减小红外热成像应用的尺寸、功耗和成本

热成像的应用范围很广，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中测量的波长，因此热成像应用的开发人员需要采用与传统视觉应用不同的设计方法。通过了解热成像和光学成像之间的区别，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，从而使系统更小、复杂性更低、功耗更低，并终降低系统成本。

红外光谱

人眼只能捕捉到更大电磁波谱的一小部分，称为可见光谱。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，它们的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“热签名”。物体越热，它产生的红外辐射就越多。

热像仪是一种可以捕捉红外辐射并将其转换为我们可以用眼睛看到的图像的仪器。虽然红外成像初是为了在夜间定位敌方目标而开发的，但热成像现在已用于许多不同类型的应用，包括：

o 预防性早期火灾探测和工厂状况监测
o 工厂自动化中的制造和加工（工业 4.0）
o 节能，例如确定房屋可能通过门窗裂缝散失热量的位置。
o 夜间监控，如周界保护
o 天气跟踪，例如风暴和飓风
o 不同病症和疾病的诊断。
o 检查车辆（例如，飞机和火车）
o 野生动物保护、农业、畜牧业
o 灾难救援和恢复

使用温度计的应用程序列表继续增长。随着公司在研发上投入更多，热像仪只会变得更好、更便宜，从而找到更多应用的途径，从娱乐到研究。 

热像仪可用于选择传感器、视野、帧速率和物理配置。热像仪由带镜头的机械外壳、红外传感器和由图像处理器、FPGA、存储器、通信和显示电子设备组成的处理电子设备组成。镜头将红外能量聚焦到传感器上，传感器测量环境中任何物体的热信号。

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。由于热探测器需要感测波长比可见光长得多的能量，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，与机械尺寸相同的可见传感器相比，热像仪的分辨率通常要低得多（即，总像素更少）。

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地测量红外热像仪感测到的热量。这对于各种各样的应用程序很重要。例如，一些热像仪可以检测到微小的热量差异（小至 0.01°C），并将它们显示为灰色阴影或使用不同的调色板。

记忆挑战

热像仪中的 FPGA 过滤并处理其传感器和检测器生成的信号。通常 FPGA 中的 RAM 块不足以存储和处理数据。该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不断扩展的密度要求。

传统上，OEM 已将 DRAM 用于利用 DDR 接口的片外存储。然而，鉴于热成像的低图像分辨率要求，片外存储器要求大大低于光学相机的要求。因此，高密度 DRAM 可能会矫枉过正并增加产品成本，而不会提供任何实际好处。DRAM 通常还需要 30 多个引脚用于数据传输。这些引脚在额外的信号路由方面增加了系统开销，并且需要额外的 PCB 层来运行这些信号迹线。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。

为了应对 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 架构并包含内置自刷新电路。HyperRAM 仅需要 25mA 的工作电流，功耗仅为 DRAM 的一小部分（见表 1），使其能效足以满足便携式应用的需求。

表：HyperRAM 与单数据速率 (SDR) DRAM 的比较。[*注意：比较是使用 64Mb 设备作为基础。]（：Infineon Technologies）

HyperBus内存接口和协议提供相当于 DDR 的吞吐量 – 400MBps – 同时仅需要 12 个引脚用于数据传输。无需实施昂贵的 DDR DRAM 存储器控制器，可以在 FPGA 的软核 IP 中实施门数高效的 HyperBus 存储器控制器，从而使其成为片外扩展存储器的和高效方法（见图 1）。

图 1：（左）使用外部 DDR SDRAM 和 NOR 闪存的相机需要两条总计 41 个引脚的内存总线，从而将 PCB 层数增加到六层或更多。（右）使用 HyperRAM 和 HyperFlash 作为外部存储器的相机可以通过 13 个引脚的单总线进行通信，并且只需要两到四个 PCB 层。（：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）或断电时保留。对于标准 NOR 闪存，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 闪存的替代品，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来连接 HyperRAM 和 HyperFlash 设备，以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+ 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 DRAM 的替代品。HyperRAM 采用低引脚数封装，密度范围从 64Mb 到 512Mb，支持 HyperBus 和八通道 xSPI JEDEC 兼容接口。HyperBus 得到合作伙伴生态系统的支持，并且 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应对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、降低总体系统成本并降低功耗以延长使用寿命。