diy 廉价的热成像仪。

简介

TTJ(热成像仪)只通过iOS设备的耳机插孔供电和通信(因此它不需要外部电池,也不使用无线通信)。这大大有助于降低成本、复杂性和规模。

TJ将使用一个红外焦平面阵列以0.15°K,4帧的帧速率和本地解决16×16像素,生成一个热图高档在iOS设备的本机屏幕分辨率由双立方插值。

目前正在评估超分辨率(将几个低分辨率的帧合并为高分辨率的stil图像,这些帧显示子像素的变化)。

Android和PC也通过USB连接支持。USB连接还允许更新TJ微控制器固件。UART连接也将用于低层次的接口目的。

TJ是一个完全开放源码/开放硬件项目。

视频: www.youtube.com/embed/PrzKsgabp-E

介绍

近年来,热成像技术被高估了业余爱好者的预算之外。2012年底,当我开始在我的第一热成像项目上工作时,市场上最便宜的热像相机是Flir i3(当时价格为995美元)。此外,据我所知,这些昂贵的专有设备在市场上绝对没有低成本、开源的替代解决方案,这主要与高性能/中等性能的IR FPAs和透镜的高开发和制造成本以及胆怯的可用性有关。低成本、低性能红外模块(FPA+透镜+ ASIC)的性能,在任何低成本的热像仪中仍然没有实现。

因此,我非常积极地探索开发一种低成本(200美元的制造)的热成像平台的可能性,并且可以为一些不太苛刻的业余爱好者任务提供足够的性能。这就是我开始研究热成像设备的原因。

一点背景


第一次尝试:机械微扫描热成像仪(MMTI)

我已经开始在周围设计一个设备。MLX90620BAD (http://www.melexis.com/General/General/MLX90620-776.aspx)16X4红外阵列。其想法是选择一种低成本(隐式低性能)红外焦平面阵列,其低像素FOV(2.5°x 2.6°FOV /像素)和令人满意的NETD(0.08°K在其数据表中为1 fps);在测试过程中发现它更像0.4-0.5°K -仍然没有线索它是如何到达无花果的。EU)。

然后,通过步进电机控制的平移平台(其旋转轴为中心,尽可能地靠近FPA的表面中心,以简化像素位置计算)产生可控亚像素移位的模式整个红外模块。

每个热数据帧将通过WiFi依次馈送到一个连接的IOS设备,该实时IOS设备将实时形成来自各个低RES帧的复合高分辨率图像(最终,从121×16x4帧中获得176×44最终高分辨率图像)。

原型包括:

  • 梅勒西斯MLX90620BAD (http://www.melexis.com/General/General/MLX90620-776.aspx)16X4红外阵列
  • PIC32MX795F512L
  • MRF24WG0MA Wi-Fi G PICtail Daughter Board
  • 基于3 x的三轴步进控制板A3977SED ——自然,只有2个轴使用。
  • Vexta PK246PA 我已经躺在1.8°/步的步进电机必须使用1/8微步来获得0.225°的步骤来满足我的子像素移位分辨率要求。
  • 3S 1600毫安锂电池
  • 廉价激光模块(从激光指示器)-评估微扫描模式的准确性和方向性
  • 自定义泛倾斜平台(自行设计/ CNC制造)-允许精确定心MLX90620BAD FPA表面中心到平移平台旋转轴

这是一个关于MMTI的硬件原型的图像,右边是高分辨率合成图像176×44(从16x4的121帧中形成)-“自画像”-是的,我冻结了121秒:

MMTI原型测试得出的结论:

  • 成功地验证了这种特殊设置的微扫描概念的有效性。实际上,我对像素和帧的良好对齐感到惊讶。
  • 足够的空间分辨率
  • 比预期的高得多(指定0.08°K在1 fps);在测试过程中发现了一种更难的方法:它更像是0.4-0.5°K -仍然不知道它们是如何达到这个数字的。
  • 高像素非均匀性(尽管所有)MLX90620 工厂校准到一定程度的不均匀性;我必须实现预扫描校准以获得满意的均匀性。
  • 高测量噪声MLX90620BAD 随着传感器帧速率的增加,噪声也增加,使得任何帧速率高于4 fps对于这个应用来说是无用的)
  • 结论系统的主要性能限制因素是
  • 高点 MLX90620BAD (测量0.4-0.5°K)-GT;具有较低NETD的传感器可以极大地提高捕获图像的热细节。
  • 高像素非均匀性&具有更好像素不均匀性的传感器将提高图像的整体质量,不需要预扫描校准。
  • 高测量噪声和低测量噪声的传感器将改善可见的热细节和整体图像质量。

搜索红外阵列模块替代方案

在这一点上,我已经决定了一个新的IR阵列,表现出更好的特点,在该地区MLX90620BAD缺少(NETD,像素均匀性,测量噪声)。

我选了欧姆龙D6T-44L-06 (4x4像素)用于测试,并将其安装在先前开发的MTTI原型上。

评价后得出如下结论D6T-44L-06: - 它的测量NETD(在0.14°K指定,实测温度分辨率为0.1°C)要低得多。 - 更好的像素均匀性 - 测量噪声低得多 - 然而,其较低的光学分辨率(4x4)和像素FOV明显更差(这里并不令人惊讶)。 - 由于一些因素,如低光学分辨率,高像素FOV,不准确的传感器对准平移平台(尝试简单地适应传感器持有人定制设计对齐MLX90620举行修改D6T-44L-06模块PCB)我无法用这个传感器产生可用的合成图像:

然而,如果只有更高的分辨率D6T模块存在并展示了我喜欢的特性。D6T-44L-06。我从以前的欧姆龙知道16x16传感器在开发中。

同时,我必须找到一个替代的FPA,所以我不会感到无聊!

过去我计划使用(8x8像素)IR阵列,但由于公众无法获得完整的数据表和我的未答复的请求,我已经发送到松下的数据表。

松下Grid-EYE红外阵列似乎是一个有趣的小传感器(高度紧凑,成本低,体面的理论性能)。

由于出口管制(双用途技术),在欧洲采购AMG88是一个挑战。虽然我发现很难想象这样的低分辨率/低FPS传感器可以在任何军事应用中使用。

最终,我得到了一个AMG88 32进行评估。

评价后的几点结论AMG883性能: - 良好的热分辨率(0.25°K指定)但比D6T-44 L更差 - 比MLX90620更好的像素均匀性,但比D6T-44 L更差 - 测量噪声低于MLX90620(在类似帧速率),但比D6T-44 L更差

似乎欧姆龙D6T-1616L仍然是我最好的选择(根据其前身的D6T-44 L -性能和D6T-1616L规格来判断),但直到它成为商业可用的时候,AMG8932才是第二好的东西。 - 本周晚些时候,我将在我正在测试的3个传感器(视频、测量参数等)中发布更多的比较数据。

需要提及的是,在与欧姆龙接触时,我提供了评估2014年8月未发布的D6T-1616L(16×16)的工程样品的可能性。

因此,欧姆龙D6T-1616L(16×16)将用于当前工作中的TJ GE1原型!

其他人一直在做什么

同时,我也注意到了非常成功的事情。IR-Blue Kickstarter活动,并感到兴奋,低成本的开源热成像似乎开始起飞。我发现它激励人心,并进一步激励我推进这一点。

是的,还有这个Mu Thermal Camera 这场战役并不出人意料,但我必须承认它确实让我开始感兴趣。

真正使我改变工作重心的是宣布Flir One最后,热成像越来越便宜。虽然仍然专有:

它使我设想的MMTI在其预期的200美元的生产成本无用。但一切都好起来了,因为热成像已经变得相当便宜,而且作为副作用,它迫使其他主要的FPA制造商跳上马车,在那个价格范围内竞争。

第二次尝试:TJ(热插孔)GE0原型

这个IR-Blue得到它(开源热成像),但就性能和成本(160美元- 195美元),它仍然没有。所以我想我可以做得更好。

我受到了极大的鼓舞。HiJack Project他们提出了将低功耗传感器系统连接到智能手机/平板耳机插孔的想法,目的是通过绘制电源和进行通信。他们设计并实现了一个开放的硬件/开源原型,后来甚至成为了一个由Seeedstudio.

这个想法尤其令人兴奋,因为它是一个免费的“应用程序商店友好”的物理连接到iOS设备的解决方案(而不是加入苹果的昂贵)。似乎也同意-也许他们是那些启发劫持的家伙?

甚至比蓝牙低能量(另一种非MFI方式连接到IOS设备)更简单更便宜,并且不需要外部电源。

这是一个疯狂的想法:

为什么没有一个FPA+微控制器直接连接到智能手机的平板电脑的耳机插孔?所以TJ的工作开始了…:)

从耳机插孔获得电能

从耳机插孔获取功率并不是一件微不足道的壮举。智能手机/平板电脑不能简单地输出音频通道上的直流电压电平(音频通道是AC耦合的保护),所以你能得到的最好的下一个东西是高频正弦波(高达近22千赫)。使事情变得更困难的是所产生的正弦波的振幅,当负载时,它是如此之低以至于几乎不用于整流+降压/升压。 hijack项目硬件的解决方案是使用微变压器来提升正弦波,然后用FET桥整流它,以最小化整流过程中的电压降,并通过LDO稳压器馈电,从而为数字电路供电。

我发现劫持权力获取解决方案有点过于复杂的需求,我认为我可能能够降低复杂性和成本。为什么不使用一个简单的肖特基乘法器并简单地将倍增的直流电压馈入LDO调节器?让我们试试看!

2级Cockroft-Walton乘法器+3.3V LDO似乎工作得很好,提供了估计的5.5Ma @ 3.3V需要功率的FPA和微控制器。我的意思是,它对我当时测试的设备(iPad 3,iPhone 4)完美无瑕。直到我尝试把它连接到一个iPhone 5S,它爆炸了(我开玩笑!)P)。因为iPhone 5S所产生的正弦波的振幅几乎是iPad 3/iPhone 4中的一半,所以它不起作用。

回到画板上。我已经尝试了一些改进,如增加倍数级,增加电容值,尝试全波配置,所有的努力,使输出电压达到可接受的水平和减少纹波。

同时,NXP来营救Quick-Jack www.lpcware.com/content/project/smartphone-quick-jack-solution是从NXP开始的劫持硬件的重新设计。Quick Jack的设计者们似乎也认为劫持功率采集电路过于复杂,毫不奇怪,除了一种略微不同的拓扑结构之外,他们还发明了一种简单的电压倍增器。

所以,我为什么不试试呢?

最后我用了5个阶段+3.3V LDO稳压器,能够产生我需要的~5.5Ma3.3V,甚至在iPhone 5S上!终于成功了。 - 虽然我必须承认我必须使用一个小技巧:我已经把音频频道并行地连接起来了。所以,这意味着如果我没有找到一个替代的解决方案,只使用一个音频信道的电源,并让另一个免费的“IOS设备& GT;TJ通信”,那么我将不得不调节正弦波用于电力收割。

通过耳机接口通信

如前所述,耳机左/右音频通道和麦克风。通道是交流耦合的,因此尝试发送恒定的1或0的长数据序列会导致低频分量,而这些低频分量可能不通过交流耦合。允许解决此限制的一种数据编码类型是曼彻斯特码. 它通过对每个数据比特进行至少一个状态转换来解决它,从而允许信号通过AC耦合而忽略数据内容。

通信是由iOS设备的最大音频采样率(44.1 kHz)限制的带宽。假设至少需要每个数据位的转换,将实际带宽减半到22.05千赫。此外,考虑到通信信道的性质,甚至添加最基本的错误检测(奇偶校验位)也是一个好主意。为了进一步限制带宽,还需要对数据字节进行划界,以避免重新同步问题(开始、停止位)。

但这在理论上,实际上,在没有数据错误的情况下,你可能无法真正获得最大的理论带宽。当前的TJ GENO原型仅在8820 kHz(1/5音频采样率)或APROX中可靠地通信100%。1 kb/s的可用数据带宽。我认为这可以在GE1原型中进一步改进,并且有一些变化。

如果不可能进一步提高带宽,一些简单的IR数据编码技巧和一个简单的自定义IR数据帧压缩算法,我想(如果需要的话)就足以允许在传感器的最大帧速率下传输欧姆龙D6T-1616L 256像素温度数据。4FPS。

当前TJ GE0原型实现

电源收获

****5-stage Dickson charge pump 左、右通道并联馈电,增加输出电流,防止负载时正弦波幅值下降

  • 习惯于SDM40E20LS超低压双肖特基二极管和10uF陶瓷电容器

通信

  • 这个PIC16LF1509 周期性地从IR数据帧中轮询AMG8832 超过I2C;然后重新格式化数据,并通过麦克风通道将其发送到iOS设备。
  • 微控制器通过麦克风通道发送的数据是曼彻斯特码。然后通过简单的电路处理低通滤波、AC耦合和IOS设备麦克风检测。 曼彻斯特通过麦克风通道编码和发送数据是用硬件实现的(不需要由微控制器进行软件干预)
  • 它是通过一个组合来实现的。NCO (www.microchip.com/pagehandler/en-us/family/8bit/peripherals/coreindependent/nco-prdpge.html), CLC(www.microchip.com/pagehandler/en-us/family/8bit/peripherals/coreindependent/clc-prdpge.html)和同步UART硬件模块

IOS应用

在连接TJ的设备上运行的IOS应用程序处理以下任务:

  • 在两个音频信道上产生20kHz信号,以便为TJ(GENO原型当前需要两个音频信道来获取功率)
  • 监听麦克风控制器发送的红外数据帧的麦克风输入和处理曼彻斯特解码
  • 当前使用的修改版本 LibHijack(code.google.com/p/hijack-main/source/browse/#svn%2Ftrunk%2FiPhone%2FLibHiJack) HiJack Project(web.eecs.umich.edu/~prabal/projects/hijack/)
  • 实现了3种调色板(彩虹弓、彩虹、单色)
  • 自动或手动温度范围设置
  • 作为GL纹理存储的热图
  • 每当生成新的热图时,纹理被更新(使用纹理缓存)。
  • 用GL双三元组实现interpolation着色器
  • 作为纹理GL“四元”渲染的本机分辨率热图

第三次尝试:TJ(热插孔)GE1原型

  • 基于即将推出的欧姆龙D6T-1616L红外阵列模块的工程样机16×16像素
  • 0.15°K NETD
  • 4磅

TJGE0原型图像和测试视频

当前的TJ GeN0是一个粗糙的原型(更多的硬件黑客),由松下GRIDYE组成。AMG88328x8像素红外焦平面焊在一个改进的突破板

TJ GE0原型连接到一个运行TJ测试应用程序的iPad

视频: www.youtube.com/embed/Iw1LcJuFTm8

TJ正在看这个平行光GE1板(见金属镀ApditVaE16芯片在视频中较暗的颜色和小QFN的DC-DC转换器下面的热白色)

  • 下一个TJ原型将使用欧姆龙D6T1616L 16X16红外焦平面工程样品,这将导致更好的性能,然而,仍然令人兴奋的是,你可以从一个40美元的松下GRIDIDYAGG8932 8x8像素红外焦平面压缩性能。


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