Светочувствительные SoC-модули от Espros


Рис. 1.	Принцип работы оптических систем измерения расстояний.

Благодаря возможности измерения расстояния до объекта формируемая картинка оказывается трехмерной. На Рис. 2 показан пример того, как выглядит мир «глазами» оптической системы машинного зрения – чем темнее цвет, тем больше дистанция до объекта. Здесь стоит отметить, что представленная картинка подкрашена для удобства, и на самом деле изображение, получаемое описанным выше способом, является монохромным, так как излучатель, как правило, формирует монохромные импульсы света.


Рис. 2.	Так выглядит мир «глазами» светочувствительного ИК-модуля.

При создании оптических систем машинного зрения разработчики сталкиваются с множеством проблем, в том числе с необходимостью достижения высокой чувствительности в ИК-диапазоне и с необходимостью обеспечения высочайшей скорости обработки сигналов. Например, ToF-системы, измеряющие время пролета (Time of flight), и лидары требуют разрешения в диапазоне сотен пикосекунд, поэтому к электронике, используемой для обработки сигналов, предъявляются достаточно жесткие требования.

Еще одной проблемой становится разводка высокоскоростных сигналов и чувствительных аналоговых цепей на одной плате с цифровыми микросхемами.

К счастью, начинают появляться технологии, позволяющие реализовать практически все элементы системы машинного зрения на одном кристалле. Примером такой технологии является технология OHC15L от швейцарской компании Espros (Рис. 3).


Рис. 3.	Технология OHC15L позволяет на одном кристалле размещать светочувствительную матрицу, цифровые и аналоговые схемы, силовые компоненты, память и различные датчики.

Технология OHC15L подразумевает создание SoC-модулей, объединяющих на одном кристалле светочувствительную ПЗС-матрицу (CCD), аналоговые и цифровые блоки с частотным диапазоном более 1 ГГц, силовые элементы с рабочими напряжениями до 12 В, память и различные датчики. При этом конечный модуль помещается в компактный CSP-корпус (Рис. 4). Для производства OHC15L-чипов используется SiCMOS-технология с топологическими нормами 150 нм.


Рис. 4.	Благодаря использованию технологии SoC удается получать сверхкомпактные решения.

Преимуществами светочувствительных SoC-модулей от компании Espros являются:

Значительное упрощение конечной системы машинного зрения за счет реализации большинства блоков на одном кристалле;
Высокая светочувствительность в ближнем ИК-диапазоне (>70% при длине волны 905 нм);
Широкий спектральный диапазон;
Увеличенный радиус действия, достигающий нескольких сотен метров;
Высокое быстродействие за счет разводки всех сигналов на одном кристалле;
Низкое потребление;
Сверхкомпактные габариты.

ПЗС-матрицы от Espros имеют очень высокую чувствительность по сравнению с традиционными CMOS-решениями (Рис. 5).


Рис. 5.	Высокая чувствительность – важное достоинство матриц Espros.

В настоящий момент Espros предлагает три светочувствительных SoC-модуля с различным разрешением (Рис. 6):

epc611 с размером матрицы 8 × 8 пикселов;
epc635 с размером матрицы 160 × 60 пикселов;
epc660 с размером матрицы 320 × 240 пикселов.


Рис. 6.	Внешний вид SoC-модулей компании Espros.

epc611 – светочувствительный SoC-модуль общего назначения с разрешением матрицы 8 × 8 пикселов, способный обнаруживать объекты на удалении до 30 метров (Рис. 6).

Модуль epc611 представляет собой законченную измерительную систему. Для его подключения потребуется только управляющий микроконтроллер или процессор, система питания, а также источник света (светодиод или лазерный диод). В состав модуля входят: светочувствительная ПЗС-матрица, драйвер светодиода, аналого-цифровые преобразователи, управляющий контроллер, система обработки сигналов, регулятор напряжения, память, датчик температуры и вспомогательные блоки (Рис. 7).


Рис. 7.	Структура светочувствительного SoC-модуля epc611.

Модули epc611 поддерживают семь режимов работы, которые отличаются разрядностью матрицы, способом обработки данных, уровнем потребления и шумов.

Скорость обновления изображения зависит от выбранного режима работы epc611:

До 3000 кадров в секунду при использовании полноценного 64-пиксельного режима TIM (ultra low noise);
До 8000 кадров в секунду при использовании производительного 4-пиксельного режима UFS (ultra fast & sensitive);
До 4000 кадров в секунду при использовании малошумного 1-пиксельного режима ULN (ultra low noise);

Для взаимодействия с epc611 используется высокоскоростной SPI-интерфейс.

Несмотря на столь внушительный набор блоков, габариты epc611 оказываются чрезвычайно компактными – 2.7 × 2.78 мм, – что еще раз доказывает преимущества SoC-систем.

По мнению инженеров Espros ключевыми приложениями для модулей epc611 станут: альтиметры для дронов, счетчики людей и объектов, датчики открытия дверей, системы распознавания жестов и т. д.

epc635 – SoC -модуль со светочувствительной матрицей разрешением 160 × 60 пикселов, способный создавать трехмерную картину на дистанциях 7.5…240 м (Рис. 6).

Как и в случае с epc611, SoC -модуль epc635 представляет собой законченную систему, в состав которой входят аналоговые и цифровые блоки, ПЗС-матрица, драйвер ИК-светодиода (или лазера), память, система питания и т. д. (Рис. 8). Модуль самостоятельно выполняет построение трехмерной картинки окружающего мира и выдает ее пользователю в виде массива 12-битных пикселов. Для обеспечения требуемой пропускной способности между epc635 и управляющим контроллером (процессором) используется высокоскоростной параллельный 8-битный интерфейс TCMI, работающий с частотой до 80 Мбайт/с.


Рис. 8.	Структура светочувствительного SoC-модуля epc635.

При необходимости модуль epc635 способен обеспечивать пиковую частоту обновления изображения до 128 кадров в секунду.

Модули epc635 выпускаются в корпусном исполнении CSP44 с габаритными размерами всего 6.3 × 4.2 мм.

Наиболее вероятными приложениями для epc635 станут автомобильные системы предотвращения столкновений, вертолетные системы помощи при приземлениях, охранные системы обнаружения движения, роботы и станки, системы распознавания жестов и т. д.

epc660 – наиболее продвинутый светочувствительный модуль от Espros. Разрешение ПЗС-матрицы для epc660 составляет 320 × 240 пикселов (QVGA), а его радиус действия – 6.25…200 метров.

Структура epc660 практически идентична epc635. Для передачи данных во внешний контроллер используется параллельная 8-битная шина, работающая с частотой до 48 Мбайт/с.

При использовании максимального разрешения модули epc660 обеспечивают частоту 39 кадров в секунду.

Корпус модулей epc660 имеет размеры 9.7 × 8.66 мм.

Области применения epc660 аналогичны областям применения epc635.

Для изучения возможностей светочувствительных SOC-модулей epc660 и epc635 компания Espros предлагает очень любопытные оценочные наборы epc635 Evaluation Kit и epc660 Evaluation Kit (Рис. 9). Каждый из этих наборов представляет собой законченную 3D-камеру, включающую плату со светочувствительным SoC-модулем, оптическую систему, управляющую плату BeagleBone Black и вспомогательные элементы (корпусные части, штатив и др.). Также для работы с отладочными наборами поставляется сопутствующее прикладное ПО.


Рис. 9.	Отладочные наборы epc635 Evaluation Kit и epc660 Evaluation Kit представляют собой законченную оптическую систему.

Характеристики светочувствительных SoC-модулей epc635:

Тип: SoC-модуль, включающий светочувствительную матрицу, аналоговые и цифровые блоки;
Тип матрицы: ПЗС (CCD);
Разрешение: 160 × 160 пикселов;
Размер пиксела: 20 × 20 мкм;
Размер светочувствительной области: 0.16 × 0.16 мм;
Производительность: 488 кадров/ в секунду;
Диапазон действия: 7.5…240 м.
Интерфейс данных: 8-бит TCMI 80 МГц;
Интерфейс управления: I²C;
Питание: +10 В, +5 В, +2.5/3.3 В, +1.8 В, –10 В;
Потребление (среднее): 300 мВт;
Корпусное исполнение и габариты: CSP44 6.3 × 4.2 мм;
Диапазон рабочих температур кристалла: –40...+85 °C.

О компании

ESPROS Photonics Logo ESPROS Photonics – швейцарская компания, специализирующаяся на разработке и производстве светочувствительных электронных блоков, в том числе светочувствительных SoC-модулей и спектрометров.

Посмотреть технические характеристики светочувствительных SoC-модулей от ESPROS Photonics

Светочувствительные SoC-модули от Espros

Espros » epc611, epc635, epc660

Характеристики светочувствительных SoC-модулей epc635:

О компании