機(jī)器視覺可用的不同電纜和連接器類型以及相關(guān)利弊分析

機(jī)器視覺可用的不同電纜和連接器類型以及相關(guān)利弊分析為您的機(jī)器視覺應(yīng)用選擇正確的接口是您選擇攝像頭過程的一項(xiàng)決定因素。以下小節(jié)內(nèi)容將概述機(jī)器視覺可用的不同電纜和連接器類型以及相關(guān)利弊。機(jī)器視覺接口一般有兩種形式：專用型和消費(fèi)型。專用型接口適用于需要使用此類接口的極高速或超高分辨率應(yīng)用；例如，用于檢測(cè)紙質(zhì)或塑料薄膜生產(chǎn)這類連續(xù)流水作業(yè)的行掃描攝像頭，其工作頻率一般處于kHz水平。然而這些接口明顯更加昂貴，靈活性更低，而且會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性。此類應(yīng)用通常使用CarmeraLink（支持最大6.8Gbit/s數(shù)據(jù)傳輸）和CoaXPress（支持最大12Gbit/s數(shù)據(jù)傳輸）這些專用型機(jī)器視覺接口。采用這些接口的系統(tǒng)除了需要攝像頭外，還需要圖像采集卡。它們是專門用于接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)并組合成可用圖像的適配卡。專用型機(jī)器視覺接口還要使用專用線纜，增加了與外圍設(shè)備集成的難度。CoaXPress（CXP）CoaXpress接口發(fā)布于2008年，用于支持高速成像應(yīng)用。CXP接口使用75ohm同軸電纜，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速度最大可達(dá)6.25Gbit/s，同時(shí)能通過多個(gè)通道支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。一條CXP電纜最大能提供13W的功率，要求“設(shè)備”和“主機(jī)”同時(shí)支持GenICam攝像頭編程接口。盡管單通道同軸電纜的價(jià)格實(shí)惠，但如果要設(shè)置多通道電纜總成和圖像采集卡，成本將迅速增加。CameralinkCameraLink標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際自動(dòng)成像協(xié)會(huì)（AutomatedImagingAssociation，簡(jiǎn)稱AIA）在2000年設(shè)立，歷經(jīng)不斷更新，目的是支持更高的數(shù)據(jù)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(jìn)階/擴(kuò)展（6.8Gbit/s）。基本標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)階/擴(kuò)展版本超越CameraLink規(guī)定的極限，可以承載最大6.8Gbit/s的數(shù)據(jù)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于CameraLink供電模式（PoweroverCameraLink，簡(jiǎn)稱PoCL）標(biāo)準(zhǔn)以便供電。CameraLink缺少糾錯(cuò)或重發(fā)功能，需要進(jìn)行昂貴且繁雜的電纜設(shè)置，以便提高信號(hào)完整性，力圖避免圖像丟失。消費(fèi)型接口此類接口使機(jī)器視覺攝像頭可以通過廣泛可用的USB和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)連入主機(jī)系統(tǒng)。對(duì)多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用而言，USB3.1Gen1和千兆以太網(wǎng)消費(fèi)型接口具備便捷、速度、簡(jiǎn)單和價(jià)格合理的組合優(yōu)勢(shì)。此外，消費(fèi)型接口支持通過廣泛可用的硬件和外圍設(shè)備執(zhí)行機(jī)器視覺功能。您可以從亞馬遜（Amazon）或您當(dāng)?shù)仉娔X城或電子產(chǎn)品店購(gòu)買USB和以太網(wǎng)集線器、交換機(jī)、電纜和接口卡，不同的價(jià)格準(zhǔn)確滿足您的需求。大多數(shù)PC、筆記本和嵌入式系統(tǒng)均至少包含一個(gè)千兆以太網(wǎng)或USB3.1Gen1端口。這些接口類別的最大區(qū)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(shí)又不影響吞吐量。舉例來說，半導(dǎo)體晶片檢測(cè)系統(tǒng)的晶片如果從8”升級(jí)到12”，需要分辨率更高的攝像頭。這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在“保留現(xiàn)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(jí)為更快接口來維持或提高吞吐量。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(duì)分辨率、幀率、電纜長(zhǎng)度和主機(jī)系統(tǒng)組態(tài)的要求均應(yīng)納入考量，方能確保獲得所需性能，同時(shí)不需要花費(fèi)超出需求的成本。FLIR的機(jī)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(gè)USB設(shè)備和配件。您覺得這意味著什么？意味著大多數(shù)USB機(jī)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(jī)系統(tǒng)之間提供最大4Gibt/s的圖像數(shù)據(jù)帶寬。USB3視覺標(biāo)準(zhǔn)確定了一組常用的設(shè)備探測(cè)、圖像傳輸和攝像頭控制協(xié)議，有助于保障各種攝像頭與軟件的兼容性。圖2.USB3.1Gen1電纜（USB到鎖定USB）USB支持直接內(nèi)存存?。―MA）。有了DMA功能，圖像數(shù)據(jù)就可以從USB直接傳送到內(nèi)存，然后供軟件使用。DMA同時(shí)具備在幾乎所有硬件平臺(tái)上對(duì)USB的廣泛支持性和USB控制器驅(qū)動(dòng)程序的可用性，使USB非常適合用于嵌入式系統(tǒng)。USB3.1Gen1電纜最長(zhǎng)5m，因此嵌入式系統(tǒng)基本不會(huì)出現(xiàn)電纜長(zhǎng)度的問題。USB3.1Gen1可以為攝像頭提供最高4.5W的功率，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近期確立的USB供電技術(shù)規(guī)格允許一些主機(jī)為快速充電手機(jī)這類設(shè)備提供更多電力，此技術(shù)規(guī)格獨(dú)立于USB3.1Gen1基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，但機(jī)器視覺攝像頭制造商尚未采用。圖3.不同類型的USB連接器高度靈活的USB電纜有助于提高系統(tǒng)內(nèi)（攝像頭在其中頻繁移動(dòng)）電纜的使用壽命。有源光纜（AOC）可用于大幅延長(zhǎng)工作距離并獲得電磁干擾（EMI）電阻。有源光纜的性能取決于吞吐量要求和主機(jī)系統(tǒng)組態(tài)。使用有源光纜時(shí)，即便是可以通過電纜供電的類型，F(xiàn)LIR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(jī)系統(tǒng)提供安全連接。購(gòu)買鎖定電纜前，因?yàn)槠溥x項(xiàng)多樣，F(xiàn)LIR建議檢查鎖定螺釘位置和間隔兼容性。USB3.1Gen1適用于FLIRBlackflyS-盒裝和板級(jí)版本和小型FireflyS。千兆以太網(wǎng)（GigE）GigE提供最大1Gbit/s的圖像數(shù)據(jù)帶寬。它綜合了簡(jiǎn)便性、速度、最長(zhǎng)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(wǎng)電纜提供堅(jiān)固屏蔽層。因此非常適合因某些機(jī)器人和計(jì)量設(shè)備的強(qiáng)大電機(jī)而產(chǎn)生較大電磁干擾的環(huán)境。FLIRGigE攝像頭同時(shí)還擁有數(shù)據(jù)包重發(fā)功能，進(jìn)一步增強(qiáng)傳輸可靠性。與USB不同的是，GigE不支持DMA。包含圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)街鳈C(jī)，并在其中重組為圖像框架，之后再?gòu)?fù)制到軟件可存取內(nèi)存。這一過程對(duì)于現(xiàn)代PC而言是小菜一碟，但仍然會(huì)造成某些系統(tǒng)資源受限的低功率嵌入式系統(tǒng)的延遲。圖4.千兆以太網(wǎng)/GigE電纜（RJ45到RJ45）Gigabit以太網(wǎng)的廣泛使用意味著存在各種從電纜到交換機(jī)的支持產(chǎn)品，隨時(shí)滿足各類項(xiàng)目需求。GigE攝像頭支持IEEE1588PTP時(shí)間同步協(xié)議，使攝像頭和其他支持以太網(wǎng)的設(shè)備，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)和工業(yè)可編程邏輯控制器，可以在準(zhǔn)確同步的共同時(shí)間基礎(chǔ)上運(yùn)行。以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)，促進(jìn)許多專業(yè)電纜和連接器在各種用例中的可用性。例如，有的以太網(wǎng)電纜設(shè)計(jì)用于防范EMI（電磁干擾）、高溫和化學(xué)制品，還有的可以滿足高靈活性要求，等等。以太網(wǎng)電纜擁有因結(jié)構(gòu)而異的類別編號(hào)。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(yè)設(shè)備使用X-CodedM12（圖3，右）連接器提供強(qiáng)化屏蔽，但對(duì)大多數(shù)應(yīng)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(qiáng)。此外，螺釘鎖定的RJ45連接器提高了RJ45電纜的安全性。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I(xiàn)P等級(jí)版本更穩(wěn)固，適用性更好。GigE適用于FLIRBlackflyS-盒裝和FLIRBlackflyS-板級(jí)攝像頭。萬兆以太網(wǎng)（10GigE）10GigE將帶寬提高到10Gbit/s，基于GigE的優(yōu)勢(shì)獲得提升。10GigE是高分辨率3D掃描、容積捕捉和精密計(jì)量的理想選擇。GigE和10GigE組合方式多樣?？梢詫⒍嗯_(tái)GigE攝像頭連入一臺(tái)10GigE交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)上單10GigE端口全速運(yùn)行多臺(tái)GigE攝像頭。由于CAT5e電纜只能在30m距離內(nèi)運(yùn)行于10GigE攝像頭，因此推薦使用CAT6A或更高等級(jí)的電纜。10Gbit/s的數(shù)據(jù)量很大！采用高速CPU、PCIe3.0和雙通道內(nèi)存的現(xiàn)代PC系統(tǒng)足以處理這么大的數(shù)據(jù)量，而性能更強(qiáng)的系統(tǒng)則可以