Mengurangi ukuran, daya, dan biaya untuk aplikasi pencitraan termal inframerah

Pencitraan termal digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari pembuatan dan pemrosesan produk industri hingga keamanan dan pengawasan. Karena panjang gelombang yang diukur oleh kamera termal lebih besar daripada yang diukur dalam pencitraan optik, pengembang aplikasi pencitraan termal perlu mendekati desain secara berbeda daripada yang digunakan dalam aplikasi penglihatan tradisional. Dengan memahami perbedaan antara pencitraan termal dan optik, pengembang dapat mengoptimalkan desain mereka untuk memanfaatkan jenis memori eksternal yang tepat yang menghasilkan sistem yang lebih kecil, kompleksitas yang lebih rendah, konsumsi daya yang berkurang, dan pada akhirnya menurunkan biaya sistem.

Spektrum Inframerah

Mata manusia hanya mampu menangkap sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik yang lebih besar yang disebut spektrum tampak. Di luar wilayah ini terdapat spektrum lain seperti sinar-x, ultraviolet (UV), inframerah (IR), dan gelombang mikro yang frekuensi dan panjang gelombangnya membuatnya tidak terlihat oleh mata manusia.

Yang sangat penting dalam diskusi ini adalah spektrum IR. Spektrum IR menyediakan sarana untuk mendeteksi dan mengukur panas yang dihasilkan oleh suatu objek. Ini disebut sebagai "tanda tangan panas". Semakin panas suatu benda, semakin banyak radiasi inframerah yang dihasilkannya.

Kamera termal adalah instrumen yang dapat menangkap radiasi infra merah dan mengubahnya menjadi gambar yang kemudian dapat kita lihat dengan mata kita. Meskipun pencitraan inframerah pada awalnya dikembangkan untuk menemukan target musuh di malam hari, pencitraan termal sekarang digunakan di berbagai jenis aplikasi termasuk:

• Deteksi dini pencegahan kebakaran dan pemantauan kondisi pabrik
• Pembuatan dan pemrosesan dalam otomatisasi pabrik (Industri 4.0)
• Konservasi energi seperti mengidentifikasi di mana sebuah rumah mungkin kehilangan panas melalui celah pintu dan jendela.
• Pengawasan malam hari, seperti perlindungan perimeter
• Pelacakan cuaca seperti badai dan angin topan
• Diagnosis berbagai gangguan dan penyakit.
• Pemeriksaan kendaraan (mis., pesawat terbang dan kereta api)
• Konservasi satwa liar, pertanian, peternakan
• Penyelamatan dan pemulihan bencana

Daftar aplikasi yang menggunakan termometri terus bertambah. Ketika perusahaan berinvestasi lebih banyak dalam penelitian dan pengembangan, kamera termal hanya akan menjadi lebih baik dan lebih murah, sehingga menemukan jalan mereka ke lebih banyak aplikasi, dari rekreasi hingga penelitian.

Kamera termal tersedia dalam pilihan sensor, bidang pandang, kecepatan bingkai, dan konfigurasi fisik. Kamera termal terdiri dari rumah mekanis dengan lensa, sensor inframerah, dan elektronik pemrosesan yang terdiri dari prosesor gambar, FPGA, memori, komunikasi, dan elektronik tampilan. Lensa memfokuskan energi inframerah ke sensor, yang mengukur tanda panas dari objek apa pun di lingkungan.

Sensor termal hadir dalam berbagai konfigurasi piksel, dari 80 × 60 hingga 1280 × 1024 piksel atau lebih. Perhatikan bahwa resolusi ini rendah dibandingkan dengan pencitra cahaya tampak. Karena detektor termal perlu merasakan energi yang memiliki panjang gelombang jauh lebih besar daripada cahaya tampak, setiap elemen sensor juga harus jauh lebih besar. Pertimbangkan bahwa kamera konsumen standar memiliki ukuran piksel sekitar 1,7µm sedangkan kamera penglihatan mesin industri memiliki ukuran piksel mulai dari 4,6µm hingga 6,5m dengan permukaan aktif-cahaya yang lebih besar untuk mendapatkan sinyal yang lebih baik. Kamera termal memiliki sensor yang lebih besar, dengan ukuran piksel 25µm. Akibatnya, kamera termal biasanya memiliki resolusi yang jauh lebih rendah (yaitu, piksel keseluruhan lebih sedikit) daripada sensor yang terlihat dengan ukuran mekanis yang sama.

Perhatikan bahwa meskipun ukuran piksel yang lebih besar mengurangi resolusi, ini juga berarti bahwa panas yang dirasakan oleh kamera inframerah dapat diukur dengan sangat tepat. Ini penting untuk berbagai macam aplikasi. Misalnya, beberapa kamera termal dapat mendeteksi perbedaan kecil dalam panas—sekecil 0,01°C—dan menampilkannya sebagai warna abu-abu atau menggunakan palet warna yang berbeda.

Tantangan Memori

FPGA dalam kamera termal menyaring dan memproses sinyal yang dihasilkan oleh sensor dan detektornya. Seringkali blok RAM dalam FPGA tidak cukup untuk menyimpan dan memproses data. Sistem harus bergantung pada memori gambar off-chip untuk tugas-tugas seperti menjalankan algoritma, menampilkan data, dan komunikasi buffering. Memori ekspansi juga memberikan manfaat tambahan yang memungkinkan desain dapat diskalakan untuk memenuhi persyaratan kepadatan yang semakin besar.

Secara tradisional, OEM telah menggunakan DRAM untuk penyimpanan off-chip yang memanfaatkan antarmuka DDR. Namun, mengingat persyaratan resolusi gambar yang rendah dari pencitraan termal, persyaratan memori off-chip jauh lebih rendah daripada yang dibutuhkan oleh kamera optik. Dengan demikian, DRAM kepadatan tinggi mungkin berlebihan dan meningkatkan biaya produk tanpa memberikan manfaat nyata. DRAM juga biasanya membutuhkan lebih dari 30 pin untuk transfer data. Pin ini menambah overhead sistem dalam hal perutean sinyal tambahan dan membutuhkan lapisan PCB tambahan untuk menjalankan jejak sinyal ini. Selain itu, karena DRAM tidak stabil, sel perlu disegarkan secara berkala untuk melestarikan data. Jadi, menggunakan DRAM yang terlalu besar berarti konsumsi daya yang lebih tinggi, yang secara langsung memengaruhi masa pakai pengoperasian untuk aplikasi pencitraan termal bertenaga baterai.

Untuk mengatasi tantangan memori DRAM, OEM kamera menggunakan teknologi memori alternatif seperti memori HyperRAM. HyperRAM didasarkan pada arsitektur DRAM dan termasuk sirkuit self-refresh built-in. Memerlukan arus aktif hanya 25mA, konsumsi daya HyperRAM hanya sebagian kecil dibandingkan dengan DRAM (lihat Tabel 1), sehingga cukup hemat daya untuk aplikasi portabel.

Tabel:Perbandingan HyperRAM vs Single Data Rate (SDR) DRAM. [*Catatan:perbandingan menggunakan perangkat 64Mb sebagai basis.] (Sumber:Infineon Technologies)

Antarmuka dan Protokol Memori HyperBus menyediakan setara dengan DDR – 400MBps – sementara hanya membutuhkan 12 pin untuk transfer data. Daripada harus mengimplementasikan pengontrol memori DDR DRAM yang mahal, Kontroler Memori HyperBus yang efisien jumlah gerbang dapat diimplementasikan dalam soft IP di FPGA, menjadikannya pendekatan yang optimal dan efisien untuk memori ekspansi off-chip (lihat Gambar 1).

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 1:(Kiri) Sebuah kamera yang menggunakan DDR SDRAM eksternal dan NOR Flash membutuhkan dua bus memori dengan total 41 pin yang meningkatkan lapisan PCB menjadi enam atau lebih. (Kanan) Kamera yang menggunakan HyperRAM dan HyperFlash untuk memori eksternal dapat berkomunikasi melalui satu bus 13 pin, dan hanya membutuhkan dua hingga empat lapisan PCB. (Sumber:Infineon Technologies)

Sebagian besar desain kamera juga memiliki persyaratan Flash NOR eksternal untuk menyimpan parameter dan informasi penting lainnya yang perlu disimpan saat daya dimatikan (bertenaga baterai) atau terjadi kegagalan daya. Dengan Flash NOR standar, 10 pin lain akan diperlukan untuk antarmuka bus, sehingga total pin menjadi 41. Sebagai alternatif dari NOR Flash, OEM dapat menggunakan memori HyperFlash.

HyperFlash adalah NOR Flash yang menggunakan antarmuka HyperBus. Hal ini memungkinkan sistem untuk menggunakan bus yang sama untuk berinteraksi dengan perangkat HyperRAM dan HyperFlash untuk mengurangi jumlah pin secara keseluruhan lebih jauh. Dalam hal ini, hanya 13 pin total yang diperlukan untuk antarmuka:12 pin untuk transfer data dan 1 pin tambahan untuk digunakan sebagai chip pilih. Bandingkan ini dengan 41+ pin yang mungkin diperlukan untuk perangkat DDR DRAM dan QSPI NOR Flash yang terpisah.

Perhatikan bahwa memori ekspansi HyperRAM juga dapat digunakan dalam aplikasi visi mesin industri sebagai alternatif DRAM untuk memori gambar. Dengan kemasan jumlah pin yang rendah, HyperRAM tersedia dalam kepadatan mulai dari 64Mb hingga 512Mb yang mendukung antarmuka yang sesuai dengan HyperBus dan Octal xSPI JEDEC. HyperBus didukung oleh ekosistem mitra, dan pengontrol memori HyperBus juga tersedia sebagai RTL IP untuk mengimplementasikan pengontrol dalam FPGA.

Pengembang kamera termal harus mengatasi tantangan yang berbeda dari apa yang dihadapi desainer kamera optik. Dengan memilih teknologi memori eksternal yang sesuai dengan persyaratan sistem pencitraan termal, OEM dapat menyederhanakan pelacakan sinyal, mengurangi jumlah lapisan PCB yang diperlukan, menurunkan biaya sistem secara keseluruhan, dan mengurangi konsumsi daya untuk meningkatkan masa pakai.

Konten Terkait:

• Sensor dan prosesor menyatu untuk aplikasi industri
• Bagaimana teknologi Flash serial berkembang untuk memenuhi persyaratan baru desain Industri 4.0
• Mengapa teknologi penginderaan FIR penting untuk mencapai kendaraan yang sepenuhnya otonom
• Sistem sensor di IoT industri
• Sensor gambar ams baru untuk visi industri throughput tinggi

Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.