What's next?
Kamera-Interfaces der nächsten Generation im Überblick
Der folgende Artikel bietet einen Überblick und Vergleich der Ethernet-, USB-, Camera Link- und CoaXPress-Standards der nächsten Generation. Zudem stellt er Thunderbolt3 vor.
Bild: Flir Systems, Inc.10GigE
Im Jahr 2016 besaßen die Hälfte aller verkauften Bildverarbeitungskameras eine Gigabit-Ethernet (GigE) Schnittstelle. Die höhere Geschwindigkeit und niedrigere Latenz von 10GigE basieren auf den Stärken von GigE. Mit einer Bandbreite von 10Gbit/s kann z.B. eine Flir Oryx 10GigE-Kamera ein unkomprimiertes 12bit 4K-Video mit 60fps über kostengünstige, überall erhältliche Kabel über eine Strecke von 60m übertragen. Die von der Kamera unterstützte 10Gbase-T-Implementierung des 10GigE verwendet einen RJ45-Anschluss und klassische Twisted-Pair-Kupferkabel. 10GigE ist in der Infrastruktur von IT-Netzwerken weit verbreitet. Dank der Unterstützung durch Unternehmen wie Apple und Asus gewinnt es im Massenmarkt rasch an Bedeutung. Die weit verbreitete Verwendung von 10GigE hat eine breite Palette an verschiedensten kostengünstigen und leistungsfähigen Produkten hervorgebracht. Eine überarbeitete Version des Power-over-Ethernet (PoE)-Standards wurde bereits eingeführt. Der Standard IEEE 802.3bt ermöglicht PoE über 10-Gigabit-Links, obwohl 10GigE mit PoE noch nicht weit verbreitet ist. Derzeit sind allerdings noch keine 10GigE Kamera mit PoE erhältlich. Die 10Gbase-T-Schnittstelle in den Flir Oryx Kameras unterstützt das IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP), wodurch mehrere Kameras ihre internen Uhren automatisch untereinander und mit anderer Ethernet-fähiger Hardware automatisch synchronisieren können.
Bild: Flir Systems, Inc.USB3.2
USB3.2 verwendet beide Kontakt-Reihen des symmetrischen USB Typ-C-Steckers, um zwei USB3.1-Links parallel zu unterstützen und dadurch Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 20Gbit/s zu ermöglichen. Die Unterschiede zwischen Generation 1 und 2, die durch den Übergang von USB3.0 auf USB3.1 eingeführt wurden, bleiben auch bei USB3.2 bestehen. In Generation 2 wird die Übertragungsrate von 5 auf 10Gbit/s verdoppelt, während die in Generation 1 verwendete 8/10b-Kodierung durch die effizientere 128/132b-Kodierung ersetzt wird. Diese Reduzierung des Kodierungs-Overheads bedeutet, dass Links der Generation 2 unter realen Bedingungen effektive Übertragungsgeschwindigkeiten unterstützen, die viel näher an die nominale Übertragungsrate herankommen. Links der Generation 1 bieten einen Durchsatz unter realen Bedingungen von 4Gbit/s, während Links der Generation 2 bis zu 9,7Gbit/s unterstützen. Die maximale Kabellänge von Links der Generation 1 beträgt 5m. Links der Generation 2 sind aktuell auf 1m beschränkt. Die kurze Kabellänge von USB3.2 der Generation 2 ist ein Faktor, der die allgemeine Verbreitung der Technologie behindert, solange keine erschwinglichen aktiven optischen Kabel erhältlich sind. Die Kombination von USB-Lane-Nummern und Generationen kann bei den Anwendern für Verwirrung sorgen. Eine USB3.2-Schnittstelle ist nicht unbedingt schneller als USB3.1. Selbst wenn man die weniger effiziente Kodierung von USB3.1 der Generation 1 verdoppelt würde, ist sie immer noch 20 Prozent langsamer als eine Verbindung mit USB3.1 der Generation 2. Die Unterschiede hinsichtlich der maximalen Kabellänge bei jeder einzelnen Generation dienen dazu, dass Benutzer für die jeweilige Generation ihrer Schnittstelle ein Kabel mit geeigneter Länge auswählen. USB unterstützt den Direct Memory Access (DMA). Dadurch können die Bilddaten von einer Kamera direkt in den Systemspeicher geschrieben werden. Dies ist eine optimale Funktion für eingebettete Anwendungen mit begrenzter Speicherbandbreite und CPU-Leistung.
Bild: Flir Systems, Inc.Thunderbolt3
Eine Flir-Marktanalyse ergab, dass die Thunderbolt-Schnittstelle in der Machine-Vision-Branche noch keine allzu große Verbreitung gefunden hat, aber mit Thunderbolt3 könnte sich dies ändern. Die Schnittstelle verspricht eine nützliche Kombination aus bis zu 40Gbit/s, Benutzerfreundlichkeit und dem USB-Typ-C-Stecker. Thunderbolt3 unterstützt auch die USB Power Delivery-Spezifikation für eine Leistung von bis zu 100W. Durch die Begrenzung der Kabellänge auf 50cm wird das Interface möglicherweise aber nur in begrenztem Maße eingeführt, solange keine zuverlässigen und preisgünstigen aktiven optischen Kabel erhältlich sind. Die maximale Übertragungsrate über ein Thunderbolt3-Kabel beträgt 40Gbit/s, aber der effektive Durchsatz fällt deutlich niedriger aus. Die PCIe 3.0 x4-Verbindung zwischen Hosts und Geräten sowie ihre PHYs bieten eine Bandbreite von 32Gbit/s. Die verbleibende Bandbreite wird verwendet, um Display-Port-Signale für HD- und UHD-Monitore zu übertragen. Die PCIe-Schnittstelle der PHYs ermöglicht Host-seitiges DMA. Intel, das die Thunderbolt-Technologie entwickelt und managed, kündigte kürzlich an, dass alle neuen Chipsätze des Unternehmens Thunderbolt3 unterstützen. Der Halbleiterhersteller lockerte auch die Lizenzanforderungen, um Dritthersteller zu ermutigen, die Schnittstelle zu übernehmen. Die Bemühungen von Intel haben auf Verbraucherseite zu der ungewöhnlichen Situation geführt, dass Thunderbolt3-Hosts verfügbar sind, aber keine Geräte. Es gibt derzeit noch keine Machine-Vision-Kameras mit Thunderbolt3.
Camera Link HS
Der Camera Link HS-Standard (CLHS) wurde im Jahr 2012 eingeführt. Er verbesserte die ursprüngliche Camera Link-Schnittstelle durch höhere Geschwindigkeit und größere Flexibilität in der Verkabelung. Der CLHS-Standard unterstützt zusätzliche Kabeltypen. Somit hat der Benutzer die Möglichkeit, höhere Geschwindigkeit gegen geringere Kabellänge einzutauschen und umgekehrt. Die teuren Kabel der früheren Generation gehören der Vergangenheit an. Die CRC-Fehlerkorrektur und das erneute Senden von Daten verbessert zudem die Übertragungszuverlässigkeit. Einzelbit-Übertragungsfehler werden automatisch erkannt und korrigiert. Für eine zusätzliche Bandbreite bei High-Speed-Anwendungen können bis zu acht Kabel parallel verlaufen. Trotz der Verbesserungen ist CLHS keine Schnittstelle für den Massenmarkt. Es unterstützt keinen direkten Speicherzugriff (DMA). Dafür ist das Interface so ausgelegt, dass Bilddaten so schnell wie möglich in einen FPGA übertragen werden. Bevor eingehende CLHS-Bilddaten an einen Benutzer übertragen werden, empfängt und verarbeitet ein Framegrabber die Daten. Diese Anforderung macht entsprechende Vision-Systeme teurer und komplexer. Bei Systemen, welche die Daten auf mehrere PCs verteilen, steigt die Komplexität noch weiter.
CoaXPress 2.0
Die CoaXPress 2.0-Spezifikation (CXP), die Anfang 2017 fertiggestellt wurde, bietet Leistungs- und Funktionsverbesserungen, die vor allem bei High-Speed-Anwendungen relevant sind. CXP baut auf der Technologie für 4K60-Videos über HD-SDI auf, um die Einzelkanalgeschwindigkeit von 6,25 auf 12,5Gbit/s zu erhöhen. Bei dieser Geschwindigkeit kann ein vieradriges Kabel pro Sekunde 4GB an Bilddaten von der Kamera zum Host übertragen. Die Verdopplung der maximalen Uplink-Geschwindigkeit verdoppelt die maximale Trigger-Frequenz auf über 500kHz. CXP 2.0 unterstützt die Übertragung an mehrere Empfänger. Dadurch können die Kameras Daten an Framegrabber in unterschiedlichen Host-PCs senden. Auch bei CXP 2.0 gilt, wie bei der Standardversion von CXP, eine maximale Kabellänge von 40m. Während einspurige Koaxialkabel erschwinglich sind, steigen die Kosten für mehrspurige Kabel und Framegrabber schnell an.
Der folgende Artikel bietet einen Überblick und Vergleich der Ethernet-, USB-, Camera Link- und CoaXPress-Standards der nächsten Generation. Zudem stellt er Thunderbolt3 vor.
Bild: Flir Systems, Inc.10GigE
Im Jahr 2016 besaßen die Hälfte aller verkauften Bildverarbeitungskameras eine Gigabit-Ethernet (GigE) Schnittstelle. Die höhere Geschwindigkeit und niedrigere Latenz von 10GigE basieren auf den Stärken von GigE. Mit einer Bandbreite von 10Gbit/s kann z.B. eine Flir Oryx 10GigE-Kamera ein unkomprimiertes 12bit 4K-Video mit 60fps über kostengünstige, überall erhältliche Kabel über eine Strecke von 60m übertragen. Die von der Kamera unterstützte 10Gbase-T-Implementierung des 10GigE verwendet einen RJ45-Anschluss und klassische Twisted-Pair-Kupferkabel. 10GigE ist in der Infrastruktur von IT-Netzwerken weit verbreitet. Dank der Unterstützung durch Unternehmen wie Apple und Asus gewinnt es im Massenmarkt rasch an Bedeutung. Die weit verbreitete Verwendung von 10GigE hat eine breite Palette an verschiedensten kostengünstigen und leistungsfähigen Produkten hervorgebracht. Eine überarbeitete Version des Power-over-Ethernet (PoE)-Standards wurde bereits eingeführt. Der Standard IEEE 802.3bt ermöglicht PoE über 10-Gigabit-Links, obwohl 10GigE mit PoE noch nicht weit verbreitet ist. Derzeit sind allerdings noch keine 10GigE Kamera mit PoE erhältlich. Die 10Gbase-T-Schnittstelle in den Flir Oryx Kameras unterstützt das IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP), wodurch mehrere Kameras ihre internen Uhren automatisch untereinander und mit anderer Ethernet-fähiger Hardware automatisch synchronisieren können.
FLIR Systems, Inc.
Dieser Artikel erschien in inVISION 3 2018 - 05.06.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
