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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Chip di memoria dinamico DRAM: come una videocamera. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia digitale L'inserimento delle immagini in un computer e la loro ulteriore elaborazione digitale in un modo o nell'altro richiede un investimento piuttosto ingente. Il dispositivo più costoso qui è probabilmente una videocamera, il cui segnale viene letto, memorizzato e digitalizzato da un computer. Il metodo più costoso, ma in termini di qualità e migliore per l'input di immagini, è la digitalizzazione del segnale di uscita da una videocamera domestica. Ma allo stesso tempo, i costi dei circuiti sono ancora significativi. Poiché ciò richiede un convertitore digitale-analogico ad alta velocità, un dispositivo di memorizzazione ad alta velocità e un'interfaccia appropriata per un personal computer. Per gli esperimenti amatoriali, questo è un percorso piuttosto costoso. Una telecamera trasmittente dotata di interfaccia per computer è troppo costosa e può compromettere in modo significativo il budget di un radioamatore. La via d'uscita da questa situazione è stata l'uso non convenzionale di un cristallo di memoria dinamico. Si scopre che la DRAM può essere utilizzata come sensore ottico sensibile. Diversi anni fa, Micron Technology (un produttore americano di circuiti integrati a chip singolo) ha rilasciato una versione speciale del 64k-DRAMS con una finestra di controllo, che veniva venduta come sensore di immagine. Poiché la geometria del cristallo nel microcircuito è nota, con un certo sforzo è stato possibile realizzare una videocamera. Sfortunatamente, questi chip non furono più venduti, il che rappresentò un ostacolo alla creazione di una fotocamera per computer. Tuttavia, ho smontato una scheda per computer con chip di memoria DRAM che aveva un case in ceramica con un cappuccio in metallo. Ho rimosso la copertura metallica abbastanza rapidamente, rivelando il vetro protettivo sottostante. Cosa fare dopo? Per poter continuare con successo l'esperimento, si è deciso di utilizzare la porta parallela di un personal computer, che era perfettamente adatta per l'input/output delle informazioni. Per il controllo sono stati scritti due piccoli programmi in Assembly. E - oh, miracolo! - dopo diversi test è possibile vedere qualche immagine sul display del computer. Come funziona? La DRAM da 64k contiene 65536 celle di memoria, disposte in una forma a matrice con accesso normale. In questo caso è stato utilizzato il chip D4164 di NEC, ovvero quattro matrici di 64x256 celle di memoria. Ciascuna cella di memoria è costituita da un condensatore e da transistor complementari. Un condensatore accumula informazioni sotto forma di carica elettrica. I transistor complementari accedono (commutano) a questo condensatore.
Se viene selezionata una riga della matrice, commutando a turno tutti i 256 transistor complementari di questa riga collegano il condensatore (cella) desiderato a uno dei 256 amplificatori. Se la tensione nell'amplificatore è superiore a un certo livello, si presume che questo sia un 1 logico, altrimenti l'uscita dell'amplificatore sarà uno 0 logico. Contando uno dei 256 amplificatori in una determinata riga (ovvero, scegliendo un indirizzo di colonna), selezioniamo il segnale di uscita desiderato DRAM. Poiché i condensatori sul chip di memoria perdono (si scaricano lentamente ma inevitabilmente), devono essere costantemente rigenerati (ricaricati) per non perdere le loro informazioni. Se smettono di rigenerarsi, dopo un po 'la carica nella cella del condensatore scomparirà e il bit corrispondente si accenderà. Illuminando (esponendo) il condensatore, questo effetto verrà potenziato, il condensatore si scaricherà molto più velocemente e il risultato sarà un'inversione del bit di informazione. Il tempo di scarica del condensatore sarà la misura principale dell'intensità della luce in questa cella di memoria. Per utilizzare questo effetto, sono necessari i seguenti passaggi: - Innanzitutto, tutti i condensatori di memoria vengono caricati. “Quindi le cellule della memoria vengono irradiate per un po’ di tempo. - Tutte le celle di memoria vengono interrogate e analizzate. Ogni cella (fotocellula) viene esaminata per verificare l'inversione dello stato originale, che verrà considerata come flare. La DRAM è un chip di memoria, quindi l'allocazione dell'indirizzo logico deve corrispondere alla posizione fisica sul chip. Per scoprire questa distribuzione è necessario effettuare diversi test. In un chip DRAM, i cui indirizzi di cella sono costituiti da due componenti: indirizzi di riga e indirizzi di colonna, si può presumere che nella struttura fisica del cristallo si trovino esattamente allo stesso modo. Come si è scoperto, questo è effettivamente vero, vale a dire gli indirizzi delle righe logiche corrispondono alle righe fisiche e gli indirizzi delle colonne logiche corrispondono alle colonne fisiche. Gli indirizzi logici all'interno di una linea non corrispondono, ovviamente, a una posizione fisica in una cella di memoria su un circuito integrato su un singolo cristallo. L'immagine elaborata mostra questa distribuzione errata di righe e colonne riorganizzate. La riorganizzazione dei bit dell'indirizzo consente di eliminare questo difetto, ma in questo caso è comunque necessario un approccio sperimentale. La geometria dei circuiti integrati su un singolo cristallo di diversi produttori può essere diversa. Pertanto il programma di controllo funziona correttamente solo con i chip NEC tipo 4164. Per altri chip di memoria possono verificarsi errori, ma conoscendo il principio di controllo è possibile correggere il risultato. Ora sarà chiaro che il nostro circuito integrato su un unico cristallo è costituito da quattro matrici affiancate. I due stampi esterni sono separati dai due centrali da spazi relativamente ampi; questo introduce alcuni errori nell'immagine. In queste lacune probabilmente c'è una logica di decodificazione. Le due matrici centrali sono separate da uno spazio molto più piccolo, tanto da poter essere considerate come una matrice di 128x256 celle. Su questa base, come sensori vengono utilizzate solo due matrici centrali. Uno sguardo al microcircuito attraverso una lente d'ingrandimento determina chiaramente la struttura a matrice del cristallo.
Ora devi mettere a fuoco con precisione l'obiettivo. Ad un esame più attento, si nota che diverse righe e colonne sono ancora riorganizzate. Due righe vengono visualizzate correttamente, le due successive vengono scambiate tra loro. L'operazione di lettura del contenuto delle celle corregge questo difetto. Successivamente, vengono corretti gli indirizzi delle colonne, di cui quattro vengono lette correttamente e le altre quattro nell'ordine sbagliato. Stabilire la distribuzione corretta non è sempre facile, poiché richiede un'ottica integrata solida e una messa a fuoco molto precisa dell'immagine. Il modello è chiaramente visibile solo quando la distribuzione è corretta! È meglio iniziare i test con una superficie bianca su cui vengono posizionati e spostati oggetti scuri. Un'osservazione attenta, una messa a fuoco precisa dell'obiettivo e un po' di pazienza aiuteranno a riconoscere grossi malfunzionamenti (disadattamenti) e quindi a rivelare le caratteristiche del circuito integrato su un singolo cristallo. Grosse imprecisioni vengono identificate da linee nere, localizzate sul chip e messe sotto controllo. Per utilizzare la porta parallela di un personal computer per collegare un chip DRAM, sono necessarie alcune modifiche. La porta della stampante contiene condensatori paralleli e resistori in serie equivalenti che attenuano i fronti veloci del segnale di clock; non abbiamo bisogno di questi elementi in questo caso e quindi dovrebbero essere rimossi.
In una tipica scheda altamente integrata, i singoli moduli sono collegati direttamente dalle uscite CMOS alle porte della stampante su un bus a basso carico, quindi deve essere presente un driver buffer bidirezionale. Ora, utilizzando un cavo, collega la porta parallela alla presa su cui verrà installato il chip DRAM. Le prese di questo pannello devono avere buoni contatti (preferibilmente dorati) e resistere a ripetute sostituzioni, poiché dovrai selezionare il microcircuito necessario. È inoltre necessario estrarre una presa di alimentazione separata per il microcircuito, poiché qui non è possibile utilizzare la tensione all'uscita della porta LPT. La stampante, tuttavia, ora non può essere collegata lì! Anche il condensatore di disaccoppiamento tra il pin 8 e il pin 16 della DRAM è molto importante, poiché quando è acceso lì scorre una corrente elettrica abbastanza elevata (circa 100 mA). Questo condensatore è saldato direttamente al corpo del portachip (zoccolo) dell'IC (attenzione alla polarità! Il pin 8 è +5 volt, il pin 16 è terra). Senza questo condensatore, niente funziona! Progettazione meccanica di ottiche integrate La superficie utile del chip chip NEC 4164 è di circa 1,2x6 mmq, se rifiutiamo entrambe le matrici estreme. L'ottica integrale deve essere implementata e selezionata in base a questo fatto. Un obiettivo con una lunghezza focale di 8 mm corrisponde a circa un obiettivo standard da 50 mm in una fotocamera di piccolo formato. Vengono presi in considerazione anche obiettivi con lunghezze focali da 5 a 35 mm. Questa ottica si ripaga nell'uso futuro. Abbiamo utilizzato l'obiettivo menzionato di una fotocamera Super-8 (lunghezza focale f = 25 mm). È meglio utilizzare obiettivi a fuoco corto, ad esempio quelli di vecchie fotocamere a pellicola sottile, telecamere domestiche difettose, ecc. Spero che nei negozi di fotografia in conto deposito e negli studi fotografici ti offrano un obiettivo adatto. Ma anche senza un obiettivo di alta qualità, puoi ottenere buoni risultati utilizzando un semplice obiettivo a fuoco corto. La qualità dell'immagine proveniente dall'obiettivo non deve essere inferiore all'immagine ottenuta dall'obiettivo. Dopotutto, stai proiettando un'immagine su un cristallo a microcircuito, che non supporta l'alta risoluzione come su una pellicola fotografica. Non possiamo fornire qui una soluzione standard per il posizionamento e la progettazione del sistema ottico a causa dell'ampia scelta di lenti e della sua installazione davanti al chip di cristallo. È solo necessario notare la centratura precisa dell'ottica integrata in modo che l'immagine sia esattamente focalizzata sul cristallo. Sensibilità alla luce Il circuito integrato su un singolo cristallo non fornisce un'elevata sensibilità alla luce, quindi i tempi di esposizione del cristallo sono più lunghi di quelli di una vera videocamera CCD. La velocità di movimento degli oggetti fissi dipende dall'illuminazione e varia da centinaia a 20 secondi. Tempi più lunghi non sono possibili, altrimenti l'immagine risulterà molto disturbata (sfocata). Durante questo periodo di esposizione abbastanza lungo, è consigliabile avere un treppiede per il tuo progetto. Inoltre, le tue mani devono essere libere per correggere il tempo di esposizione agendo sulla tastiera del computer e registrando le immagini riuscite. Si noti che il cristallo del chip DRAM è più sensibile allo spettro rosso del campo ottico che a quello blu; forse ha una buona sensibilità spettrale nello spettro delle radiazioni infrarosse (invisibili). Software L'inizializzazione e la lettura del chip di memoria vengono eseguite da programmi assembler inseriti nei programmi Turbo-Pascal. Inizializzazione La procedura INITRAM inizializza il circuito integrato. Poiché la presenza di carica nelle celle di memoria del microcircuito NEC 4164 corrisponde ad un “1” logico, “1” è preregistrato in tutte le celle. Per controllare un chip DRAM sono necessari numerosi segnali di clock complessi.
Innanzitutto, il contatore dell'indirizzo di riga viene impostato all'ingresso dell'indirizzo del microcircuito. In questo caso, l'ingresso RAS verrà impostato su "0" - è consentita l'impostazione dell'indirizzo di linea. Successivamente viene fornito l'indirizzo della colonna, l'ingresso Din viene impostato sul valore desiderato (nel nostro caso tutte le celle sono impostate su “1”), quindi l'ingresso CAS viene impostato su “0”. La DRAM ha ora accettato l'indirizzo della colonna e i bit di dati. Questo processo viene ripetuto per tutte le 32768 locazioni di memoria; Ora il chip DRAM è inizializzato, tutti i condensatori sono carichi (scritto “1”). Quindi passa un certo periodo di tempo durante il quale il cristallo della memoria del chip viene irradiato. Allo scadere di questo tempo, le informazioni vengono lette dalle celle di memoria, mentre le celle evidenziate cambieranno il loro stato (i condensatori illuminati si scaricheranno più velocemente). Lettura delle informazioni La lettura delle informazioni dal cristallo di memoria viene effettuata mediante la procedura LESERAM. Ciò avverrà allo stesso modo della procedura INITRAM. Il contenuto di ciascuna cella di memoria verrà ricordato e quindi convertito in un'immagine. In questo caso, gli errori locali vengono corretti. Di conseguenza, ogni 8 bit vengono combinati in byte. Per creare un'immagine sono necessari 4096 byte, poiché viene utilizzata solo la metà del chip di memoria. Questi dati verranno poi passati al programma principale. Il programma di correzione equalizza la diversa sensibilità dei singoli pixel. (Le celle di memoria ai bordi del sensore sono più sensibili della zona centrale.) Poiché tra le due matrici centrali c'è un piccolo spazio (per NEC 4164!), esiste anche un secondo programma di correzione. Separa entrambe le metà dell'immagine di 5 pixel e riempie razionalmente l'intervallo risultante. In alcuni casi, è più razionale abbandonare questa correzione o migliorare l'algoritmo di elaborazione. Tre programmi INITRAM (inizializzazione), LESERAM (lettura) e correzione sono contenuti nella procedura "Esposizione" e sono necessari per creare un intervallo di tempo per l'irradiazione della matrice e la registrazione delle informazioni sull'immagine. La procedura "ANZEIGE" viene utilizzata per visualizzare rapidamente un'immagine da una scheda VGA. In questo caso, le informazioni sull'immagine vengono inserite direttamente nella memoria video, il che accelera notevolmente il risultato. Sfortunatamente, le distanze verticali delle singole celle di memoria sono raddoppiate, il che si spiega con la procedura di compensazione nel programma di visualizzazione. Se utilizzi altri adattatori video, potrebbe essere necessario modificare questa routine. Le procedure "SPEICHERN" (Scrittura) e "LESEN" (Lettura) registrano e, di conseguenza, salvano l'immagine in formato BMP e la scaricano sul disco rigido. Altri programmi I programmi discussi sopra vengono utilizzati da altri programmi applicativi. Il programma KUCKUCK è il più importante di tutti; Registra immagini singole e serie di immagini con 2, 4 o 10 livelli di luminosità. L'immagine corrente è sempre sul monitor e può essere registrata utilizzando la barra spaziatrice. In linea di principio la fotocamera può ovviamente accettare solo immagini con 2 livelli (bianco e nero), tuttavia è possibile irradiare ripetutamente immagini con mezzitoni (sfumature di grigio).
Le singole esposizioni delle immagini mezzitoni vengono scritte in sequenza in file (.3 e, rispettivamente, ".9") e poi convertite per l'ulteriore elaborazione dai programmi "Grau3", "Grau4" e "Dither": "Grau3" produce 3 singole esposizioni di una bitmap con 4 livelli di luminosità. (4 bit per pixel di informazioni, mentre vengono utilizzati solo i colori 0, 7, 8 e 15 e, di conseguenza, i livelli di nero, grigio chiaro, grigio scuro e bianco. Per l'elaborazione rapida dello schermo delle immagini a mezzitoni, è necessaria un'altra conversione: il " Grau4" converte gli stessi dati di input allo stesso modo di "Grau3", ma in un formato diverso. Nove singole esposizioni per il file ".9" vengono convertite dal programma "Dither" in un'immagine in bianco e nero (rispettivamente 3 volte la larghezza e l'altezza dell'originale). Come risultato delle esposizioni, ogni pixel in nove immagini per ciascun punto creerà una matrice di 3x3 pixel di distribuzioni casuali. Il programma "FilmAb" (Video Clip) viene utilizzato per visualizzare le sequenze di immagini create, che a loro volta sono state create dal programma "KUCKUCK". In questo modo è possibile creare brevi “videoclip” con 2 o 4 livelli di luminosità ed è possibile selezionare qualsiasi ordine di visualizzazione. Poiché il formato 128x256 pixel risulta piuttosto grande, soprattutto perché la lunghezza delle righe è doppia rispetto a quella delle colonne, è possibile utilizzare il “mezzo formato” con una risoluzione di 128x128 pixel. Prima di tutto, quando si esegue il programma "FilmAb" (Video Clip), è necessario caricare razionalmente questa opzione per risparmiare spazio su disco. Le singole immagini risultanti possono essere elaborate da programmi Windows come Paintbrush. Elenco delle singole procedure e programmi: - VIDEO.INC contiene procedure di alto livello: - INITRAM, INITRAM2: Inizializzazione del chip D4164 rispettivamente in formato intero e mezzo. - LESERAM, LESERAM2: legge le informazioni sull'immagine. - ANZEIGE: ingresso veloce alla scheda VGA. - LESEN: file bitmap a 2 colori, 128x256 e 128x128 pixel. - SPEICHERN: dati bitmap, formato come letto - KUCKUCK: registrazione in due formati: 2, 4 o 10 livelli di luminosità. - GRAU3: Genera un file BMP a 4 colori da 3 singole esposizioni (".3" -> ".BMP"). - GRAU4: i dati vengono generati con le informazioni per il 4° bit della scheda VGA (".3" -> ".4"). - DITHER: Da 9 singole esposizioni vengono create 2 immagini a colori (".9" -> ".BMP"). - FILMAB: 2 o 4 bitmap a colori vengono uniti in un filmato (dato un nome: "nome. BMP"). letteratura: - Datenblatt IS 32 Optic Ram, tecnologia Micron Un insieme di documentazione originale in un file kuckuck.zip (283 kB) Nota del traduttore Questo lavoro, a giudicare dalla data di creazione dei file, è stato scritto nel 1992, quando anche 486 computer erano una cosa molto interessante. Potrebbe essere necessario regolare il software per i PC moderni. Potrebbe non essere necessario modificare la porta parallela del computer (non voglio perdere la stampante :-). Per quanto riguarda i microcircuiti utilizzati: - a quanto pare non sarà facile trovare la NEC DRAM (non ne ho ancora trovata una nel cestino), e l'MS di un'altra azienda potrebbe non contenere un tappo di metallo. Come arrivare allora al cristallo? In generale, la mia opinione è che questo articolo sia solo un punto di partenza per sperimentare questo interessante problema. В file sorgente ci sono alcuni file di testo in più. Proverò a tradurli anche io. Autore: Martin Kurz, tradotto da Nikolai Bolshakov, rf.atnn.ru
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