적외선 열화상 애플리케이션의 크기, 전력 및 비용 감소

열화상은 산업용 제품의 제조 및 처리에서 보안 및 감시에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다. 열화상 카메라로 측정되는 파장은 광학 이미징에서 측정된 파장보다 크기 때문에 열화상 애플리케이션 개발자는 기존 비전 애플리케이션에서 사용되는 것과는 다르게 설계에 접근해야 합니다. 열화상과 광학 이미징의 차이점을 이해함으로써 개발자는 올바른 종류의 외부 메모리를 활용하여 설계를 최적화하여 시스템을 더 작고 복잡하게 만들고 전력 소비를 줄이며 궁극적으로 시스템 비용을 낮출 수 있습니다.

적외선 스펙트럼

인간의 눈은 가시 스펙트럼이라고 하는 더 큰 전자기 스펙트럼의 아주 작은 부분만을 포착할 수 있습니다. 이 영역 외부에는 X선, 자외선(UV), 적외선(IR) 및 마이크로파와 같은 다른 스펙트럼이 있어 주파수와 파장으로 인해 인간의 눈으로 식별할 수 없습니다.

이 논의에서 특히 중요한 것은 IR 스펙트럼입니다. IR 스펙트럼은 물체에서 발생하는 열을 감지하고 측정하는 수단을 제공합니다. 이것을 "열 시그니처"라고 합니다. 물체가 더 뜨거울수록 더 많은 적외선이 생성됩니다.

열화상 카메라는 적외선을 포착하여 눈으로 볼 수 있는 이미지로 변환할 수 있는 장비입니다. 적외선 이미징은 원래 야간에 적의 목표물을 찾기 위해 개발되었지만 이제 열화상은 다음과 같은 다양한 유형의 애플리케이션에 사용됩니다.

• 예방 조기 화재 감지 및 공장 상태 모니터링
• 공장 자동화(Industry 4.0)의 제조 및 처리
• 집의 문과 창문 균열을 통해 열이 손실될 수 있는 부분을 식별하는 것과 같은 에너지 절약
• 주변 보호와 같은 야간 감시
• 폭풍 및 허리케인과 같은 날씨 추적
• 다양한 장애 및 질병 진단.
• 차량(예:비행기 및 기차) 검사
• 야생동물 보호, 농업, 축산
• 재해 구조 및 복구

온도 측정을 사용하는 응용 프로그램 목록은 계속해서 증가하고 있습니다. 기업이 연구 및 개발에 더 많은 투자를 할수록 열화상 카메라는 점점 더 좋아지고 저렴해질 것이며, 따라서 레크리에이션에서 연구에 이르기까지 더 많은 응용 분야로 진출할 것입니다.

열화상 카메라는 센서, 시야, 프레임 속도 및 물리적 구성을 선택할 수 있습니다. 열화상 카메라는 렌즈, 적외선 센서 및 이미지 프로세서, FPGA, 메모리, 통신 및 디스플레이 전자 장치로 구성된 처리 전자 장치가 있는 기계적 하우징으로 구성됩니다. 렌즈는 적외선 에너지를 센서에 집중시켜 환경에 있는 모든 물체의 열 신호를 측정합니다.

열 센서는 80 × 60에서 1280 × 1024픽셀 이상까지 다양한 픽셀 구성으로 제공됩니다. 이러한 해상도는 가시광선 이미저에 비해 낮습니다. 열 감지기는 가시광선보다 훨씬 더 큰 파장을 가진 에너지를 감지해야 하기 때문에 각 센서 요소도 훨씬 커야 합니다. 표준 소비자 카메라의 픽셀 크기는 약 1.7µm인 반면 산업용 머신 비전 카메라의 픽셀 크기는 4.6µm ~ 6.5µm이며 더 나은 신호를 얻기 위해 더 큰 광활성 표면을 가지고 있습니다. 열화상 카메라는 픽셀 크기가 25µm인 더 큰 센서를 가지고 있습니다. 결과적으로 열화상 카메라는 일반적으로 동일한 기계적 크기의 가시 센서보다 훨씬 낮은 해상도(즉, 전체 픽셀 수가 적음)를 갖습니다.

픽셀 크기가 클수록 해상도가 줄어들지만 적외선 카메라에서 감지한 열을 매우 정확하게 측정할 수 있다는 점에 유의하십시오. 이것은 매우 다양한 애플리케이션에 중요합니다. 예를 들어, 일부 열화상 카메라는 0.01°C의 작은 열 차이를 감지하여 회색 음영으로 표시하거나 다른 색상 팔레트를 사용하여 표시할 수 있습니다.

기억 도전

열화상 카메라 내의 FPGA는 센서와 감지기에서 생성된 신호를 필터링하고 처리합니다. 종종 FPGA 내의 RAM 블록은 데이터를 저장하고 처리하기에 충분하지 않습니다. 시스템은 알고리즘 실행, 데이터 표시, 통신 버퍼링과 같은 작업을 위해 오프칩 이미지 메모리에 의존해야 합니다. 확장 메모리는 또한 확장되는 밀도 요구 사항을 충족하도록 설계를 확장할 수 있는 추가적인 이점을 제공합니다.

전통적으로 OEM은 DDR 인터페이스를 사용하는 오프칩 스토리지에 DRAM을 사용했습니다. 그러나 열화상 카메라의 낮은 이미지 해상도 요구 사항을 고려할 때 오프칩 메모리 요구 사항은 광학 카메라에서 요구하는 것보다 훨씬 낮습니다. 따라서 고밀도 DRAM은 과도하고 실질적인 이점을 제공하지 않으면서 제품 비용을 증가시킬 수 있습니다. DRAM은 일반적으로 데이터 전송을 위해 30개 이상의 핀을 필요로 합니다. 이 핀은 추가 신호 라우팅과 이러한 신호 추적을 실행하기 위해 추가 PCB 레이어가 필요하다는 측면에서 시스템 오버헤드를 추가합니다. 또한 DRAM은 휘발성이기 때문에 데이터를 보존하기 위해 주기적으로 셀을 새로 고쳐야 합니다. 따라서 너무 큰 DRAM을 사용하면 전력 소비가 높아져 배터리로 구동되는 열화상 애플리케이션의 작동 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

DRAM의 메모리 문제를 해결하기 위해 카메라 OEM은 HyperRAM 메모리와 같은 대체 메모리 기술을 사용하고 있습니다. HyperRAM은 DRAM 아키텍처를 기반으로 하며 자체 재생 회로가 내장되어 있습니다. 25mA의 활성 전류만 필요로 하는 HyperRAM 전력 소비는 DRAM(표 1 참조)에 비해 극히 일부이므로 휴대용 애플리케이션에 충분히 전력 효율적입니다.

표:HyperRAM과 SDR(Single Data Rate) DRAM 비교. [*참고:비교는 64Mb 장치를 기본으로 사용합니다.] (출처:Infineon Technologies)

HyperBus 메모리 인터페이스 및 프로토콜은 DDR(400MBps)에 해당하는 기능을 제공하는 동시에 데이터 전송을 위해 12개의 핀만 필요합니다. 값비싼 DDR DRAM 메모리 컨트롤러를 구현하는 대신 FPGA의 소프트 IP에서 게이트 카운트 효율적인 HyperBus 메모리 컨트롤러를 구현할 수 있으므로 오프칩 확장 메모리에 대한 최적의 효율적인 접근 방식이 됩니다(그림 1 참조).

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그림 1:(왼쪽) 외부 DDR SDRAM 및 NOR 플래시를 사용하는 카메라에는 PCB 레이어를 6개 이상으로 늘리는 총 41핀의 메모리 버스 2개가 필요합니다. (오른쪽) 외부 메모리용 HyperRAM과 HyperFlash를 사용하는 카메라는 13핀의 단일 버스를 통해 통신할 수 있으며 2~4개의 PCB 레이어만 있으면 됩니다. (출처:Infineon Technologies)

또한 대부분의 카메라 설계에는 전원이 꺼지거나(배터리 전원이 공급되는) 정전이 있을 때 유지해야 하는 매개변수 및 기타 중요한 정보를 저장하기 위해 외부 NOR 플래시에 대한 요구 사항이 있습니다. 표준 NOR 플래시를 사용하면 버스 인터페이스에 또 다른 10개의 핀이 필요하므로 총 핀은 41개가 됩니다. NOR 플래시의 대안으로 OEM은 HyperFlash 메모리를 사용할 수 있습니다.

HyperFlash는 HyperBus 인터페이스를 활용하는 NOR Flash입니다. 이를 통해 시스템은 HyperRAM 및 HyperFlash 장치와의 인터페이스에 동일한 버스를 활용하여 전체 핀 수를 더욱 줄일 수 있습니다. 이 경우 인터페이스에는 총 13개의 핀만 필요합니다. 데이터 전송을 위한 12개의 핀과 칩 선택으로 사용하기 위한 추가 1개의 핀입니다. 이를 별도의 DDR DRAM 및 QSPI NOR 플래시 장치에 필요할 수 있는 41개 이상의 핀과 비교하십시오.

HyperRAM 확장 메모리는 이미지 메모리용 DRAM의 대안으로 산업용 머신 비전 애플리케이션에서도 사용할 수 있습니다. 로우 핀 카운트 패키징으로 HyperRAM은 HyperBus 및 Octal xSPI JEDEC 호환 인터페이스를 모두 지원하는 64Mb에서 512Mb 범위의 밀도로 제공됩니다. HyperBus는 파트너 에코시스템에서 지원되며 HyperBus 메모리 컨트롤러는 FPGA에서 컨트롤러를 구현하기 위한 RTL IP로도 사용할 수 있습니다.

열화상 카메라 개발자는 광학 카메라 설계자가 직면한 것과는 다른 문제를 해결해야 합니다. 열화상 시스템의 요구 사항에 맞는 외부 메모리 기술을 선택함으로써 OEM은 신호 추적을 단순화하고 필요한 PCB 레이어 수를 줄이며 전체 시스템 비용을 낮추고 전력 소비를 줄여 작동 수명을 향상시킬 수 있습니다.

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