Optimizando tamaño, potencia y coste en sistemas de imagen térmica infrarroja

La imagen térmica abarca fabricación industrial, seguridad y monitorización ambiental. Como las longitudes de onda infrarrojas difieren de la luz visible, los diseñadores deben adaptar el hardware para rendimiento óptimo —resultando en sistemas más pequeños, de menor potencia y más rentables.

El espectro infrarrojo

El ojo humano captura solo la porción visible del espectro electromagnético. La radiación infrarroja (IR) yace más allá de la luz visible y es clave para detectar firmas de calor —la temperatura de un objeto dicta directamente su emisión IR.

Originalmente usada para adquisición de objetivos nocturnos, las cámaras térmicas ahora sirven a una amplia gama de propósitos, incluyendo:

• Detección temprana de incendios y monitorización de salud vegetal
• Automatización de fábrica y procesos Industria 4.0
• Auditorías energéticas que localizan fugas de calor en edificios
• Vigilancia perimetral y de fauna nocturna
• Seguimiento de tormentas y huracanes
• Diagnóstico médico de anomalías de temperatura
• Inspección de aviones, trenes y otro equipo pesado
• Conservación de fauna y agricultura de precisión
• Respuesta a desastres y operaciones de rescate

La creciente lista de aplicaciones impulsa inversión continua en I+D, haciendo cámaras térmicas cada vez más potentes y asequibles.

Una cámara térmica típica consta de carcasa, lente, sensor IR y electrónica a bordo —procesador de imagen, FPGA, memoria, comunicaciones y circuitos de display. La lente concentra energía IR en el sensor, que convierte la firma de calor en imagen visible.

Sensores IR disponibles desde 80×60 hasta 1280×1024 píxeles. Comparado a cámaras de luz visible, cada píxel debe ser mayor (≈25 µm versus 1,7 µm en sensores de consumo) para capturar longitudes de onda más largas. En consecuencia, cámaras térmicas tienen menor resolución global, pero el mayor tamaño de píxel permite medición precisa de temperatura —algunos modelos detectan diferencias de 0,01 °C.

Retos de memoria

El FPGA en una cámara térmica procesa datos crudos del sensor. Su RAM interna suele ser insuficiente, así que los diseñadores recurren a memoria off-chip para algoritmos, buffering de display y comunicaciones. El almacenamiento off-chip también da escalabilidad para futuros aumentos de densidad.

Tradicionalmente se usa DDR DRAM para este propósito. Sin embargo, la modesta resolución de imágenes térmicas significa que DRAM de alta densidad es innecesaria, añadiendo coste, pines extra y consumo. La volatilidad de DRAM requiere refresco periódico, aumentando consumo —un problema para dispositivos a batería.

HyperRAM de Infineon aborda estas limitaciones. Construido sobre núcleo DRAM con auto-refresco integrado, HyperRAM consume solo 25 mA, reduciendo drásticamente potencia mientras entrega throughput comparable (≈400 MB/s). Usa interfaz HyperBus de 12 pines, muchos menos que los 30+ de DDR, simplificando routing PCB y conteo de capas.

Tabla: HyperRAM vs SDR DRAM (dispositivo 64 Mb). Fuente: Infineon Technologies

El controlador de memoria HyperBus puede implementarse como IP soft en el FPGA, eliminando necesidad de voluminoso controlador DDR. La Figura 1 muestra la ventaja de conteo de pines: un sistema basado en DDR requiere dos buses totalizando 41 pines y seis capas PCB, mientras un sistema HyperRAM/HyperFlash usa un solo bus de 13 pines y solo dos a cuatro capas.

Figura 1: Comparación de conteo de pines entre DDR-SDRAM/NOR Flash y HyperRAM/HyperFlash. Fuente: Infineon Technologies

La NOR Flash externa también es común para almacenamiento de configuración no volátil. HyperFlash —NOR Flash con interfaz HyperBus— puede compartir el mismo bus de 13 pines que HyperRAM, reduciendo conteo de pines de 41+ a solo 13. HyperFlash y HyperRAM disponibles en densidades 64–512 Mb, con interfaces HyperBus y Octal xSPI compatibles JEDEC.

Al seleccionar memoria que coincida con requisitos de imagen térmica, OEMs pueden simplificar diseño PCB, reducir coste, recortar consumo y extender vida de batería.

Contenidos relacionados:

• Sensores y procesadores convergen para aplicaciones industriales
• Cómo la tecnología serial Flash evoluciona para cumplir nuevos requisitos de diseños Industria 4.0
• Por qué la tecnología FIR sensing es esencial para vehículos totalmente autónomos
• Sistemas de sensores en IoT industrial
• Nuevos sensores de imagen ams para visión industrial de alto throughput

Para más Embedded, suscríbase al boletín semanal de Embedded.