.7μm，而工业机器视觉相机的像素尺寸范围为 4.6μm 至 6.5μm，具有更大的光活性表面以获得更好的信号。热像仪具有更大的传感器，像素尺寸为 25µm。因此，热像仪的分辨率通常比相同机械尺寸的可见光传感器低得多（即整体像素更少）。

请注意，虽然较大的像素尺寸会降低分辨率，但这也意味着可以非常精确地测量红外摄像机感测到的热量。这对于大量的应用程序很重要。例如，一些热像仪可以检测到微小的热量差异（小至 0.01°C），并将其显示为灰色阴影或使用不同的调色板。

内存挑战

热像仪内的 FPGA 过滤并处理其传感器和探测器产生的信号。通常，FPGA 中的 RAM 块不足以存储和处理数据。系统将不得不依赖片外图像存储器来执行诸如运行算法、显示数据和缓冲通信等任务。扩展内存还提供了额外的好处，允许设计可扩展以满足扩展密度要求。

传统上，OEM 使用 DRAM 来利用 DDR 接口进行片外存储。然而，考虑到热成像对图像分辨率的要求较低，片外存储器的要求远低于光学相机的要求。因此，高密度 DRAM 可能会过度杀伤并增加产品成本，而不会提供任何真正的好处。 DRAM 通常还需要 30 个以上的引脚来进行数据传输。这些引脚在额外的信号路由和需要额外的 PCB 层来运行这些信号走线方面增加了系统开销。此外，由于 DRAM 是易失性的，因此需要定期刷新单元以保存数据。因此，使用太大的 DRAM 意味着更高的功耗，直接影响电池供电的热成像应用的使用寿命。

为了解决 DRAM 的内存挑战，相机 OEM 正在使用替代内存技术，例如 HyperRAM 内存。 HyperRAM 基于 DRAM 架构，包括内置的自刷新电路。 HyperRAM 仅需要 25mA 的有效电流，功耗仅为 DRAM 的一小部分（见表 1），因此对于便携式应用而言，其功率效率足够高。

表：HyperRAM 与单数据速率 (SDR) DRAM 的比较。 [*注：比较以 64Mb 设备为基础。]（来源：Infineon Technologies）

HyperBus 存储器接口和协议提供与 DDR 等效的吞吐量 – 400MBps – 同时仅需要 12 个引脚进行数据传输。不必实施昂贵的 DDR DRAM 内存控制器，门数高效的 HyperBus 内存控制器可以在 FPGA 的软 IP 中实施，使其成为片外扩展内存的最佳和高效方法（见图 1）。

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图 1：（左）使用外部 DDR SDRAM 和 NOR 闪存的相机需要两条内存总线，总共 41 个引脚，这将 PCB 层数增加到六个或更多。 （右）使用 HyperRAM 和 HyperFlash 作为外部存储器的相机可以通过 13 个引脚的单一总线进行通信，并且只需要两到四个 PCB 层。 （来源：英飞凌科技）

大多数相机设计还需要外部 NOR Flash 来存储参数和其他重要信息，这些信息需要在电源关闭（电池供电）或出现电源故障时保留。使用标准 NOR Flash，总线接口将需要另外 10 个引脚，使引脚总数达到 41 个。作为 NOR Flash 的替代方案，OEM 可以使用 HyperFlash 存储器。

HyperFlash 是使用 HyperBus 接口的 NOR Flash。这使系统能够利用相同的总线与 HyperRAM 和 HyperFlash 设备连接，从而进一步减少总引脚数。在这种情况下，接口总共只需要 13 个引脚：12 个引脚用于数据传输，另外 1 个引脚用作芯片选择。将此与单独的 DDR DRAM 和 QSPI NOR 闪存设备可能需要的 41 多个引脚进行比较。

请注意，HyperRAM 扩展存储器也可用于工业机器视觉应用，作为图像存储器的 DRAM 的替代方案。 HyperRAM 采用低引脚数封装，密度范围从 64Mb 到 512Mb，支持 HyperBus 和 Octal xSPI JEDEC 兼容接口。 HyperBus 得到合作伙伴生态系统的支持，HyperBus 内存控制器也可用作 RTL IP，用于在 FPGA 中实现控制器。

热像仪开发人员必须解决与光学相机设计人员面临的挑战不同的挑战。通过选择符合热成像系统要求的外部存储器技术，OEM 可以简化信号跟踪、减少所需的 PCB 层数、降低整体系统成本并降低功耗以延长使用寿命。

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