Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Nová komunikační rozhraní ve strojovém vidění

Digitální průmyslové kamery jsou velmi rozšířené nejen v systémech strojového vidění, ale také v inteligentních dopravních systémech a na testovacích pracovištích všeho druhu. Pro svou práci potřebují kvalitní a spolehlivé komunikační rozhraní pro přenos obrazových dat do počítače, kde jsou data zpracovávána. Dříve velmi rozšířený způsob přenosu obrazu analogově koaxiálním kabelem je postupně nahrazován digitálními sběrnicemi. Při navrhování systému strojového vidění je třeba vzít v úvahu spoustu vlivů, jako je čistota prostředí, vliv elektromagnetického rušení, délka kabelových rozvodů či umístění kamery. Pro přenos obrazu z kamery do počítače vznikly zvláštní komunikační protokoly implementované na již existující rozhraní (např. na gigabitový Ethernet a USB) nebo specifické sběrnice určené pouze pro kamery (Camera Link nebo CoaXPress). Výběr komunikačního rozhraní zásadně ovlivňuje výkon, spolehlivost a cenu celého systému. Tento článek si klade za cíl seznámit čtenáře s poměrně novými sběrnicemi USB 3.0 a CoaXPress. 

Sběrnice USB 3.0 a protokol USB3 Vision

Rozhraní USB 3.0 se již určitou dobu používá na osobních počítačích jako novější generace staršího rozhraní USB 2.0. Ačkoliv existují také kamery s rozhraním USB 2.0, tato sběrnice se nikdy nestala průmyslovým standardem vhodným pro kamery, a to hlavně pro její náchylnost k rušení, malý dosah kabelu a poměrně velkou zátěž procesoru počítače. Proto vzniklo nové, přepracované rozhraní USB 3.0, které těží z velmi snadného připojení typu plug & play a velké datové propustnosti. Ve srovnání s USB 2.0 je správa komunikace sběrnice USB 3.0 v mnohém vylepšena, takže vykazuje větší spolehlivost přenosu dat a rapidně méně zatěžuje CPU počítače. Většina řadičů USB 3.0 umožňuje přímý přístup do paměti prostřednictvím DMA (Direct Memory Access), a tak minimalizuje zátěž procesoru při přenosu velkých objemů dat.

Použití kamer s rozhraním USB 3.0 (obr. 1) je vhodné jak ve výrobě, tak i mimo průmyslové prostředí, např. v laboratořích, obchodech, při televizním záznamu atd. Slibné je také jejich použití při vysokorychlostním snímání a ve vestavných systémech. Jednoduché instalaci významně napomáhá napájení kamery přímo z komunikační linky 5 V s příkonem do 4,5 W. 

Standardizace

Podobně jako u gigabitového Ethernetu, i pro USB 3.0 byl vyvinut protokol USB3 Vision (obr. 2), aby bylo možné kamery spolehlivě použít v systémech strojového vidění jako zařízení s vlastnostmi real-time. Podpora protokolu USB3 Vision a standardu GenICam umožňuje vzájemně propojit systémy a kamery různých výrobců bez nutnosti změny ovladačů nebo aplikačního programu. 

Kabeláž a konektory

Pro připojení kamery k počítači lze využít jednoduchý kabel USB 3.0, který má na jednom konci standardní konektor USB typu A a na druhém konci rozšířený konektor Micro-B (obr. 3). Doporučuje se však použít průmyslový kabel odolný proti rušení i zhoršeným podmínkám ve výrobě. Vzhledem ke konstrukci konektoru je vhodný kabel se šroubky na straně kamery. 

Připojení k počítači

Téměř každý nový počítač má rozhraní USB 3.0. Z testů provedených výrobci kamer však vyplývá, že ne každý řadič má schopnost spolehlivě přenášet data maximální rychlostí po delší dobu. Výrobci kamer proto uvádějí různá doporučení ohledně řadičů a přídavných karet, které je vhodné použít.  

Srovnání s jinými sběrnicemi

Někteří výrobci nabízejí stejné kamery s různým komunikačním rozhraním, např. s USB 3.0 nebo gigabitovým Ethernetem. Proto se nabízí otázka, jaké rozhraní vybrat pro určitou úlohu. Je třeba říci, že USB 3.0 nemá za úkol nahradit gigabitový Ethernet. Obě rozhraní budou i nadále existovat vedle sebe. Gigabitový Ethernet je vhodné použít v multikamerových systémech a také tehdy, je-li třeba přenášet data na větší vzdálenost. Rozhraní USB 3.0 je zamýšleno jako náhrada dosluhujícího rozhraní FireWire, s nímž sdílí mnoho vlastností, jako je schopnost práce v reálném čase, napájení z kabelu a velmi snadné připojení kamery. Navíc přidává vyšší rychlost a nativní podporu v nových počítačích.

Sběrnice CoaXPress

Rozhraní CoaXPress (obr. 4) je označováno jako rozhraní nové generace. Jeho hlavní přednosti jsou velká datová propustnost, velká maximální délka kabeláže a její nízká cena (tab. 3). CoaXPress je rozhraní určené pro vysokorychlostní kamery, které přenášejí obraz přímo do počítače k dalšímu zpracování (obr. 5). Díky synchronizaci a přenosu dat v reálném čase je CoaXPress vhodnou sběrnicí také pro řádkové kamery s vysokým rozlišením.

CoaXPress je asymetrická vysokorychlostní přenosová linka využívající koaxiální kabel. Současná verze podporuje rychlost až 6,25 Gb/s směrem z kamery do počítače jedním kabelem. Je-li třeba vyšší komunikační rychlost, je možné linky agregovat, a dosáhnout tak rychlosti až 25 Gb/s (při spojení čtyř linek). Opačným směrem lze přenášet data rychlostí 20,8 Mb/s. Zpětná linka se využívá pro nastavení a synchronizaci kamery. Koaxiálním kabelem je možné kameru rovněž napájet napětím 24 V s maximálním příkonem 13 W. 

Kabeláž a konektory

Velkou výhodou je nízká cena kabeláže, kterou tvoří jednoduchý a levný koaxiální kabel s charakteristickou impedancí 75 W. Díky propracovanému komunikačnímu protokolu lze kameru synchronizovat s velmi malou latencí. Přitom délka kabeláže může dosahovat, v závislosti na frekvenci a kvalitě kabeláže, desítek až stovek metrů. Jako konektory lze použít standardní BNC nebo vysokofrekvenční DIN 1.0/2.3 (obr. 6). Pro kamery s agregací linek se používají spe­ciální sdružené konektory s několika vstupními konektory. 

Komunikační karta

Rozhraní CoaXPress není běžnou součástí počítače, a je tudíž třeba doplnit komunikační kartu (obr. 7). V současné době je na světě několik výrobců těchto karet, jež jsou většinou určeny pro jednu až čtyři kamery. Pro připojení karty do počítače je třeba mít volný slot PCI Express (typ 4x). Karta zajistí efektivní převod signálu z koaxiálního kabelu a přijatá data pošle ke zpracování aplikačnímu programu. Pro přenos dat do paměti se používá přímý přístup prostřednictvím DMA. Procesor počítače tak není zatížen komunikací a jeho kapacita může být využita ke zpracovávání obrazové informace. 

Srovnání se sběrnicí Camera Link

Komunikační rozhraní CoaXPress je alter­nativou pro ty oblasti strojového vidění, kde se až dosud používala sběrnice Camera Link. CoaXPress poskytuje srovnatelné nebo i vyšší přenosové rychlosti, ale maximální délka kabelu je několikanásobná a jeho cena nižší. Pro nové projekty s požadavkem na velkou rychlost snímání je nadále možné použít rozhraní Camera Link, ale doporučuje se zvážit použití rozhraní CoaXPress, jestliže je u daného typu kamery k dispozici. Stejně jako pro Camera Link, je i pro CoaXPress třeba použít speciální kartu pro zachytávání obrazu. 

Závěr

Nástup nových sběrnic v průmyslu je obvykle pozvolný a trvá zpravidla několik let, než jsou nové standardy přijaty širším okruhem uživatelů a integrátorů systémů. U rozhraní USB 3.0 je očekáván výrazný nárůst počtu instalací. Masivnímu rozšíření napomůže i renovace starých kamerových systémů s kamerami s analogovým výstupem nebo rozhraním FireWire. Rozhraní CoaXPress je určeno pro rychlejší kamery, které nejsou v kamerových systémech až tak časté, a očekává se, že bude spíše ukrajovat podíl počtu instalací sběrnice Camera Link, zvláště v nových instalacích. 

Literatura:

[1] FINTEL, R: Comparison of the Most Common Digital Interface Technologies in Vision Technology: Camera Link®, USB3 Vision, GigE Vision, FireWire. White paper, Basler AG, 03/2013. Dostupné na <www.baslerweb.com/media/documents/BAS1303_White_Paper_Interface_Comparsion_e.pdf>, cit. 28. 8. 2013.

[2] –: Camera Link. Encyklopedické heslo. Dostupné na <http://en.wikipedia.org/wiki/Camera_Link>, cit. 28. 8. 2013.

[3] BEYON, C. – HERRMANN, J.: CoaXPress White Paper WP-1: Overview. Coaxpress, listopad 2009. Dostupné na <www.coaxpress.com/coaxpress-documentation.php>, cit. 28. 8. 2013.

[4] –: USB 3.0 Interface and USB3 Vision Standard. Basler AG, 2013. Dostupné na <www.baslerweb.com/Technologies_USB-18087.html>, cit. 28. 8. 2013.

[5] –: CoaXPress. Encyklopedické heslo. Dostupné na <http://en.wikipedia.org/wiki/CoaXPress>, cit. 28. 8. 2013.

[6] –: CytonCXP. Firemní materiál. BitFlow, 2013. Dostupné na <www.bitflow.com/index.php/CytonCXP >, cit. 28. 8. 2013. 

Ing. Tomáš Gřeš, ATEsystem, s. r. o. (tg@atesystem.cz)

Obr. 1. Kamera s rozhraním USB 3.0 (Basler)

Obr. 2. Logo protokolu USB3 Vision

Obr. 3. Konektory kabelu USB 3.0

Obr. 4. Logo sběrnice CoaXPress

Obr. 5. Kamera s rozhraním CoaXPress (JAI)

Obr. 6. Konektory pro CoaXPress

Obr. 7. Komunikační karta pro CoaXPress a integrovaný kabel (Bitflow)

 Tab. 1. Vlastnosti rozhraní USB 3.0

Tab. 2. Vlastnosti rozhraní CoaXPress

Tab. 4. Srovnání nejrozšířenějších komunikačních rozhraní pro kamery