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DALSA工业相机接口指南

发表时间:2022-12-12 10:04
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「根据具体应用选择适当的接口」
工业相机通过连接器和电缆接入PLC或工业网络。通常根据不同的应用要求来选择相机以及相机接口,本指南还将涵盖其他因素,例如带宽、电缆长度和额外硬件支持,旨在探索和了解面阵相机的可用接口及其重要特性。
「相机接口」
工业相机和科学相机的图像传感器(成像系统)有惊人的成像速度和超高的分辨率。工业相机技术前端的传感器在不断发展,后端的相机接口也在不断发展。新的连接器和电缆推动了视觉应用边界的扩展,带来了更大的带宽和更可靠的数据传输。
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USB3相机
说到最常见、使用最简单的数字接口,没有什么能比得上USB(通用串行总线)。这种即插即用的接口诞生于1996年左右,演变进化至USB3版本后,推动了千兆速度的普及,让成像行业发生了翻天覆地的变化。如今,USB3已成为成像行业的主要接口,并且发展速度不断加快。USB3的第一个迭代是USB 3.0,经过USB 3.1 Gen 1和USB 3.2 Gen 1等多次更名。最终,USB3超过了USB2 480Mbit/s的速度限制,最高能达到5Gbit/s。USB3连接器已广泛应用于各种产品,在工业和科学成像市场中,这款连接器也找到了一条继续发展壮大的道路。
USB3标准内含多种连接器。标准USB3 Type-A等连接器最常见于计算机和其他用于从相机导出图像数据的主机设备。USB3 Type-B和USB3 Micro-B接口是工业相机最常使用的两种连接器,这两种接口的锁定功能有助于固定长达10米的电缆。由于大多数设备均可采用USB这种从相机传输图像数据的接口,因此,无需购买图像采集卡、特殊组件或电缆,USB3接口能提供最佳性价比。
GigE相机
自2006年以来,GigE Vision已实现可靠的高速图像传输。通过使用CAT5和CAT6等以太网网络电缆,工业相机可以实现GigE Vision协议下的更快更可靠的图像传输。在工业成像行业中,最常见的速度在1-5Gbit/s之间。
GigE Vision基于标准Internet协议,接受AIA监管。通过GigE将其相机硬件设备集成到视觉系统网络之中,用户得以远程24/7全天候控制网络中的多台相机。网络中所有相机都可以在GigE Vision的同一软件平台上运行。系统中各相机设备通过时间协议(PTP)从而同步运行,这意味着多相机拓扑是GigE视觉系统的关键优势。
1GigE相机
顾名思义,1GigE相机能够达到1Gbit/s的速度,通过标准网络电缆(如下图所示)将图像连接到主机PC或网络交换机。网络交换机的目的在于能够轻松同步多个已连接的设备,例如已有PTP协议的设备。PTP仅作为确保相机之间时间戳同步的一种方式,如需要实现多相机同时捕获图像,则要同时控制多台相机的图像采集以避免相机预计图像拍摄时间与图像捕获时间不一致。Teledyne DALSA的GigE相机,能在GigE Vision中实现多台相机同时捕获图像。

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连接至网络电缆的Genie Nano 1GigE相机
GigE相机的另一个重要优势是传输速度稳定可靠,能够在工业自动化和视觉检查等应用中表出稳定的性能,传输电缆长度100米,也能稳定输出图像数据。如需了解Genie Nano 1GigE相机的完整参数,请关注我们微信公众号并留言。

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Genie Nano 1-GigE相机
5GigE相机
5GigE相机的速度最高可达5Gbits/s,这意味着带宽提高了五倍。使用5GigE相机的接口成本仅略高于1GigE,真正的价格差异取决于相机的传感器。5GBASE-T链接也可以提高速度,成本也会相应增加。系统中的每台相机均采用GigE标准后,可以在同一软件平台上设置和控制所有相机,例如Teledyne Imaging Sapera平台,能充分利用每台相机的功能,有助于OEM类型的应用。需要大数据吞吐量的应用,请参考TeledyneDALSA的GenieNano5GigE系列相机。采用标准Genie Nano相机机身和Genie Nano XL外形尺寸的Genie Nano5GigE相机系列如下图所示。

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Genie Nano 5GigE相机

TurboDrive™可以提高GigE相机的传输速度,甚至有可能是标准GigE数据传输速率的两倍。Teledyne DALSA这一非比寻常的升级能够使595Mbytes/s的标准5GigE连接速度几乎翻一倍,最高可达985Mbytes/s。TurboDrive不需新增硬件,它基于Teledyne DALSA相机现有的GigE连接,却能将速度提高20-150%。使用TurboDrive的相机通常可以以两倍的帧率运行,这种性能升级稳定可靠,不会丢失数据,也不会增加其他风险。由于帧率提高,装配线、产线就能以双倍速度运行,从而使生产速度翻倍。该技术已用于1/4"和APS-H传感器画幅的各种Genie Nano GigE产品(包括1GigE 和5GigE),如图所示。

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Teledyne DALSA Genie Nano相机尺寸
CoaXPress
与USB3或GigE相机不同,CoaXPress(CXP)需要用连接到图像采集卡。图像采集卡也简称采集卡,内置于主机,用于处理相机图像数据的传输,好处是系统采集和传输图像的性能显著提高。图像采集卡作为主机的物理升级设备,赋予整个视觉系统更大的能力来处理图像数据并增加系统的整体带宽。相机使用多个图像采集卡和多个连接器,可以打开更多通道让数据流通过,从而增加单台相机的带宽。如下图,Teledyne DALSA Xtium系列图像采集卡,四个同轴连接器位于计算机背面面板上。

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Xtium2 CXP PX8系列图像采集卡
CXP相机的背面最多可以容纳四个连接器,如下图所示。每个数据通道可实现6.25Gbit/s的传输速度。一个搭载Genie Nano CXP相机的视觉系统,同时使用4个通道,可以实现高达25Gbit/s的速度。同轴连接电缆,最长可以35米,传输速率也不会下降。
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Genie Nano XL CXP相机的背面

Camera Link接口
标准化相机接口Camera Link的设计简单可靠,用于提高相机和图像采集卡之间连接的稳定性。Camera Link首发于2000年,随后更新至Camera Link 2.0,增加了新的可选功能,例如用于小型相机的 Mini Camera Link连接器、Power over Camera Link(PoCL)和PoCL-Lite(更小的PoCL电缆)。

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Genie Nano Camera Link相机
使用Camera Link,电缆最长可达10米,而在全/80-bit速率下,最长可支持7米的电缆。Camera Link相机具备全输出和80-bit输出,若同时使用,需要两条电缆连接至图像采集卡,以充分利用最大图像数据吞吐量。在基本配置中,Camera Link相机使用单根电缆的速度可达到255Mbyte/s,在Deca配置中使用两根电缆速度可达到850Mbyte/s。此外,视觉系统还可以将两台标准配置相机连接至同一个图像采集卡(并非使用两条电缆连接一台相机),主机PC可以通过一个接口控制两台相机。
Camera Link HS
在Camera Link开发的基础上,截至2012年,Camera Link HS(CLHS)一直使用SFP、SFP+、CX4和光纤电缆等标准布线解决方案,以最大限度增加电缆长度、提高速度。CLHS相机可以通过铜缆实现最远15米的连接,通过光纤电缆实现最远5000米的连接,每条通道的吞吐量高达8.4Gbit/s,单根电缆最多可连接至7条通道。CLHS相机的如下图所示,该相机为中画幅Falcon4 86M相机。

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Falcon4 86M Camera Link HS前后视图
使用M协议每个通道传输速率3.125Gbit/s,使用X协议为10.3Gbit/s,因此与其他接口相比,CLHS可以以更快的速度传输8600万超高像素传感器采集的图像。与较小速度的Genie Nano 1GigE相机相比,有效带宽是1GigE连接的60倍。

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Genie Nano 1GigE相机和Falcon4 86M相机尺寸对比
Falcon4系列的主打产品是高分辨率86M型号和Falcon4- clhs M4480相机(如图11所示),这两款相机搭载Teledyne e2v Lince11M传感器,可以以高达609帧/秒的帧率传输图像数据。图像采集卡有助于减少主机CPU的负荷,并通过板载数据传输引擎(DTE)集中图像采集。Xtium还采用Teledyne DALSA的Trigger to Image Reliability框架,以确保图像数据在任何时候都不会因触发、采集或传输而受到损坏。

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Falcon4-CLHS M4480
「带宽损失和编码」
每个接口都有可能达到各自的理论最大带宽。然而,这个数字忽略了数据从相机传输到主机设备所涉及的许多损耗。每个接口都会有既定形式的编码,一个视觉系统中使用的两台类似相机的编码也可能各自不同。如果两台相机搭载相同的传感器,但一台使用1GigE接口而另一台使用5GigE接口,则编码会不同。编码是衡量设备在将数据发送到主机之前打包数据的效率指标,例如计算机从相机收集图像数据,USB3、1GigE和CXP使用8/10编码,这意味着编码过程损失了大约20%的带宽。5GigE接口使用效率更高的64/66编码,只有大约3%的损失。产生这种带宽损失的原因在于图像帧之间的间隙,这种间隙是图像数据集(称为数据线)与相机时钟同步的结果。后继接口CLHS也采用64/66编码。然而,为了实现CLHS带宽最大化,图像采集卡带宽限制是最为迫切得到解决的问题。大多数图像采集卡的设计仍然无法充分利用Camera Link HS接口的理论速度。此外,许多图像采集卡用来与主机通信的8通道PCI Express(PCIe)3.0接口的带宽潜力尚未与某些工业应用设备接口达到一致。随着PCIe 4.0的到来,这种限制将逐渐消失,在未来会有更多的图像采集卡使用这种接口。除接口之外,视觉系统仍有许多其他复杂的部分影响着理论带宽的实现。相机传感器甚至比接口更影限制觉系统可以达到的潜在带宽。根据传感器的规格、参数的不同(包括但不限于传感器的时钟速度、传感器接口),相机输出的数据量可能变化很大,因此,视觉系统带宽损失不仅仅是由于GigE、USB、CXP或CLHS等物理接口原因。
「结论」
由于市场上存各种不同的相机接口,很难确定哪个接口最适用于特定的成像应用。但是,通过了解每个接口的带宽、同步、部署难度和电缆长度等情况,会更容易选择最适合的接口。通过比较各个接口的带宽,用户可以清楚地了解图像数据采集的差异。使用CXP或CLHS相机将为视觉系统提供更高的带宽,但在不需要高带宽或无法使用图像采集卡的应用中,USB和GigE等接口也是不错的选择。使用哪个接口取决于具体的应用需求,如需要了解更多,请扫码关注我们公众号留言或直接电话咨询。

20221024