顺势而为

1. 为什么要升级接口?

在工业化的生产环境中,所有事情都围绕着可靠性、产能和稳定性来进行。工艺流程和设备均需要经过多重认证。所有变更都会提前进行合理规划和测试。没有人会希望自己被尚处于萌芽阶段的各种技术所能带来的无限可能性弄得眼花缭乱、不知所措。且对新事物持适当的怀疑态度也是合情合理的。诚然,在任何情况下,您都可以采用成熟的技术对工艺和工作流程优化进行最优规划。

但是,您如何判断某个技术是否真正成熟到可用于部署呢?并且在哪个时间点我们可以确定自己未面临技术定时炸弹的风险呢?而在这个时间点到来之前,最佳策略是按兵不动吗?但是,试想一下,如果我们从未尝试过新技术,我们今天的社会又会是什么样呢?如果只是固守他人已尝试并且测试过的技术,以及依赖前人并片面的知识,我们又如何能够带来第四次工业革命呢?

2. 过渡技术

约五年前,自第一代使用 USB 3.0 技术的相机面市以来,这种新相机接口便有了充足的时间走向成熟。对于 USB 3.0 接口与工业机器视觉领域中久经考验的数字相机接口的初次交锋,其结果是显而易见,并且可以简单的总结如下。USB 3.0 的优势在于:

  • 速度极快
  • 完美适用于工业应用
  • 易于使用
  • 普遍适用

但是,在那时,USB 3.0 接口的逻辑开发仅仅显示了其巨大潜能的冰山一角。

自 USB 3.0 接口面世以来,初期曾发现一些问题,但也早已被解决。如今,我们看到的是一项可主宰机器视觉领域的成熟技术。彻底的系统切换并非一朝一夕之事,毕竟不积跬步无以致千里。不过,目前有不少支持立即升级至 USB 3.0 的观点。

  • USB 2.0 产品的生命周期即将走到尽头。因此,获得配套的硬件和支持变得越发困难(且代价更高)。
  • 2012 年,英特尔推出 Ivy Bridge 处理器,使 USB 3.0 成为主流接口。
  • 当前的芯片集,如英特尔 Sunrise Point 芯片集(Skylake 架构)代表着另一座里程碑。USB 3.0 控制器接口 (xHCI) 首次支持所有 USB 速率类型
    • 低速 (1.5 MBit/s)
    • 全速 (12 MBit/s)
    • 高速 (480 MBit/s)
    • 超速 (5 GBit/s)
  • 因此,不再集成 USB 2.0 高速控制器 (eHCI)。“推陈出新”新驱动程序不得不将旧技术带进现代世界。

同样地,消费市场也会不可避免地推动新的主流技术在工业环境中应用。

3. 只为更好 - USB 3.0

图 1 – 只有使用 USB 3.0,您才可享受最新 CMOS 传感器提供的全部性能优点。

在相机接口领域,USB 3.0 仍被视为一项新技术。尽管如此,人们已普遍认为,除了能够显著提高吞吐量之外,USB 3.0 技术还具备众多其它优势(图 1)。

现代传感器的使用

表 1 列出了 IDS 相机当前所用传感器的概况。通过限制传感器的最大像素率,可调整传感器容量,使其满足所用接口的带宽要求。如果帧率降低过多,传感器与该接口配合使用时将不再有效。


因此,相机制造商需决定选择何种接口与新传感器配套使用。在这种情况下,他们自然会关注市场需求。“相机应用决定了您使用何种相机系统 - 而不是反过来!”对图像传感器而言,更是如此,图像传感器必须提供满足应用需求的选项。这样,需要采用的数据接口自然就由数据传输要求来确定。因此,现代传感器不适用于带 USB 2.0 等“老”接口的相机。


这也说明了,最终能激发用户做出改变的事物同时也是转变过程的一部分。采用新技术总是会涉及到学习曲线。亲身体验是一个宝贵的优势。至少,当您一直在使用的技术不再适用时,您必须得寻找一种替代技术。

表 1

表 1 – 只有使用 USB 3.0 接口才能充分利用高性能现代传感器的最高数据传输速率的优势。 对于 USB 2.0 和 GigE 接口,要么只能在降低传感器带宽的情况下使用,要么不再使用。

传感器

e2v
EV76C560

ON Semiconductor
MT9P006STC

CMOSIS
CMV4000-3E5C1PP

Sony
IMX174LQJ-C

帧率(1/秒)

25,8

50

60

 

6,3

14,1

15,2

 

-

19

80

 

-

-

166

 

分辨率

SXGA

QSXGA

4MP

2MP

接口

USB2

GigE

USB3

 

USB2

GigE

USB3

 

USB2

GigE

USB3

 

USB2

GigE

USB3

 

传感器带宽(百万像素/秒)

35

71

86

 

43

96

104

 

-

84

344

 

-

-

480

 

“应用决定了您使用何种相机系统 - 而不是反过来!”

— Patrick Schick, Produkt Marketing Manager, IDS Imaging Development Systems GmbH —

传感器性能最优化

直接比较两款配有相同的百万像素传感器(如 e2v EV76C560)但带有不同接口的相机,可发现它们的最大数据速率有明显的差异。长期以来,IDS 一直在出售配有该款传感器且提供多种外壳选择的 USB 2.0 相机 UI-1240。通过将相机接口转换至 USB 3.0,该款传感器便能充分发挥它的性能。当使用最大像素率时,传感器带宽会增加至 8600 万像素/秒。借助 USB 3.0 接口,传感器的最大帧率(每秒 60 张图像)可在应用中得到充分发挥。

降低 CPU 使用率

不同于 USB 2.0 接口采用的久经测试“轮询”机制,USB 3.0 接口的异步通信特点使主控制器不需要时常查询新数据。主机 CPU 负载大大降低也印证了这一点。在一项对 e2v 传感器的测试中,USB 2.0 相机的 CPU 负载比采用相同参数配置的 USB 3.0 相机高出三倍。这表明,转换到 USB 3.0 接口后,CPU 有更多“空闲时间”来执行其它任务。

4. USB 3.0 系统 - 工作原理

USB 3.0 使可向应用提供的图像数据量成倍增加。然而,千兆赫范围内的数据传输要求所有相关系统组件都经过认证,并通过质量认证。

可将 USB 3.0 相机比作一级方程式赛车。它的运行并不平稳,采用普通无铅燃料也无法达到最大速度(超速)。而 USB 2.0 则像一款中档车。每根线缆都可以毫不费力地以高速率传输 USB 数据。当目标带宽如此低时,系统组件的质量和耐受性都变得无关紧要。USB 2.0 本身就是瓶颈。

因此,USB 3.0 超速系统的性能并不取决于使用的特定相机和计算机系统中相应的驱动程序包。在这种情况下,“系统性能由系统短板决定”的说法真可谓一语中的。USB 3.0 尽力达到传输链中所有组件都支持的数据速率。由于 USB 技术在性能方面带来的巨大飞跃,所有系统组件都必须一直满负荷运行,而且无较大的容差。

IDS 可帮助您选择正确的配件,并帮助您识别并消除任何弱点。这正是 IDS 仅推荐、销售最优质的 USB 3.0 配件,以在高数据速率时实现平稳运行的原因。

“USB 3.0 系统的性能由系统短板决定!”

— Patrick Schick —

高质量线缆不可或缺

“高质量”究竟是什么意思,它为何对 USB 3.0 如此重要?要回答这些问题,您需要先想想线缆的作用是什么,它需要满足哪些要求。

线缆在两台设备之间创造了一个可插拔、灵活、足够长的连接,使它们之间可以传输电信号或电能,而不会有任何损耗。

这表明,机械和电气因素都可以干扰线缆的正常工作——如插头松动、铜线纽结或磨损、信号强度弱等等。

传统基于铜线的无源线缆受一套基础物理规则限制。通常,这些规则使线缆制造商很难生产可满足所有要求的理想线缆。因此必须采用折中方案!

物理线路电阻会削弱高频数据信号,如 USB 3.0 (5 GHz) 信号。铜线越长并且直径越小,电阻就越强。导致的信号损失称为插入损耗。

增加线缆直径可降低线路电阻。换言之,USB 3.0 线缆里的铜线越粗,对于高频(高频段)信号,线缆的传输性能越好。AWG(美国线规)值表示电线的直径。AWG 值越低,表示直径越大,线路电阻越小。但是,这会导致 USB 3.0 线缆的总厚度增加,线缆灵活度降低,并且接头安装难度加大。

简而言之,USB 3.0 线缆的生产过程的很多方面都可能会出问题。特别是以低廉成本和简单工艺为消费市场生产的线缆,这些线缆通常不符合生产质量标准,不能满足工业环境的严苛要求,并会导致出现 USB 传输错误和掉线的次数增多。最终造成的后果是,传输性能(带宽)降低,或连接不稳定。

传输质量降低会导致在与相机驱动程序建立连接时,配有 USB 3.0 硬件的相机被注册为 USB 2.0 高速设备。这应归咎于所使用的 USB 端口和其内部接线。要了解更多信息,请参阅“正确的”USB 3.0 连接章节。

线缆长度

USB 3.0 规格不受最大线缆长度的限制。原因在于线缆长度和相关高频性能(插入损耗)或压降之间的关系,即二者相互制约。如果能够将这些因素带来的影响降至最低,则可以生产出更长且可正常运行的线缆。

IDS 与经验丰富的 USB 线缆制造商紧密合作,以支持他们开发出高质量和高效的线缆。IDS 也在努力为各种不同的应用提供更长的无源线缆。为了保证线路质量,依据该技术的要求,5 米和 8 米长的线缆的直径要更大。在强大合作伙伴的支持下,我们能确保线缆和插头之间的连接稳定可靠。

因此,当应用需使用超过 8 米长的线缆时,您无需转换到不同的相机接口。有源光纤线缆也能持续以高数据速率进行长距离 USB 3.0 数据传输。

图 2

图 2 – IDS 有源 USB 3.0 混合线缆使 USB 3.0 连接距离长达 50 米

IDS 出售长达 50 米的成品 USB 光纤线缆(有源光缆 - AOC)。在必要情况下,您可直接通过牺牲线缆长度的方式,以获得无源线缆。进行信号处理和放大所需的电子元件均直接集成到连接器内。尽管如此,这些连接器的长度和厚度只比相应的无源连接器略长和略厚一点。

除光纤线缆外,连接器还集成有基于铜线的电源线。AOC 线缆被称为“混合”线缆。这表明,相机可通过该线缆连接主机,直接由主机供电。通过主机 USB 端口提供电源电压,同时为相机和线缆电子元件馈电。可使用可选的 Y-USB 线缆连接第二个 USB 端口,作为第一个端口的补充,以保障高耗能设备的电源供应。

“正确的”USB 3.0 连接

注意:即使端口被明确标识为超速 USB 3.0 端口,但依然会存在一些劣质假冒的 USB 3.0 端口,影响您的使用体验。

前端端口通过计算机内部线缆桥连接至主板。因此,这些端口通过与应用于计算机和相机之间线缆连接相同的规则进行管理。尽管如此,大多数线缆配件都不兼容 USB 3.0。

  • 插头连接或裸露的电缆线股的屏蔽效果很差。
  • 这些“线缆延长线”在相机和 USB 控制器之间建立的额外插头连接对信号质量有负面影响。
  • 这些端口能否提供充足、稳定的电源供应,仍值得怀疑。

此外,多个前端端口通常通过同一个 USB 控制器连接。这些端口会共享允许的最大 USB 3.0 带宽。因此,如果您希望达到最大的吞吐量,请避免一次运行多台相机。

计算机的后端端口牢固地焊接在主板上。使用这些端口时,不会出现因线缆或连接器导致的问题。然而,过往经验表明,这些端口的性能取决于主板数量和所用的操作系统,且会有巨大差异。因此,我们不能断定这些后端端口普遍适用于高性能 USB 3.0 数据传输。

芯片集驱动程序同样发挥着重要作用。由于除 USB 控制器外,这些驱动程序还对许多其它硬件组件负责,因此每当新一代处理器出现时,我们都要维护并升级这些驱动程序。因此,为避免出现系统软件错误,驱动程序必须具备可维护性和可管理性。显然,系统开发者并不会为较早的操作系统提供无限制的新硬件更新服务。就在不久前,微软宣布停止对英特尔当前的 Skylake 处理器架构提供 Windows 7 支持服务。

在当前技术变革时期,这在特定情形下可能会对 USB 相机硬件的用户造成莫名其妙的影响。大型制造商,如微软、英特尔、超微半导体等,在将产品推向市场时,都会采用强迫消费客户和企业客户接受其产品的手段。

图 3 – 借助 PCIe x4 Rev.2 卡,您可以通过 4 个独立的 USB 主控制器从 4 台 USB 相机传输并行数据流,每台相机都使用最大 USB 3.0 带宽。

解决方案:通过使用 USB 3.0 PCI Express 插卡 (图 3),您可直接影响 USB 3.0 端口的性能。通过内部 PCI Express 总线,您可以为计算机系统配备任何所需的软硬件:

  • 为所有系统配备相同的 USB 3.0 硬件

  • 不受更换计算机硬件的影响

  • 由制造商直接提供的稳定的驱动软件

  • 长期公认的硬件质量

  • 直接由计算机电源部件提供充足的电源

  • 每个 USB 端口都配有专用 USB 控制器,可实现最大数据带宽

这便是 IDS 测试并分销可以满足这些要求的 USB 3.0 PCI Express 插卡的原因。使用这些插卡可将可能出现的缺点和不兼容情况降到最少,并借助参考硬件提供更高的系统可靠性。

在与 uEye 相机配合使用时,插孔能为稳定的 USB 3.0 相机系统打下良好的高性能基础。

5. USB 3.0 多相机系统 – 手到擒来!

在多相机系统中,当相机数量较少时,数据吞吐量会更大;当相机数量较多时,每台相机的吞吐量会更小。同样,您所用应用的类型会决定主机系统上运行的相机数量,以及数据带宽和线缆长度。

在构建多相机系统时,适用于稳定 USB 3.0 系统的规则同样也适用。如果您遵守这些规则,便可避免发生意外故障。

使用 IDS 提供的系统组件,可以很容易地构建一个稳定的 USB 3.0 多相机系统。甚至,长 50 米的有源线缆也不会给多相机运行造成任何问题。

在构建多相机系统时,需谨记以下两点:

  • 为确保所有相机的数据带宽都能达到要求,主机系统需要有足够数量的高性能 USB 3.0 端口。
  • 为确保可靠运行,您需为所有已连接的相机提供充足的电源供应。

USB 控制器在 USB 数据和计算机内几乎不受限制的高速数据通道之间建立一条连接。每个超速控制器会使用该数据通道的一小部分来满足您的应用需求。如果只有一个 USB 端口连接到控制器,则表明单个消费型设备可以独占全部 USB 3.0 带宽。

这种 1:1 连接对一台相机而言,是最强大的配置。系统中可用单控制器端口的数量越多,多相机系统可从内部数据接口(如 PCI Express)性能获取的益处就越多。您可使用上文提到的 USB 3.0 PCI Express 卡,以确保能最有效地使用这些控制器端口。

如果您的相机无需使用全部 USB 3.0 带宽,则可在多个数据提供设备之间共享这些带宽。

您可使用 USB 集线器建立 1:n 连接。请确保每个分配点上所有已连接相机都有充足的电源供应。有源 USB 集线器能通过独立电源设备提供额外的电源供应。

图 4 – 直接使用和分布式使用的 USB 3.0 多相机系统可实现的吞吐量

然而,这也是多相机应用的潜在缺陷所在。如果制造商为了降低价格,在不该削减成本的方面削减成本,则内置硬件的尺寸将不适合超速相机应用。这会导致电压降低,甚至断电。在这些情况下,无法保证相机的稳定运行。

因此,IDS 只在其产品组合中使用无缺陷的 USB 集线器,其产品组合可在所有负荷状态下正常运行。换言之,IDS 只会向您提供合适的组件,以确保您可构建一个稳定、高性能的多相机系统。

为确保每台相机的传输性能都能达到要求,必须对相机的连接路径和与其它相机之间的带宽共享进行监控。IDS 软件套装还包含一些有用的支持工具。

图 5 – IDS Camera Manager 显示相机的 USB 连接参数

IDS Camera Manager 会显示每台 USB 3.0 相机的传输速度和通过集线器实现的连接 (图 5),图 5 显示了十分详细的相机 USB 连接拓扑图。

同时,您还可在 uEye Cockpit 的性能概览页面,完美同步相机的数据速率,而不会造成系统过载。

图 5

6. 总结

将相机接口技术转换至 USB 3.0 是大势所趋。USB 3.0 现已发展成为一项成熟的技术,其使用范围正在迅速扩大。USB 3.0 接口是适用于配有现代传感器的新应用的理想数据接口。

我们已累积了与 USB 3.0 技术相关的丰富知识和经验,相机及配件的演进方式印证了这一点。IDS 拥有约 12 年开发和销售支持 USB 技术的工业相机的经验,且过去五年来,一直致力于开发 USB 3.0 相机和配件,并已就众多相机推出了经过改良的全新第二代相机。我们还会根据每款新传感器优化并不断完善 IDS 软件套装。

自高速 USB 首次被引入用作相机接口以来,IDS 累积了大量的相关经验。IDS 的这些优势使其成为了一名实力强大的 USB 相机合作伙伴。“是时候进入 USB 3.0 时代了!”

在即将到来的下一个演进阶段中,我们还会看到数据速率高达 10 GBit/s 的 USB 3.1,甚至更多的创新。“USB 3.1 C 型”通用线缆开启了通往下一阶段的大门,且我们已在支持 USB 3.0 带宽的 uEye LE 系列相机中使用该线缆。“顺势而为。”