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機器視覺接口的兩種形式和類型介紹

日期:2020-11-16 來源:币游国际

為您的接口是您選擇攝像頭過程的一項決定因素。以下小節內容將概述機器視覺可用的不同電纜和連接器類型以及相關利弊。

機器視覺接口一般有兩種形式:專用型和消費型。

 

專用型接口

適用於需要使用此類接口的極高速或超高分辨率應用;例如,用於檢測紙質或塑料薄膜生產這類連續流水作業的行掃描攝像頭,其工作頻率一般處於kHz水平。然而這些接口明顯更加昂貴,靈活性更低,而且會增加係統複雜性。此類應用通常使用CarmeraLink(支持最大6.8Gbit/s數據傳輸)和CoaXPress(支持最大12Gbit/s數據傳輸)這些專用型機器視覺接口。采用這些接口的係統除了需要攝像頭外,還需要圖像采集卡。它們是專門用於接收圖像數據並組合成可用圖像的適配卡。專用型機器視覺接口還要使用專用線纜,增加了與外圍設備集成的難度。

CoaXPress(CXP)

CoaXpress接口發布於2008年,用於支持高速成像應用。CXP接口使用75ohm同軸電纜,每個通道的數據傳輸速度最大可達6.25Gbit/s,同時能通過多個通道支持更快的數據傳輸速度。一條CXP電纜最大能提供13W的功率,要求“設備”和“主機”同時支持GenICam攝像頭編程接口。盡管單通道同軸電纜的價格實惠,但如果要設置多通道電纜總成和圖像采集卡,成本將迅速增加。

Cameralink

CameraLink標準由國際自動成像協會(AutomatedImagingAssociaTIon,簡稱AIA)在2000年設立,曆經不斷更新,目的是支持更高的數據傳輸速度,其中一些版本需要兩條傳輸電纜。三種可用的主要配置包括:基本(2.04Gbit/s)、中檔(5.44Gbit/s)和進階/擴展(6.8Gbit/s)。基本標準使用MDR(“MiniDRibbon”)26針連接器,中檔/完整配置使用兩條電纜,能力翻倍。進階/擴展版本超越CameraLink規定的極限,可以承載最大6.8Gbit/s的數據傳輸。CameraLink和CXP接口同樣都需要圖像采集卡,而且還額外要求兼容於CameraLink供電模式(PoweroverCameraLink,簡稱PoCL)標準以便供電。CameraLink缺少糾錯或重發功能,需要進行昂貴且繁雜的電纜設置,以便提高信號完整性,力圖避免圖像丟失。

消費型接口

此類接口使機器視覺攝像頭可以通過廣泛可用的USB以太網標準連入主機係統。對多數機器視覺應用而言,USB3.1Gen1和千兆以太網消費型接口具備便捷、速度、簡單和價格合理的組合優勢。此外,消費型接口支持通過廣泛可用的硬件和外圍設備執行機器視覺功能。您可以從亞馬遜(Amazon)或您當地電腦城或電子產品店購買USB和以太網集線器、交換機、電纜和接口卡,不同的價格準確滿足您的需求。大多數PC、筆記本和嵌入式係統均至少包含一個千兆以太網或USB3.1Gen1端口。這些接口類別的最大區別是帶寬。在既定分辨率條件下,更快的接口支持更高的幀率(圖1)。更快的接口讓

您每秒捕捉更多圖像或捕捉分辨率更高的圖像,同時又不影響吞吐量。

舉例來說,半導體晶片檢測係統的晶片如果從8”升級到12”,需要分辨率更高的攝像頭。這種情況下,係統設計人員需要在“保留現有接口”和“犧牲吞吐量換取更高分辨率”兩者間作出選擇,或者升級為更快接口來維持或提高吞吐量。

機器視覺接口的兩種形式和類型介紹_heydanbo.com

圖1.每種接口的可用帶寬與傳感器分辨率和最終幀率。

您對分辨率、幀率、電纜長度和主機係統組態的要求均應納入考量,方能確保獲得所需性能,同時不需要花費超出需求的成本。FLIR的機器視覺攝像頭支持所有三種可信賴且廣泛可用的接口。

通用串行總線(USB)

USB隨處可見。您可以看看四周有多少個USB設備和配件。您覺得這意味著什麽?意味著大多數USB機器視覺攝像頭使用的是USB3.1Gen1接口。這種接口為攝像頭和主機係統之間提供最大4Gibt/s的圖像數據帶寬。USB3視覺標準確定了一組常用的設備探測、圖像傳輸和攝像頭控製協議,有助於保障各種攝像頭與軟件的兼容性。

USB支持直接內存存取(DMA)。有了DMA功能,圖像數據就可以從USB直接傳送到內存,然後供軟件使用。DMA同時具備在幾乎所有硬件平台上對USB的廣泛支持性和USB控製器驅動程序的可用性,使USB非常適合用於嵌入式係統。USB3.1Gen1電纜最長5m,因此嵌入式係統基本不會出現電纜長度的問題。USB3.1Gen1可以為攝像頭提供最高4.5W的功率,簡化了係統設計。近期確立的USB供電技術規格允許一些主機為快速充電手機這類設備提供更多電力,此技術規格獨立於USB3.1Gen1基礎標準,但機器視覺攝像頭製造商尚未采用。

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圖3.不同類型的USB連接器

高度靈活的USB電纜有助於提高係統內(攝像頭在其中頻繁移動)電纜的使用壽命。有源光纜(AOC)可用於大幅延長工作距離並獲得電磁幹擾(EMI)電阻。有源光纜的性能取決於吞吐量要求和主機係統組態。使用有源光纜時,即便是可以通過電纜供電的類型,FLIR也建議在外部通過GPIO為攝像頭供電。此外,鎖定USB電纜將為電纜、攝像頭和主機係統提供安全連接。購買鎖定電纜前,因為其選項多樣,FLIR建議檢查鎖定螺釘位置和間隔兼容性。

USB3.1Gen1適用於FLIRBlackflyS-盒裝和板級版本和小型FireflyS。

千兆以太網(GigE)

GigE提供最大1Gbit/s的圖像數據帶寬。它綜合了簡便性、速度、最長100m電纜以及通過單條電纜為攝像頭供電的能力等特性,是一種深受歡迎的攝像頭接口。以太網電纜提供堅固屏蔽層。因此非常適合因某些機器人和計量設備的強大電機而產生較大電磁幹擾的環境。FLIRGigE攝像頭同時還擁有數據包重發功能,進一步增強傳輸可靠性。

與USB不同的是,GigE不支持DMA。包含圖像數據的數據包傳輸到主機,並在其中重組為圖像框架,之後再複製到軟件可存取內存。這一過程對於現代PC而言是小菜一碟,但仍然會造成某些係統資源受限的低功率嵌入式係統的延遲。

Gigabit以太網的廣泛使用意味著存在各種從電纜到交換機的支持產品,隨時滿足各類項目需求。GigE攝像頭支持IEEE1588PTP時間同步協議,使攝像頭和其他支持以太網的設備,如執行機構和工業可編程邏輯控製器,可以在準確同步的共同時間基礎上運行。

以太網廣泛應用於眾多行業,促進許多專業電纜和連接器在各種用例中的可用性。例如,有的以太網電纜設計用於防範EMI(電磁幹擾)、高溫和化學製品,還有的可以滿足高靈活性要求,等等。

以太網電纜擁有因結構而異的類別編號。GigE最為常用的是CAT5e,而CAT6A、CAT7和CAT8具備更高的EMI抗性,但成本更高,電纜直徑更大。一些工業設備使用X-CodedM12(圖3,右)連接器提供強化屏蔽,但對大多數應用來說,常見的RJ-45連接器便足以使用,成分更低,但說服力更強。此外,螺釘鎖定的RJ45連接器提高了RJ45電纜的安全性。

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圖5.普及廣的RJ45連接器(左)和更不常見的X-CodedM12連接器(右)

注:RJ45連接器可以快速連接和斷開。X-CodedM12連接器(右)連接更慢,但IP等級版本更穩固,適用

性更好。

GigE適用於FLIRBlackflyS-盒裝和FLIRBlackflyS-板級攝像頭。

萬兆以太網(10GigE)

10GigE將帶寬提高到10Gbit/s,基於GigE的優勢獲得提升。10GigE是高分辨率3D掃描、容積捕捉和精密計量的理想選擇。GigE和10GigE組合方式多樣。可以將多台GigE攝像頭連入一台10GigE交換機,實現主機係統上單10GigE端口全速運行多台GigE攝像頭。由於CAT5e電纜隻能在30m距離內運行於10GigE攝像頭,因此推薦使用CAT6A或更高等級的電纜。

10Gbit/s的數據量很大!采用高速CPU、PCIe3.0和雙通道內存的現代PC係統足以處理這麽大的數據量,而性能更強的係統則可以支持多台10GigE攝像頭。係統資源減少的嵌入式係統一般無法達到跟進傳入圖像數據所需的內存帶寬和處理器速度。

10GgiE適用於FLIROryx攝像頭。

總結

消費型和專用型接口均用於多種機器視覺應用。以上小節提及的利弊將最終決定具體用例中的適用性高低。但是,消費型接口綜合了性能、易用性、廣泛可用性和低成本的特點,對於大多數機器視覺應用來說是一種頗具吸引力的選擇。

 


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