17. září 2013

Vše co jste kdy chtěli vědět o USB3 Vision

Vytvořil:

Tomáš Gřeš

Článek popisuje základí fakta o komunikačním rozhraní USB3.0 a uvádí příklad použití kamery pro USB3 Vision.

Logo USB3 VisionRychlost: 350 MB/s
Délka kabeláže: až 5 m (pasivní kabel)
Standard: USB3 Vision

Výhody:

  • USB3.0 je standardní rozhraní na většině počítačů
  • Jednoduché připojení typu plug & play
  • Nízká zátěž procesoru počítače, velmi nízká latence
  • Napájení z rozhraní USB

Omezení:

  • Krátká kabeláž
  • Obtížnější připojení více kamer k jednomu systému

Kamera Basler ace pro USB3 VisionUSB3.0 je už nějakou dobu přítomno na osobních počítačích jako novější generace starší sběrnice USB2.0. Ačkoliv existují také kamery pro USB2.0, nikdy se tato sběrnice nestala průmyslovým standardem vhodným pro kamery, a to hlavně kvůli náchylnosti k rušení, krátké kabeláži, a poměrně velké zátěži procesoru počítače. Proto vzniklo nové přepracované rozhraní USB3.0, které těží z velmi snadného připojení typu plug&play a vysoké datové propustnosti. Ve srovnání s USB 2.0 je správa komunikace USB3.0 v mnohém vylepšena, takže nabízí vyšší spolehlivost přenosu dat a rapidně nižší zátěž CPU počítače. Většina řadičů USB3.0 umožňuje přímý přístup do paměti přes DMA (Direct Memory Access) pro minimalizaci zátěže procesoru při přenosu velkých objemů dat.

Použití kamer s USB3.0 je vhodné jak ve výrobě, tak i v aplikacích mimo průmyslové prostředí, například v laboratořích, obchodech, při televizním snímání atd. Slibné je také použití těchto kamer při vysokorychlostním snímání a ve vestavných systémech. Jednoduché instalaci významně napomáhá napájení kamery přímo z komunikační linky 5 V s příkonem až do 4,5 W.

Standardizace

Podobně jako u gigabitového ethernetu existuje GigE Vision, tak i pro USB3.0 byl vyvinut protokol USB3 Vision, aby bylo možné kamery spolehlivě použít v systémech strojového vidění jako real-time zařízení. Podpora protokolu USB3 Vision a standardu GenICam umožňuje vzájemné propojení systémů a kamer různých výrobců bez nutnosti změny ovladačů nebo aplikace. Uživatel tak prakticky nepozná, zda pracuje s kamerou například GigE nebo USB3. Pozici standardu GenICam a protokolu USB3 Vision naznačuje následující obrázek:

USB3 Vision je přirozeně podporováno také standardem GenICam (Zdroj: www.baslerweb.com)

Kabel pro USB3.0Kabeláž a konektory

Pro připojení kamery k počítači lze využít jednoduchý USB3.0 kabel, který má na jednom konci standardní USB konektor typu A a na druhém konci rozšířený konektor Micro-B. Pro připojení ke kameře se však doporučuje použít industriální kabel odolný proti rušení i zhoršeným podmínkám ve průmyslovém prostředí. Vzhledem ke konstrukci konektoru je vhodný kabel se šroubky na straně kamery.

Připojení k počítači

Téměř každý nový počítač má integrovány porty USB3.0. Z testů provedených výrobci kamer však vyplývá, že ne každý kontrolér má schopnost spolehlivě přenášet data maximální rychlostí po delší dobu. Výrobci kamer proto uvádějí různá doporučení ohledně řadičů a přídavných karet, které je vhodné použít. Například Basler doporučuje karty s čipy Renesas, anebo integrované  řadiče v čipsetech Intel. Zajímavé srovnání naleznete zde. Nicméně pokud je použita jedna kamera s datovým tokem v řádu desítek MB/s, tak vyhoví většina dostupných kontrolérů a základních desek.

Rozhraní USB 3.0 je typu plug&play, takže i připojení k počítači a nalezení kamery v systému je mimořádně jednoduché a není potřeba provádět žádná nastavení.

Průmyslový hub pro USB3.0 (Zdroj: www.exsys.ch)Připojení více kamer

Připojení více kamer k jednomu počítači je možné a to buď použitím komunikační karty s více porty, nebo pomocí USB3 hubu. U rychlejších kamer je třeba mít na paměti maximální propustnost sběrnice USB3.0. Pozor na konfiguraci karty, některé USB3.0 porty mají sdílené pásmo. Také karty, které jsou určené pro PCI Express 1x, jsou omezeny rychlostí vnitřní sběrnice na zhruba 950 MB/s.

Potřebný datový tok v bajtech za sekundu se vypočítá jako počet pixelů krát frekvence snímání (pro 8-bitovou hloubku). U 12-bitové hloubky je třeba tento údaj vynásobit 1,5x. Například:

640 x 480 x 100 fps = 30 720 000 B/s => 29,3 MB/s (8 bitů/pixel)

V software není nutné provádět žádné zvláštní nastavení.

Srovnání s jinými sběrnicemi

Někteří výrobci nabízejí variantně tytéž kamery s různým komunikačním rozhraním, např. s USB3.0, nebo gigabitovým ethernetem. Proto se nabízí otázka, jaké rozhraní vybrat pro určitou aplikaci. Je třeba říci, že USB3.0 nemá za úkol nahradit gigabitový ethernet. Obě rozhraní budou i nadále existovat vedle sebe. Gigabitový ethernet je vhodný použít v multi-kamerových systémech a také, pokud je třeba přenášet data na větší vzdálenost. USB3.0 je zamýšleno jako náhrada dosluhujícího rozhraní FireWire, se kterým sdílí řadu vlastností, jako je schopnost práce v reálném čase, napájení z kabelu a velmi snadné připojení kamery. Navíc přidává vyšší rychlost a nativní podporu v nových počítačích.

Ukázka

Ukázka použití kamery Basler acA1300-30um v programu pylon Viewer 4:

Pomocí konfigurátoru lze ověřit funkčnost připojení kamery V programu pylon Viewer stačí kameru připojit a spustit snímání. Nastavení parametrů kamery je intuitivní.

Logo
Top