MLX90640 als 32×24-Infrarot-Thermalarray

Der MLX90640ESF-BAA-000-TU ist ein kalibriertes 32×24-Ferninfrarotarray im vierpoligen TO-39-Metallgehäuse mit integrierter Optik. 768 Messpixel, interner Umgebungssensor, Versorgungsüberwachung, EEPROM-Kalibrierdaten und eine digitale I2C-Schnittstelle ermöglichen dem Host die Berechnung eines niedrig aufgelösten Temperaturfelds ohne mechanische Abtastung.

Die Bauform ist eine vierpolige TO-39-Metalldose für die Durchsteckmontage. Vier gerade Anschlüsse verlassen ihre Unterseite; das optische Fenster liegt auf der Oberseite und blickt entlang der Messachse nach außen. Über dem Fenster bleibt das gesamte Sichtfeld frei. Gehäuserand, Kabel, Klebstoff oder ein nahes Bauteil verändern unmittelbar die empfangene Strahlung.

Der vollständige Suffix legt die Optik fest. In der offiziellen Bestelltabelle steht BAA für 110°×75° Weitwinkel und BAB für 55°×35°. Der verlinkte ESF-BAA ist somit ein weitwinkliges TO-39-Bauteil. Leiterplatte, Gehäuseöffnung, Pixelabdeckung, Softwareannahmen und Beschaffung müssen dieselbe Variante beschreiben.

Das Array nur für echte Ortsinformation einsetzen

Ein Einpunktsensor liefert die Temperatur eines betrachteten Bereichs. Der MLX90640 ergänzt ein grobes räumliches Muster. Das hilft bei Anwesenheit, Hotspot-Lage, Branderkennung, thermischem Komfort und Bewegung, sofern das kleinste relevante Objekt über genügend benachbarte Pixel reicht. 32 Spalten und 24 Zeilen ersetzen keine hochauflösende Wärmebildkamera für Identifikation oder feine Defekte.

Das Sichtfeld in Pixelabdeckung übersetzen

Das Gesamtsichtfeld ist keine Sammlung scharf getrennter Pixelkegel. Die Abdeckungen wachsen mit dem Abstand und überlappen optisch. BAA erfasst einen größeren Raum, legt aber weniger Pixel auf ein gleich großes Ziel. BAB zeigt dasselbe Ziel mit mehr Pixeln, verlangt jedoch genaueres Zielen. Für minimale und maximale Distanz, Zielgröße und Seitenversatz wird eine Geometrietabelle erstellt und gemessen.

Die TO-39-Optik nach außen richten

Die vierpolige Dose wird durch die Platine gesteckt; ihre Öffnung befindet sich auf der Oberseite. Nicht nur die Mittelachse, sondern der ganze Winkelbereich muss frei bleiben. Hohe Bauteile, Steckergehäuse, Gehäuselippen und Kabel können Pixelreihen abschatten und feste Muster erzeugen. Ein sichtbares Kunststofffenster darf nur verwendet werden, wenn seine Infrarottransmission nachgewiesen ist.

Die thermische Umgebung des Gehäuses kontrollieren

Für die Temperaturberechnung werden der interne Umgebungskanal und Kalibrierkoeffizienten verwendet. Wärme von Prozessor, Regler oder Funkstufe kann über Platine, Anschlüsse und Strahlung in die Dose gelangen. Wärmequellen werden entfernt und die vier Anschlussbereiche thermisch ausgeglichen. Aufwärmen, Prozessorlast, Busverkehr, Lüfter, Sonne und schnelle Raumtemperaturwechsel werden mit dem internen Temperaturwert protokolliert.

Eine stabile 3,3-V-Versorgung bereitstellen

Die elektrische Spezifikation nennt 3,0 V bis 3,6 V bei 3,3 V nominal. Ein lokaler Abblockkondensator und ein niederimpedanter Rückweg sitzen am Versorgungsanschluss. Tolerante I2C-Eingänge bedeuten nicht, dass das Bauteil mit 5 V versorgt werden darf. Strombedarf, VDD und interner Versorgungswert werden bei verschiedenen Bildraten und Hostlasten geprüft.

I2C für die Datenmenge eines Bildes auslegen

Der MLX90640 ist ein I2C-Slave mit Standardadresse 0x33. Normale Übertragungen unterstützen hohe Taktraten; für EEPROM-Schreibzugriffe gilt eine niedrigere Grenze. Pull-ups werden aus Spannung, Kapazität, Anstiegszeit und Senkstrom bestimmt. Ein Temperaturfeld benötigt deutlich mehr Buszeit als ein einzelnes Temperaturwort. Blocklesezugriffe und reservierte Bandbreite für beide Teilbilder sind bei hohen Raten wichtig.

Kalibrierdaten beim Start prüfen

Im EEPROM liegen werkseitige Koeffizienten für Versorgung, Umgebung, Offset und Empfindlichkeit. Üblicherweise werden sie nach dem Einschalten einmal gelesen, in eine Hoststruktur übertragen und für jedes Bild wiederverwendet. Unplausible Parameter werden erkannt. Eine vom Hersteller gepflegte Rechenbibliothek ist vorzuziehen; eine eigene Umsetzung wird über den gesamten Bereich dagegen verglichen.

Die Messung aus zwei Teilbildern verstehen

Die Pixel werden im Schachbrett- oder Zeilenwechselverfahren in zwei Teilbildern aktualisiert. Erst beide ergeben ein vollständiges Temperaturfeld. Das Statusregister meldet neue Daten und die zuletzt gemessene Hälfte. Die fertige Hälfte wird gelesen, der Zustand regelkonform bestätigt und mit der zeitlich passenden anderen Hälfte kombiniert. Ein einzelnes Teilbild ist kein vollständiges 32×24-Bild.

Bildrate zwischen Rauschen und Bewegung wählen

Die programmierbare Rate reicht von 0,5 Hz bis 64 Hz. Höhere Werte verringern den zeitlichen Abstand, steigern aber Rauschen, Buslast und Rechenaufwand. Niedrige Werte verbessern die Rauschleistung, können jedoch Bewegung oder Warnungen verzögern. 0,1 K RMS NETD bei 1 Hz ist ein definierter Arbeitspunkt und keine Angabe für jede Rate. Gewählt wird die langsamste Rate, die das Ereignis sicher erfasst.

Schachbrett- und Zeilenwechselmodus abgleichen

Im Schachbrettmodus verteilen sich Teilbilder auf wechselnde Pixel, im Zeilenwechselmodus auf wechselnde Reihen. Steuerregister, Kalibrierauswertung und Rekonstruktion müssen denselben Modus verwenden. Sonst entstehen Schach- oder Streifenmuster. Eine gleichmäßige Wärmequelle zeigt feste Unterschiede, eine bewegte Kante die zeitliche Trennung.

Umgebungs- und Pixeltemperaturen geordnet berechnen

Rohdaten sind keine Temperaturen. Versorgungskorrektur, Umgebung, Verstärkung, Pixeloffset und -empfindlichkeit, Kompensationspixel, Gradientenparameter und Emissionsgrad werden in der dokumentierten Reihenfolge verarbeitet. Ausreichende numerische Genauigkeit ist erforderlich. Rohteilbilder, berechnete Umgebung und Endwerte bleiben für Diagnose und Vergleich verfügbar.

Emissionsgrad und reflektierte Temperatur festlegen

Auch jedes Arraypixel misst Strahlung. Stoff, Wandfarbe, Glas, Haut und Metall in einer Szene verhalten sich verschieden; ein gemeinsamer Emissionsgrad liefert nicht überall absolute Genauigkeit. Bei reiner Mustererkennung wird das ausdrücklich festgelegt. Für absolute Schwellen gehen Emissionsgrad, Reflexion, Fenstertransmission und Pixelausfüllung in die Unsicherheit ein.

Bekannte Fehlerpixel vorsichtig ersetzen

Das Datenblatt sieht bis zu vier im EEPROM gekennzeichnete Fehlerpixel vor. Sie können aus Nachbarn interpoliert werden, dürfen aber keinen größeren Fehler verdecken. Benachbarte Fehler werden auf Eignung der Methode geprüft. Fehlerkarte und ersetzte Werte bleiben im Diagnosedatensatz. Neue Cluster, feststehende Reihen oder plötzliches Rauschen sind eigenständige Störungen.

Veraltete und zerrissene Bilder verhindern

Teilbildnummer, Zeit und Reihenfolge begleiten jeden Datensatz. Nur passende Hälften werden zusammengesetzt. Wenn der Host zu spät liest, kann während der Übertragung bereits ein neues Teilbild entstehen. Nach Start, Reset oder Buswiederherstellung wird der Aufnahmezustand neu aufgebaut; Daten vor und nach der Unterbrechung werden nicht vermischt.

Speicher und Rechenzeit des Hosts messen

Roh-RAM, Kalibrierparameter und 768 berechnete Temperaturen benötigen Speicher. Fließkommaberechnungen können einen kleinen Controller bei hoher Rate belasten. Mit realem Compiler und Bibliothek werden schlimmste Laufzeit, Stack und Buszeit gemessen. Bei Rückstand werden Daten nach einer festen Regel verworfen, statt Teilbilder verschiedener Zeitpunkte zu kombinieren.

Das optische Fenster sauber und trocken halten

Staub, Fingerabdrücke, Kondensat und Beschichtungen schwächen oder streuen Infrarotstrahlung. Lokale Verschmutzung kann wie ein dauerhaft kalter Bereich aussehen. Handhabung, Reinigungsmittel und Prüfung werden festgelegt. Für Außen- und Küchenanwendungen kommen Feuchte, Fett, Eis und schnelle Temperaturwechsel hinzu. Ein Schutzfenster wird auch auf räumliche Gleichmäßigkeit geprüft.

Mit gleichmäßigen und strukturierten Wärmeszenen prüfen

Ein gleichmäßiger Schwarzkörper zeigt Pixelreste, Fehlerkorrektur, Gradienten und Rauschen. Eine warme Fläche bekannter Größe, eine bewegte Kante und Ziele am Sichtfeldrand prüfen die Geometrie. Über Ziel- und Umgebungstemperaturen, Bildraten und Abstände werden Rohteilbilder, Status, Konfiguration, Versorgung und Referenz gemeinsam aufgezeichnet. Die Prüfung wird im endgültigen Gehäuse wiederholt.

Anwendungsschwellen aus Messdaten ableiten

Anwesenheit, Brandvorstufe und Hotspots brauchen Dauer-, Flächen- und Vertrauensregeln. Ein einzelnes Rausch- oder Ersatzpixel darf nicht wie ein wachsender Mehrpixelbereich wirken; übermäßige Mittelung darf das echte Ereignis nicht verzögern. Schwellen entstehen aus repräsentativen Daten für Umgebung, Abstand, Position und Störquellen.

Gehäuse, Optik, Bus und Verarbeitung gemeinsam freigeben

Geprüft werden vollständiger ESF-Suffix, vier gerade TO-39-Anschlüsse, obere integrierte Optik, bestelltes 110°×75°- oder 55°×35°-Sichtfeld, freie Gehäuseöffnung, stabile 3,3 V, Abblockung, I2C-Pull-ups und Adresse 0x33. EEPROM-Auswertung, Aufnahmemodus, zwei Teilbilder, Bildrate, kohärente Lesevorgänge, Pixelkorrektur, Emissionsgrad, Hostzeit, Sauberkeit und Anwendungsschwellen vervollständigen die Freigabe.