FLIR Systems 發表於 2020-11-07 11:54:50
為您的機器視覺應用選擇正確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解析度應用；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，而且會增加系統複雜性。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。採用這些接口的系統除了需要攝像頭外，還需要圖像採集卡。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。儘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採集卡，成本將迅速增加。
Cameralink
CameraLink 標準由國際自動成像協會（Automated Imaging Association，簡稱 AIA）在 2000 年設立，歷經不斷更新，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 （「Mini D Ribbon」） 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 6.8 Gbit/s 的數據傳輸。CameraLink 和 CXP 接口同樣都需要圖像採集卡，而且還額外要求兼容於 Camera Link 供電模式（Power over Camera Link，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 和乙太網標準連入主機系統。對多數機器視覺應用而言，USB 3.1 Gen 1 和千兆乙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體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 和乙太網集線器、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、筆記本和嵌入式系統均至少包含一個千兆乙太網或 USB 3.1 Gen 1 埠。
這些接口類別的最大區別是帶寬。在既定解析度條件下，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解析度更高的圖像，同時又不影響吞吐量。
舉例來說，半導體晶片檢測系統的晶片如果從 8」 升級到 12」，需要解析度更高的攝像頭。這種情況下，系統設計人員需要在「保留現有接口」和「犧牲吞吐量換取更高解析度」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。
圖 1. 每種接口的可用帶寬與傳感器解析度和最終幀率。
您對解析度、幀率、電纜長度和主機系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。您覺得這意味著什麼？意味著大多數 USB 機器視覺攝像頭使用的是 USB 3.1 Gen 1 接口。這種接口為攝像頭和主機系統之間提供最大 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制協議，有助於保障各種攝像頭與軟體的兼容性。
圖 2. USB 3.1 Gen1 電纜（USB 到鎖定 USB）
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，然後供軟體使用。DMA 同時具備在幾乎所有硬體平臺上對 USB 的廣泛支持性和 USB 控制器驅動程序的可用性，使 USB 非常適合用於嵌入式系統。USB 3.1 Gen 1 電纜最長 5m，因此嵌入式系統基本不會出現電纜長度的問題。USB 3.1 Gen 1 可以為攝像頭提供最高 4.5W 的功率，簡化了系統設計。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 USB 3.1 Gen 1 基礎標準，但機器視覺攝像頭製造商尚未採用。
圖 3. 不同類型的 USB 連接器
高度靈活的 USB 電纜有助於提高系統內（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系統組態。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、攝像頭和主機系統提供安全連接。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。
USB 3.1 Gen 1 適用於 FLIR Blackfly S - 盒裝和板級版本和小型 Firefly S。
千兆乙太網 （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。乙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。FLIR GigE 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，之後再複製到軟體可存取內存。這一過程對於現代 PC 而言是小菜一碟，但仍然會造成某些系統資源受限的低功率嵌入式系統的延遲。
圖 4. 千兆乙太網/GigE 電纜（RJ45 到 RJ45）
Gigabit 乙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 IEEE1588 PTP 時間同步協議，使攝像頭和其他支持乙太網的設備，如執行機構和工業可編程邏輯控制器，可以在準確同步的共同時間基礎上運行。
乙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，有的乙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。
乙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-Coded M12（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。
圖 5. 普及廣的 RJ45 連接器（左）和更不常見的 X-Coded M12 連接器（右）
註：RJ45 連接器可以快速連接和斷開。X-Coded M12 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 FLIR Blackfly S - 盒裝和 FLIR Blackfly S - 板級攝像頭。
萬兆乙太網 （10GigE）
10GigE 將帶寬提高到 10Gbit/s，基於 GigE 的優勢獲得提升。10GigE 是高解析度 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。可以將多臺 GigE 攝像頭連入一臺 10GigE 交換機，實現主機系統上單 10GigE 埠全速運行多臺 GigE 攝像頭。由於 CAT5e 電纜只能在 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！採用高速 CPU、PCIe 3.0 和雙通道內存的現代 PC 系統足以處理這麼大的數據量，而性能更強的系統則可以支持多臺 10GigE 攝像頭。系統資源減少的嵌入式系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FLIR Oryx 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。
編輯：hfy
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