【導讀】熱成像的應用范圍很廣，從工業(yè)產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成像中測量的波長，因此熱成像應用的開發(fā)人員需要采用與傳統(tǒng)視覺應用不同的設計方法。通過了解熱成像和光學成像之間的區(qū)別，開發(fā)人員可以優(yōu)化他們的設計以利用正確類型的外部存儲器，從而使系統(tǒng)更小、復雜性更低、功耗更低，并終降低系統(tǒng)成本。
熱成像的應用范圍很廣，從工業(yè)產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成像中測量的波長，因此熱成像應用的開發(fā)人員需要采用與傳統(tǒng)視覺應用不同的設計方法。通過了解熱成像和光學成像之間的區(qū)別，開發(fā)人員可以優(yōu)化他們的設計以利用正確類型的外部存儲器，從而使系統(tǒng)更小、復雜性更低、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生的熱量的方法。這被稱為“熱簽名”。物體越熱，它產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而開發(fā)的，但熱成像現(xiàn)在已用于許多不同類型的應用，包括：
o 預防性早期火災探測和工廠狀況監(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，例如風暴和颶風
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、農業(yè)、畜牧業(yè)
o 災難救援和恢復
使用溫度計的應用程序列表繼續(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、通信和顯示電子設備組成的處理電子設備組成。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?？紤]到標準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。擴展內存還提供了額外的好處，允許設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相機的要求。因此，高密度 DRAM 可能會矯枉過正并增加產品成本，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用的使用壽命。
為了應對 DRAM 的內存挑戰(zhàn)，相機 OEM 正在使用替代內存技術，例如HyperRAM內存。HyperRAM 基于 DRAM 架構并包含內置自刷新電路。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 設備作為基礎。]（：Infineon Technologies）
HyperBus內存接口和協(xié)議提供相當于 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閉（電池供電）或斷電時保留。對于標準 NOR 閃存，總線接口將需要另外 10 個引腳，使引腳總數(shù)達到 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 設備，以進一步減少總引腳數(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 閃存設備可能需要的 41+ 個引腳進行比較。
請注意，HyperRAM 擴展存儲器也可用于工業(yè)機器視覺應用，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)人員必須應對與光學相機設計人員面臨的挑戰(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，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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