Über USB3 Vision….

USB3 Vision ist dank seiner Konnektivität und großen Bandbreite zum Industriestandard geworden, und was ist der Grund für diese Akzeptanz und den Einsatz als eines der Referenzprotokolle in der industriellen Bildverarbeitung?

In den letzten Jahren hat sich USB3 Vision dank seiner Konnektivität und großen Bandbreite zu einem Industriestandard entwickelt und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 350 MB/sec. Wir sprechen bereits über diesen Standard als Nachfolger von Firewire und USB 2.0.

 

 

Aber warum ist diese Akzeptanz und Umsetzung eines der Referenzprotokolle im Bereich des künstlichen Sehens?

Ein wenig Geschichte und Best Practices, wenn es um die Anwendung geht…..

 

USB 2.0 vs. USB 3.0

USB 3.0 wurde im November 2008 veröffentlicht, etwa 8 Jahre nach der Veröffentlichung von USB 2.0. Eine lange Zeit, um Verbesserungen einzubauen und mit dem Ergebnis nicht zu enttäuschen……

  • Übertragungsrate: USB 2.0 bietet eine Geschwindigkeit von 480 Mb/s, während USB 3.0 eine Geschwindigkeit von 4,8 Gb/s und damit eine 10-mal schnellere Datenverarbeitung bietet.
  • Fügen Sie einen weiteren physikalischen Bus hinzu: Die Anzahl der Leitungen in USB 3.0 steigt von 4 auf 9, diese zusätzlichen Pins benötigen mehr Platz auf Kabeln und Steckern, so dass neue Steckertypen entstehen.

 

 

 

  • USB 2.0 kann bis zu 500 mA liefern, während USB 3.0 bis zu 900 mA liefert. USB 3.0 Ports sind in der Lage, mehr Leistung zu liefern, aber auch viel effizienter.
  • USB 3.0 unterstützt Direct Memory Access (DMA), das die CPU-Belastung minimiert. Dies ist ein kritischer Aspekt, der bei Anwendungen, die eine große Bandbreite benötigen, zu berücksichtigen ist.
  • Mehr Bandbreite: USB 2.0 realisiert eine einseitige Verbindung, während USB 3.0 eine bidirektionale Kommunikation nutzt, eine zum Senden und eine zum Empfangen von Daten.
  • Echte Plug-and-Play-Konnektivität. Das USB 3.0-Gerät meldet Ihnen sofort, dass es betriebsbereit ist.

Diese Schnittstelle koexistiert mit anderen Standards wie GigE Vision oder CameraLink und die Wahl dieser Schnittstelle wird mit den Anforderungen unserer Anwendung verknüpft. USB 3 bietet sofortige Plug-and-Play-Konnektivität und große Bandbreite, während GigE eine vielseitige Konfiguration in Mehrkamerasystemen ermöglicht.

 

USB 3.0 oder USB3 Vision?

Reden wir über das Gleiche? Nein, wir reden nicht über dasselbe.

USB3 Vision entspricht dem Standard für Machine Vision. Es basiert auf der USB 3.0-Schnittstelle, unterliegt aber einer Standardisierung, um Probleme bei der Verbindung von Kameras und Controllern zu “eliminieren”.

Wie bei der GigE-Schnittstelle, die als Teil des GigE Vision-Standards definiert ist, setzt USB3 Vision auf die heute gebräuchlichste Programmierschnittstelle für Industriekameras: GenICam.

USB3 Vision und GenICam bieten die Stabilität und minimale Latenz, die bei der Bildübertragung und Kamerasteuerung erforderlich sind.

 

 

Der Standard wurde 2013 von der AIA (Automated Imaging Association) offiziell veröffentlicht und stellt den offiziellen Standard für die USB 3.0-Schnittstelle in der industriellen Bildverarbeitung dar.

 

 

Vor der Einführung des USB3 Vision-Standards gab es in der industriellen Bildverarbeitung keinen Standard für USB. Bis dahin haben mehrere Kamerahersteller eigene Entwicklungen und Lösungen auf Basis von USB 2.0 auf den Markt gebracht. Normalerweise reichte dies nicht aus, um die Stabilität der Gesamtlösung auf dem für eine industrielle Anwendung erforderlichen Niveau zu gewährleisten.

Der USB3-Standard definiert seine eigenen Transportschichten, angepasst an die Bedürfnisse der industriellen Bildverarbeitung. Es umfasst die Controlschicht, die Ereignisschicht zur asynchronen Übertragung von Ereignissen und die Datenschicht, um sicherzustellen, dass Informationen schnell und zuverlässig transportiert werden.

Anschluss von USB3-Kameras an einen PC oder Controller.

Obwohl USB 3.0-Anschlüsse mit USB 2.0 auf der Verbindungsebene kompatibel sein können, ist ein USB 3.0-Anschluss für eine Leistung von 4,5 W ausgelegt, während die meisten USB 2.0-Anschlüsse 500 mA bei 5 V und 2,5 W liefern.

Je nach verwendetem Motherboard, der Verteilung der Komponenten auf dem Board oder dem verwendeten Chip gibt es Variationen. Dies sind Punkte, die je nach Bandbreitenbedarf oder Stromverbrauch unserer Kamera(s) zu berücksichtigen sind.

 

 

Bandbreitenoptimierung

Motherboards, die üblicherweise mehrere USB 3.0-Ports anbieten, sind oft Hubs, was Herstellungs- und Komponentenkosten spart. So ist es zum Beispiel nicht ungewöhnlich, Karten mit 8 USB 3.0-Anschlüssen zu finden, sondern nur zwei oder einen einzigen Chip.

Das bedeutet, dass alle Verbindungen auf einen einzigen physikalischen Kanal geroutet werden und die Bandbreite auf die verschiedenen angeschlossenen Kameras verteilt wird.

Während der Einsatz von Hubs (on board oder extern) eine sehr wirtschaftliche Lösung ist, muss die Bandbreite jeder Kamera individuell verwaltet werden, um Frame-Verluste oder Busüberlastungen zu vermeiden. Obwohl die Kamera in der Lage ist, 350 MB/s an Eingangsdaten zu liefern, nützt sie uns wenig, wenn wir nicht sicherstellen, dass der PC oder die Steuerung in der Lage ist, diese effizient zu verwalten.

Daher ist die optimale Lösung die Verwendung von Erfassungskarten (oder Framegrabbern) mit einem dedizierten Chip für jeden Port, echte USB 3.0 Port Konnektivität.

Bei PCIe-Karten finden wir einfache x1-Pfade, die aber nicht die volle Bandbreite von USB 3.0 unterstützen.

Wir werden Karten mit x4 Kanälen oder höher verwenden, die in der Lage sind, 1GB/s in der PCIe 1.0 Version, 500 MB/s pro Zeile in der 2.0 Version oder 985 MB/s pro Zeile in der 3.0 Version zu verwalten.

 

USB 3.0 Verkabelung

Aus all diesen Gründen ist es manchmal ratsam, eine spezielle Verkabelung zu verwenden, aber in vielen anderen Fällen ist es eine Garantie für den Betrieb.

Die Kameras und der Controller sind nicht immer dicht beieinander, da USB 3.0 eine Begrenzung der Kabellänge von 5m hat. Ab dieser Länge führt die Verlängerung der Verdrahtung mit passiven Kabeln zu Signalverlusten, die den Betrieb des Systems erheblich beeinträchtigen.

Viele Anwendungen erfordern größere Kabellängen für die Geräteverbindung. Hierfür gibt es verschiedene Lösungen, wie z.B. passive Kabel, aktive Kabel oder Glasfaserverlängerungen.

 

 

Mit zunehmender Entfernung integrieren die Hersteller Siliziumchips, um die Signalqualität aufrechtzuerhalten. Es sind die aktiven Drähte.

Bei 20m oder mehr ist die zuverlässige Lösung, keine Kupferverkabelung mehr zu verwenden, sondern faseroptische Geräte. Ein Fiber Extender besteht aus zwei Transceivern, die das elektrische Signal in ein optisches Signal umwandeln und umgekehrt.

Eine weitere Lösung, die wir zunächst in Betracht ziehen sollten, wenn unsere Anwendung große Entfernungen zwischen Kamera und Controller erfordert, ist die Verwendung von GigE Vision und nicht von USB3 Vision.

 

Autor: Jaume Fontanella

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