作者：菲力爾公司（FLIR Systems, Inc.）
簡(jiǎn)介 功能強大的精簡(jiǎn)型單板計算機的推出催生了令人興奮的新產(chǎn)品設計。在通過(guò)小型化優(yōu)化成本及（或）效率的應用中，它的效用尤為明顯。另外，視覺(jué)系統可以利用功能全面的板級機器視覺(jué)攝像頭進(jìn)一步縮小產(chǎn)品總體尺寸并實(shí)現運行靈活性，同時(shí)還支持定制或非標準光學(xué)部件。典型示例有：醫療診斷、計量、機器人技術(shù)、嵌入式視覺(jué)、包裝和印刷檢查、手持式掃描儀、臺式實(shí)驗室和其他空間受限的系統。 本文涵蓋選擇嵌入式視覺(jué)攝像頭時(shí)需考慮的數個(gè)重要方面，包括功能組、外形因素和物理占用空間、接口選項、透鏡支架、軟件支持、熱管理以及電磁兼容性。 外形因素和功能組
從封裝相機轉換為板級相機時(shí)，系統設計人員應認真考慮其成像和相機性能要求。許多小型板級相機僅支持低分辨率傳感器、少量 GPIO 線(xiàn)路以及有限的相機內部功能。相反，許多全功能機器視覺(jué)相機的板級型號僅僅是拆除了外殼的標準相機。雖然這些相機可能會(huì )達到所需的成像性能，但它們的尺寸可能不會(huì )比標準封裝型號小巧多少。這類(lèi)相機經(jīng)常采用標準的 GPIO 和接口連接器，因體積較大而不適合嵌入式應用。例如，傳統工業(yè)鎖定連接器的尺寸便與一臺 Blackfly S 板級攝像頭一般大小。 FLIR 的 Blackfly S 板級攝像頭整體上就是為嵌入式系統而設計。它們的外形尺寸十分緊湊，僅為 29mm x29mm x 10mm，可提供相同的成像性能和封裝式 Blackfly S 型號的完整豐富功能；而緊湊型 GPIO 和接口連接器則額外節省了空間。FLIR 嵌入式視覺(jué)攝像頭產(chǎn)品的另一重要優(yōu)勢是使用 1/3” 至 1.1” 尺寸傳感器的所有攝像頭因外形系數相同而可用性良好——多種攝像頭型號采用一致的外形系數簡(jiǎn)化了系統及未來(lái)產(chǎn)品變型的開(kāi)發(fā)與升級。 透鏡支架
對于希望集成非標準光學(xué)元件或將圖像傳感器盡可能靠近目標放置的客戶(hù)而言，板級相機是一個(gè)具有吸引力的選擇。板級相機沒(méi)有固定的透鏡支架，設計人員可自由選擇除機器視覺(jué)行業(yè)常用的標準 C、CS 或 S 接口透鏡以外的光學(xué)元件。對于通常無(wú)需透鏡的生物技術(shù)和激光束分析應用，這種設計也非常適合。板級攝像頭的另一種常用應用是將透鏡支架集成到另一產(chǎn)品部件中——“嵌入式視覺(jué)攝像頭”的名稱(chēng)由此而來(lái)。另外，采用模塑成型的方式將透鏡支架直接集成到產(chǎn)品外殼可有效簡(jiǎn)化制造和組裝，從而進(jìn)一步降低成本。為了評估未配備透鏡支架的板級相機，還應購買(mǎi)安裝配件。如果封裝型號具有與板級型號相同的傳感器和功能，它們便可用作開(kāi)發(fā)平臺。 為板級攝像頭選擇正確的透鏡支架選件時(shí)，其中一個(gè)最重要的因素是所使用的傳感器的尺寸。通常，S 型支架透鏡設計用于 1/3" 或更小的低分辨率（通常低于 2MP）傳感器。CS 型支架透鏡則設計用于 1/3” 至 1/2”的傳感器。如果傳感器尺寸是 1/2” 或以上，最好使用 C 型支架透鏡。 熱管理
封裝機器視覺(jué)相機依靠其外殼表面區域來(lái)消散傳感器、FPGA 和其他組件產(chǎn)生的熱量。如果沒(méi)有外殼，對高性能板級相機可能會(huì )有其他設計要求，從而確保其在推薦溫度范圍內運行。這種情況下，提供足夠的散熱是關(guān)鍵所在。制造商通常會(huì )為溫度最高的組件提供最高結溫。對于FLIR Blackfly S 攝像頭，規定的 FPGA 的最高結溫為 105 攝氏度（221 華氏度）。 系統設計人員必須確保其熱管理解決方案符合此指標。散熱器尺寸、相機所安裝的機架表面積或所需主動(dòng)散熱器的類(lèi)型取決于傳感器、幀速率、運行環(huán)境及正在執行的相機圖像處理數量。為便于在攝像頭上安裝散熱器，我們推薦在導熱墊上使用散熱膏，盡可能減少板對攝像頭的應力。 外殼設計和快速原型制作
多數情況下，板級攝像頭直接集成到嵌入式視覺(jué)系統/產(chǎn)品中，不需要外殼。但對于攝像頭不與某一產(chǎn)品集成而使內部暴露在元件下的應用，可能有必要通過(guò)外殼防止損壞�？焖僭椭谱髦�，嵌入式系統設計師可以用3D 打印機輕松設計打印一個(gè)攝像頭外殼，或使用足以容納攝像頭的通用塑料外殼，然后通過(guò)墊片和安裝支架將攝像頭安裝到位。 接口和連接器
第一代 USB 3.1 是嵌入式系統的理想接口。其通用化功能可確保為從臺式計算機到基于 ARM 處理器的單板計算機 (SBC) 等各類(lèi)硬件提供支持。直接存儲器訪(fǎng)問(wèn) (DMA) 無(wú)需使用過(guò)濾器驅動(dòng)程序，便可將延遲保持在最低限度。第一代 USB 3.1 還采用單根電纜供電并可提供高達 480 MB/s 的數據吞吐量，有效地簡(jiǎn)化了機械和電氣設計。 嵌入式系統設計人員的一個(gè)重要目的包括現有設計的小型化。在這種情況下，電纜最大長(cháng)度就遠不如電纜和連接器體積重要。撓性印制電路 (FPC) 電纜采用長(cháng)達 30 米的電纜，支持第一代 USB 3.1。FPC 電纜顧名思義指的是可以彎曲扭轉以適應緊密包裝系統的電纜。另外，高品質(zhì)鎖定連接器和帶鎖凸耳的 FPC 屏蔽電纜可確保高度安全、可靠的連接。 不過(guò) USB 3.1 接口有一個(gè)潛在的弊病，它的高頻信號會(huì )對無(wú)線(xiàn)設備造成高達 5 GHz 的干擾（如 GPS 信號）。對于使用此類(lèi)無(wú)線(xiàn)頻率的應用，我們也提供帶 GigE 接口的 FLIR 板級攝像頭。 MIPI CSI 是另一種許多嵌入式主板使用的通用接口。但與 USB 相比，MIPI 協(xié)議和驅動(dòng)程序的復雜性可能會(huì )使得開(kāi)發(fā)更加耗時(shí)�；诘蛪翰罘中盘� (LVDS) 的接口同樣可用，而且專(zhuān)為直接連接主機端 FPGA 而設計；但每個(gè)信號傳輸通道需要兩條電線(xiàn)——這在某些應用中是一個(gè)微小卻又重大的弊端。 軟件支持 選擇用于嵌入式系統的相機時(shí)，軟件支持是一個(gè)不容忽視的重要考慮因素。有了支持臺式和嵌入式系統的 SDK，設計人員能夠通過(guò)熟悉的工具輕松自如地開(kāi)發(fā)視覺(jué)應用程序，并輕松地將其部署到所選擇的嵌入式平臺上。FLIR 的 Spinnaker SDK 可為基于 x86、x64 和 ARM 處理器的 Windows 和 Linux 臺式系統提供支持。 電磁兼容性 如果沒(méi)有外殼提供的屏蔽作用，板級相機的電磁兼容性 (EMC) 與封裝型號會(huì )有所差異。所有封裝的 FLIR 機器視覺(jué)攝像頭均經(jīng)過(guò)了 EMC 認證；不過(guò)板級攝像頭尚未進(jìn)行該認證。這些板級攝像頭要嵌入其他產(chǎn)品/系統，因此需單獨對成品進(jìn)行認證。無(wú)論是哪種應用，我們都建議它們和其他電氣組件那樣遵循電磁干擾 (EMI) 管理最佳實(shí)踐。 結論
板級攝像頭對嵌入式視覺(jué)系統的革新，使緊湊多功能的創(chuàng )新性產(chǎn)品的設計更加自由和靈活。除本文提出的因素外，還要注意使用高質(zhì)量傳感器、光學(xué)元件和可靠部件，讓您的嵌入式系統適應未來(lái)。FLIR 的全系列板級攝像頭專(zhuān)為這些應用而設計，提供業(yè)界領(lǐng)先的 3 年質(zhì)保。我們的機器視覺(jué)專(zhuān)家可以幫助您針對嵌入式系統選擇正確成像性能和外形因素等級 - 了解更多。 |
