Otimizando Tamanho, Potência e Custo em Sistemas de Imagem Térmica Infravermelha

Imagem térmica abrange manufatura industrial, segurança e monitoramento ambiental. Como comprimentos de onda infravermelhos diferem da luz visível, designers devem adaptar hardware para performance ótima — resultando em sistemas menores, menor potência e mais custo-efetivos.

O Espectro Infravermelho

O olho humano captura apenas a porção visível do espectro eletromagnético. Radiação infravermelha (IR) está além da luz visível e é a chave para detectar assinaturas de calor — a temperatura de um objeto dita diretamente sua saída IR.

Originalmente usada para aquisição de alvos noturnos, câmeras térmicas agora servem a uma ampla gama de propósitos, incluindo:

• Detecção precoce de incêndios e monitoramento de saúde de plantas
• Automação de fábrica e processos Industry 4.0
• Auditorias energéticas que localizam vazamentos de calor em edifícios
• Vigilância noturna de perímetro e vida selvagem
• Rastreamento de tempestades e furacões
• Diagnóstico médico de anomalias de temperatura
• Inspeção de aeronaves, trens e outros equipamentos pesados
• Conservação de vida selvagem e agricultura de precisão
• Operações de resposta a desastres e resgate

A lista crescente de aplicações impulsiona investimento contínuo em P&D, tornando câmeras térmicas cada vez mais poderosas e acessíveis.

Uma câmera térmica típica consiste em housing, lente, sensor IR e eletrônica embarcada — processador de imagem, FPGA, memória, circuitos de comunicação e display. A lente concentra energia IR no sensor, que converte a assinatura de calor em imagem visível.

Sensores IR estão disponíveis de 80 × 60 até 1280 × 1024 pixels. Comparado a câmeras de luz visível, cada pixel deve ser maior (≈ 25 µm versus 1,7 µm em sensores de consumo) para capturar comprimentos de onda maiores. Consequentemente, câmeras térmicas têm resolução geral menor, mas o tamanho maior de pixel permite medição precisa de temperatura — alguns modelos detectam diferenças de apenas 0,01 °C.

Desafios de Memória

O FPGA em uma câmera térmica processa dados brutos do sensor. Sua RAM interna é frequentemente insuficiente, então designers recorrem a memória off-chip para algoritmos, buffering de display e comunicação. Armazenamento off-chip também fornece escalabilidade para futuros aumentos de densidade.

Tradicionalmente, DDR DRAM é usada para este propósito. No entanto, a resolução modesta de imagens térmicas significa que DRAM de alta densidade é desnecessária, adicionando custo, pinos extras e consumo de energia. A volatilidade do DRAM requer refresh periódico, aumentando ainda mais o consumo — um problema para dispositivos alimentados por bateria.

O HyperRAM da Infineon aborda estas limitações. Construído sobre um núcleo DRAM com auto-refresh embutido, o HyperRAM consome apenas 25 mA, reduzindo drasticamente a potência enquanto entrega throughput comparável (≈ 400 MB/s). Usa interface HyperBus de 12 pinos, muito menos que os 30+ pinos do DDR, simplificando roteamento PCB e contagem de camadas.

Tabela: HyperRAM vs SDR DRAM (dispositivo 64 Mb). Fonte: Infineon Technologies

O Controlador de Memória HyperBus pode ser implementado como soft IP no FPGA, eliminando a necessidade de um controlador DDR volumoso. A Figura 1 mostra a vantagem de contagem de pinos: um sistema baseado em DDR requer dois barramentos totalizando 41 pinos e seis camadas de PCB, enquanto um sistema HyperRAM/HyperFlash usa um único barramento de 13 pinos e apenas duas a quatro camadas.

Figura 1: Comparação de contagem de pinos entre DDR-SDRAM/NOR Flash e HyperRAM/HyperFlash. Fonte: Infineon Technologies

NOR Flash externo também é comum para armazenamento de configuração não-volátil. HyperFlash — NOR Flash com interface HyperBus — pode compartilhar o mesmo barramento de 13 pinos do HyperRAM, reduzindo contagem de pinos de 41+ para apenas 13. HyperFlash e HyperRAM estão disponíveis em densidades de 64–512 Mb, com interfaces HyperBus e Octal xSPI compatíveis com JEDEC.

Ao selecionar memória que corresponda aos requisitos de imagem térmica, OEMs podem simplificar design de PCB, reduzir custo, cortar consumo de energia e estender vida da bateria.

Conteúdo Relacionado:

• Sensores e processadores convergem para aplicações industriais
• Como tecnologia serial Flash está evoluindo para atender novos requisitos de designs Industry 4.0
• Por que tecnologia FIR sensing é essencial para veículos totalmente autônomos
• Sistemas de sensores no IoT industrial
• Novos sensores de imagem ams para visão industrial de alto throughput

Para mais Embedded, assine a newsletter semanal do Embedded.