专家技术文章:CoaXPress应对机器视觉未来面临的挑战

汽车信息系统部全球营销经理 Zeph Freeman

Camera Link、FireWire和USB 2.0已出色完成了各自的使命;但自从这些标准制定以来,机器视觉发生了巨大的变化。尽管它们仍可供一些系统使用,但对于要求最严苛的应用而言,它们无法满足相关要求。

因此,GigE Vision、USB3 Vision和CoaXPress正在彼此竞争,努力取代上述标准。每一种标准都有各自的优缺点,但CoaXPress最有可能胜出,因为它能够满足当今最严苛的要求——与其他方案相比,其每位的成本更低且更具灵活性。

为佐证这一大胆的说法,我们不妨先讨论下,如何利用能很好接替Camera Link、USB 2.0和FireWire的标准以及针对任何潜在视觉系统的独特要求。可从满足以下要求着手:现在对工厂中更快的生产速度和更高产量的需求正日益提升。视觉检查系统之前曾是工厂产出的限制因素。要获得更高的产量,视觉系统必须更快地捕捉超高分辨率(未压缩的)图像,同时以更高的速度处理图像。

此外,图像处理系统必须能够处理移动或静止图像,并在捕捉图像的数毫秒内做出可行/不可行的决策。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器正在迅速发展,现在已能实现更高的灵敏度和速度、动态范围以及分辨率。支持4K分辨率的图像传感器越来越普遍。事实上,有不止一家制造商在生产分辨率最高达2.5亿像素的传感器。这就要求将摄像头链接至其处理资源的通信总线必须拥有极高的带宽和吞吐量,因此Camera Link、USB 2.0和FireWire的速度还不够快。

这些需求不局限于制造和生产等传统机器视觉应用。例如,交通和车牌监控以及无人驾驶汽车都需要能够提供极致细节和颜色精确度的摄像头。其他用途包括医疗成像和远程手术系统,这些应用要求几乎没有延迟的精确成像。其他极具挑战性的应用包括视频监控、飞机信息娱乐系统、高速板对板通信以及国防和航空航天系统。

所有这些应用都将提出更多更具挑战的要求。为满足这些需求,信号路径上最初将需要最高1200 MBps的更高带宽,并在未来逐渐提高数据速率。需要较长电缆线路的系统必须能够以成本最低的电缆和连接器解决方案来处理这些更高的速度。

采用CoaXPress的摄像头和采集卡设备的制造商正不断增加,因为CoaXPress能够让他们以最简单的方式转换到高速数字成像技术,同时最大程度降低部署成本,并且速度比竞争解决方案快4倍、范围比竞争解决方案长10倍。

真正有效的做法是,通信总线必须能够在添加少量硬件甚至不添加硬件的前提下提供简便性(最好支持即插即用)、自定义能力、最低的每位成本以及性能扩展能力。记住这些内容,检查每个候选标准在这些环境下是否可行。


表1——各标准的比较结果

Camera Link

Camera Link是一个已广泛运用的成熟标准,但所采用电缆的尺寸较大且成本高昂,而长度也限制在4至10m范围内。Camera Link提供255 MBps(基础)至850 MBps(80位)的数据速率,一些新产品还支持GenICam。无法在现场安装连接器是一些环境中的主要问题。

GigE Vision

配合5类或6类电缆使用时,GigE Vision可提供最高115 MBps的数据速率。由于它依靠无处不在的以太网,因此会成为某个现有网络的一部分,而全世界有数百万个这种网络。它支持最长100m的电缆线路和多摄像头应用,并具有触发功能。

最后,由于在所有图像捕捉应用中,未压缩的图像文件代表着可实现的最高分辨率,但文件大小要大得多。因此,基于GigE Vision的系统要求图像在发送前进行压缩并随后解压,而这会在一些应用中增加无法容忍的延时。GigE Vision也能发送未压缩的数据,但由于其带宽只有115 MBps,因此存在不小的挑战。

USB3 Vision

USB3 Vision使用USB 3.1标准和GenICam编程接口,优势在于可在许多应用中通用,无需图像采集卡。不过,由于缺少图像采集卡,因此需要较高的CPU使用率。其最高数据速率400 MBps与基础Camera Link的最高数据速率相差不大,因此不大可能完全支持一些现有的传感器和几乎所有的新一代传感器。与所有USB类型相似,其电缆长度极短,约为3m。

CoaXPress

CoaXPress是这组全新机器视觉标准之一,优势在于,其最初的设计意图便是取代Camera Link,旨在弥补后者的所有不足之处,而它确实做到了这一点。例如,它是这四个标准中惟一一个可通过一根75Ω、最长100m的现成同轴电缆配合标准BNC或DIN1.0/2.3连接器来支持视频和摄像头触发控制,并提供最高13W功率的标准。它是一种支持GenICam的非对称高速点对点免版税开放式串行通信标准,发展目标是通过一根电缆扩展至1200 MBps。

这里有一个误解,即CoaXPress只能在高端应用中使用。对于低端应用,CoaXPress发送未压缩的文件,而结果是延时几乎为零。在带宽需求低于115 MBps、电缆距离小于150m且无需通过电缆供电的系统中,这可能没有必要。在这种情况下,可能无需CoaXPress。尽管同轴电缆的成本很低,但其屏蔽特性使其抗电磁干扰性比其他类型电缆更强,而且还支持自动电缆损耗均衡,能够延长可实现的距离。此外,BNC和DIN1.0/2.3连接器可轻松在现场安装。通过单根电缆实现的最大数据速率为600 MBps,可扩展性在本质上是无限的,仅受可安装电缆的数量限制。例如,使用四根电缆时的数据速率可达2400 MBps,此时仍可维持最大范围。同时为最多六条通道使用附加电缆时(表2),通过40m长的RG6同轴电缆可实现最高3600 MBps的下行速度.


表2——CoaXPress配置

使用同轴电缆还有其他好处。例如,由于它仍在许多早期模拟系统中使用,因此升级到高分辨率数字摄像头比其他方案更容易、成本也更低。此外,共有数百种不同型号的75Ω电缆,旨在适应误用、极度弯曲、耐化学品和其他污染物腐蚀以及其他环境因素等情况。这些电缆也不存在时滞问题,而使用差分电缆或多根电线时则存在此问题。

尽管CoaXPress旨在应对未来的成像挑战,但其可扩展性在两种方式下均有效,因此可在“高端”应用以外的各种应用中使用。因此,CoaXPress系统可在无需最高性能的场合中使用低成本元件构建,而这正是该标准在各种应用和市场中越来越普及的原因之一。

反响热烈

CoaXPress于2009年11月正式推出,而Active Silicon和Adimec是促成CoaXPress的两个主要推动因素。“我们很清楚Camera Link的带宽早已不够用了,并且了解采用SDI广播标准的同轴电缆具有诸多优势,”Active Silicon的首席技术官Chris Beynon说道。“因此,基于同轴电缆的高速成像标准似乎是极佳的行业解决方案。在七年后的今天,经过大量实践证明,最初的乐观推测是合理的,CoaXPress正在成为计算机中超高速成像的主流标准。”

这种观点得到了Adimec的CEO/CMO Joost van Kuijk博士的支持。“我们对工业视觉摄像头的预期需求是,在COMS图像传感器功能的基础上提高数据速率,并按照公司希望的方式加以利用。这就是我们一开始便采用CoaXPress的原因,”van Kuijk说道。“我们还利用CoaXPress这一全新的接口标准引入相关功能,不但简化了集成和采用过程(例如使用较长的柔性电缆),还可通过单根电缆实现供电和控制。”

图像采集卡的制造商见证了将CoaXPress集成到产品线中时带来的优势。“对于我们的图像采集卡而言,每秒百万字节的成本已显著下降,”Bitflow的销售主管Donal Waide说道。“平均成本约为通过Camera Link传输数据时的三分之一,而我们已看到来自客户的强烈反响,他们将Camera Link与CoaXPress摄像头的成本加以比较,发现后者的速度有时比前者快两倍甚至四倍。”

“采用CoaXPress后,Matrox Imaging可为尖端的图像采集卡提供现有摄像头接口标准之前无法实现的技术功能和优势,”Matrox的产品经理Michael Chee说道。“这样一来,用户便可使用更优秀的工具开发经济高效的高性能成像应用,凭借Microchip提供的附加高级功能,Matrox Imaging将能够为行业提供更具创新性的图像捕捉解决方案。”

优化CoaXPress性能

如前文所述,均衡技术是CoaXPress电缆在维持给定数据速率时可实现的距离的主要决定因素。为优化此参数,Microchip Technology的600 MBps CoaXPress芯片组使用专用自适应均衡算法来克服因电缆衰减造成的数字信号退化问题。均衡器估算电缆引起的频率相关损耗并相应进行补偿(图1)。


图1——典型CoaXPress实现

芯片组包含两个QFN封装、一个发送器EQCO62T20和一个接收器EQCO62R20。EQCO62T20和EQCO62R20在600 MBps下支持最长40m的电缆线路,通过单个1.2 V直流电源供电时仅有140 mW的极低功耗。此外,还提供低速、低成本的芯片组信号EQCO31T20和EQCO31R20,它们在300 MBps下支持最长100m的电缆。芯片组可作为中继器来实现不同

的距离。摄像头控制通过同轴电缆上的全双工20 Mbps上行通道实现。发送器IC集成到摄像头中,接收器集成到图像采集卡或系统前端以提供双向信号传输。对当前产品的支持包括接收器(主机)评估板和发送器(摄像头)评估板。

公司的CoaXPress产品发展路线图包括第二代CXP-12,其下行数据速率最高为1200 MBps,同步上行速率最高为42 Mbps,并且可通过单根同轴电缆供电。

总结

GigE Vision、USB3 Vision和CoaXPress是众多标准中最适合新一代机器视觉应用的三个“黄金标准”,它们的属性使其在特定情况下拥有出色表现。不过,对于大多数应用而言,CoaXPress是最具吸引力的标准。自制定以来,CoaXPress一直遵循如下原则:不仅要执行Camera Link的所有通用功能,还要弥补其不足之处,同时提供经济高效的发展蓝图以满足未来的机器视觉需求。结果,在所有竞争标准中,速率达600 Mbps的CoaXPress可实现最低成本、最高性能和最低功耗。

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