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作者：菲力爾公司（FLIR Systems, Inc.） 為您的機器視覺(jué)應用選擇正確的接口是您選擇攝像頭過(guò)程的一項決定因素。以下小節內容將概述機器視覺(jué)可用的不同電纜和連接器類(lèi)型以及相關(guān)利弊。 
機器視覺(jué)接口一般有兩種形式：專(zhuān)用型和消費型。 專(zhuān)用型接口 適用于需要使用此類(lèi)接口的極高速或超高分辨率應用；例如，用于檢測紙質(zhì)或塑料薄膜生產(chǎn)這類(lèi)連續流水作業(yè)的行掃描攝像頭，其工作頻率一般處于 kHz 水平。然而這些接口明顯更加昂貴，靈活性更低，而且會(huì )增加系統復雜性。此類(lèi)應用通常使用 CarmeraLink（支持最大 6.8Gbit/s 數據傳輸）和 CoaXPress（支持最大12Gbit/s 數據傳輸）這些專(zhuān)用型機器視覺(jué)接口。采用這些接口的系統除了需要攝像頭外，還需要圖像采集卡。 它們是專(zhuān)門(mén)用于接收圖像數據并組合成可用圖像的適配卡。專(zhuān)用型機器視覺(jué)接口還要使用專(zhuān)用線(xiàn)纜，增加了與外圍設備集成的難度。 CoaXPress (CXP) CoaXpress 接口發(fā)布于 2008 年，用于支持高速成像應用。CXP 接口使用 75ohm 同軸電纜，每個(gè)通道的數據傳輸速度最大可達 6.25Gbit/s，同時(shí)能通過(guò)多個(gè)通道支持更快的數據傳輸速度。一條 CXP 電纜最大能提供13W 的功率，要求“設備”和“主機”同時(shí)支持 GenICam 攝像頭編程接口。盡管單通道同軸電纜的價(jià)格實(shí)惠，但如果要設置多通道電纜總成和圖像采集卡，成本將迅速增加。 Cameralink CameraLink 標準由國際自動(dòng)成像協(xié)會(huì )（Automated Imaging Association，簡(jiǎn)稱(chēng) AIA）在 2000 年設立，歷經(jīng)不斷更新，目的是支持更高的數據傳輸速度，其中一些版本需要兩條傳輸電纜。三種可用的主要配置包括：基本 (2.04Gbit/s)、中檔 (5.44Gbit/s) 和進(jìn)階/擴展 (6.8Gbit/s)�；緲藴适褂� MDR ("Mini D Ribbon") 26 針連接器，中檔/完整配置使用兩條電纜，能力翻倍。進(jìn)階/擴展版本超越 CameraLink 規定的極限，可以承載最大 6.8 Gbit/s 的數據傳輸。CameraLink 和 CXP 接口同樣都需要圖像采集卡，而且還額外要求兼容于Camera Link 供電模式（Power over Camera Link，簡(jiǎn)稱(chēng) PoCL）標準以便供電。CameraLink 缺少糾錯或重發(fā)功能，需要進(jìn)行昂貴且繁雜的電纜設置，以便提高信號完整性，力圖避免圖像丟失。 消費型接口 此類(lèi)接口使機器視覺(jué)攝像頭可以通過(guò)廣泛可用的 USB 和以太網(wǎng)標準連入主機系統。對多數機器視覺(jué)應用而言，USB 3.1 Gen 1 和千兆以太網(wǎng)消費型接口具備便捷、速度、簡(jiǎn)單和價(jià)格合理的組合優(yōu)勢。此外，消費型接口支持通過(guò)廣泛可用的硬件和外圍設備執行機器視覺(jué)功能。您可以從亞馬遜 (Amazon) 或您當地電腦城或電子產(chǎn)品店購買(mǎi) USB 和以太網(wǎng)集線(xiàn)器、交換機、電纜和接口卡，不同的價(jià)格準確滿(mǎn)足您的需求。大多數 PC、筆記本和嵌入式系統均至少包含一個(gè)千兆以太網(wǎng)或 USB 3.1 Gen 1 端口。 這些接口類(lèi)別的最大區別是帶寬。在既定分辨率條件下，更快的接口支持更高的幀率（圖 1）。更快的接口讓您每秒捕捉更多圖像或捕捉分辨率更高的圖像，同時(shí)又不影響吞吐量。 舉例來(lái)說(shuō)，半導體晶片檢測系統的晶片如果從 8” 升級到 12”，需要分辨率更高的攝像頭。這種情況下，系統設計人員需要在“保留現有接口”和“犧牲吞吐量換取更高分辨率”兩者間作出選擇，或者升級為更快接口來(lái)維持或提高吞吐量。
圖 1. 每種接口的可用帶寬與傳感器分辨率和最終幀率。 您對分辨率、幀率、電纜長(cháng)度和主機系統組態(tài)的要求均應納入考量，方能確保獲得所需性能，同時(shí)不需要花費超出需求的成本。FLIR 的機器視覺(jué)攝像頭支持所有三種可信賴(lài)且廣泛可用的接口。 通用串行總線(xiàn) (USB) USB 隨處可見(jiàn)。您可以看看四周有多少個(gè) USB 設備和配件。您覺(jué)得這意味著(zhù)什么？意味著(zhù)大多數 USB 機器視覺(jué)攝像頭使用的是 USB 3.1 Gen 1 接口。這種接口為攝像頭和主機系統之間提供最大 4Gibt/s 的圖像數據帶寬。USB3 視覺(jué)標準確定了一組常用的設備探測、圖像傳輸和攝像頭控制協(xié)議，有助于保障各種攝像頭與軟件的兼容性。
圖 2. USB 3.1 Gen1 電纜（USB 到鎖定 USB） USB 支持直接內存存取 (DMA)。有了 DMA 功能，圖像數據就可以從 USB 直接傳送到內存，然后供軟件使用。DMA 同時(shí)具備在幾乎所有硬件平臺上對 USB 的廣泛支持性和 USB 控制器驅動(dòng)程序的可用性，使 USB 非常適合用于嵌入式系統。USB 3.1 Gen 1 電纜最長(cháng) 5m，因此嵌入式系統基本不會(huì )出現電纜長(cháng)度的問(wèn)題。USB 3.1 Gen 1 可以為攝像頭提供最高 4.5W 的功率，簡(jiǎn)化了系統設計。近期確立的 USB 供電技術(shù)規格允許一些主機為快速充電手機這類(lèi)設備提供更多電力，此技術(shù)規格獨立于 USB 3.1 Gen 1 基礎標準，但機器視覺(jué)攝像頭制造商尚未采用。
圖 3. 不同類(lèi)型的 USB 連接器 高度靈活的 USB 電纜有助于提高系統內（攝像頭在其中頻繁移動(dòng)）電纜的使用壽命。有源光纜 (AOC) 可用于大幅延長(cháng)工作距離并獲得電磁干擾 (EMI) 電阻。有源光纜的性能取決于吞吐量要求和主機系統組態(tài)。使用有源光纜時(shí)，即便是可以通過(guò)電纜供電的類(lèi)型，FLIR 也建議在外部通過(guò) GPIO 為攝像頭供電。此外，鎖定 USB電纜將為電纜、攝像頭和主機系統提供安全連接。購買(mǎi)鎖定電纜前，因為其選項多樣，FLIR 建議檢查鎖定螺釘位置和間隔兼容性。 USB 3.1 Gen 1 適用于 FLIR Blackfly S - 盒裝和板級版本和小型 Firefly S。 千兆以太網(wǎng) (GigE) GigE 提供最大 1Gbit/s 的圖像數據帶寬。它綜合了簡(jiǎn)便性、速度、最長(cháng) 100m 電纜以及通過(guò)單條電纜為攝像頭供電的能力等特性，是一種深受歡迎的攝像頭接口。以太網(wǎng)電纜提供堅固屏蔽層。因此非常適合因某些機器人和計量設備的強大電機而產(chǎn)生較大電磁干擾的環(huán)境。FLIR GigE 攝像頭同時(shí)還擁有數據包重發(fā)功能，進(jìn)一步增強傳輸可靠性。 與 USB 不同的是，GigE 不支持 DMA。包含圖像數據的數據包傳輸到主機，并在其中重組為圖像框架，之后再復制到軟件可存取內存。這一過(guò)程對于現代 PC 而言是小菜一碟，但仍然會(huì )造成某些系統資源受限的低功率嵌入式系統的延遲。
圖 4. 千兆以太網(wǎng)/GigE 電纜（RJ45 到 RJ45） Gigabit 以太網(wǎng)的廣泛使用意味著(zhù)存在各種從電纜到交換機的支持產(chǎn)品，隨時(shí)滿(mǎn)足各類(lèi)項目需求。GigE 攝像頭支持 IEEE1588 PTP 時(shí)間同步協(xié)議，使攝像頭和其他支持以太網(wǎng)的設備，如執行機構和工業(yè)可編程邏輯控制器，可以在準確同步的共同時(shí)間基礎上運行。 以太網(wǎng)廣泛應用于眾多行業(yè)，促進(jìn)許多專(zhuān)業(yè)電纜和連接器在各種用例中的可用性。例如，有的以太網(wǎng)電纜設計用于防范 EMI（電磁干擾）、高溫和化學(xué)制品，還有的可以滿(mǎn)足高靈活性要求，等等。 以太網(wǎng)電纜擁有因結構而異的類(lèi)別編號。GigE 最為常用的是 CAT5e，而 CAT6A、CAT7 和 CAT8 具備更高的EMI 抗性，但成本更高，電纜直徑更大。一些工業(yè)設備使用 X-Coded M12（圖 3，右）連接器提供強化屏蔽，但對大多數應用來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的 RJ-45 連接器便足以使用，成分更低，但說(shuō)服力更強。此外，螺釘鎖定的 RJ45連接器提高了 RJ45 電纜的安全性。
圖 5. 普及廣的 RJ45 連接器（左）和更不常見(jiàn)的 X-Coded M12 連接器（右） 注：RJ45 連接器可以快速連接和斷開(kāi)。X-Coded M12 連接器（右）連接更慢，但 IP 等級版本更穩固，適用性更好。 GigE 適用于 FLIR Blackfly S - 盒裝和 FLIR Blackfly S - 板級攝像頭。 萬(wàn)兆以太網(wǎng) (10GigE) 10GigE 將帶寬提高到 10Gbit/s，基于 GigE 的優(yōu)勢獲得提升。10GigE 是高分辨率 3D 掃描、容積捕捉和精密計量的理想選擇。GigE 和 10GigE 組合方式多樣�？梢詫⒍嗯_ GigE 攝像頭連入一臺 10GigE 交換機，實(shí)現主機系統上單 10GigE 端口全速運行多臺 GigE 攝像頭。由于 CAT5e 電纜只能在 30m 距離內運行于 10GigE 攝像頭，因此推薦使用 CAT6A 或更高等級的電纜。 10Gbit/s 的數據量很大！采用高速 CPU、PCIe 3.0 和雙通道內存的現代 PC 系統足以處理這么大的數據量，而性能更強的系統則可以支持多臺 10GigE 攝像頭。系統資源減少的嵌入式系統一般無(wú)法達到跟進(jìn)傳入圖像數據所需的內存帶寬和處理器速度。 10GgiE 適用于FLIR Oryx 攝像頭。 總結 消費型和專(zhuān)用型接口均用于多種機器視覺(jué)應用。以上小節提及的利弊將最終決定具體用例中的適用性高低。但是，消費型接口綜合了性能、易用性、廣泛可用性和低成本的特點(diǎn)，對于大多數機器視覺(jué)應用來(lái)說(shuō)是一種頗具吸引力的選擇。 |
