Die Geschwindigkeit der USB3 vision Kamera Schnittstelle

Die USB 3.0-Schnittstelle, auch bekannt als Super-Speed USB, ist die nächste Generation der bekannten Plug-and-Play-Universal-Serial-Bus-Spezifikation, die auf den Stärken von USB 2.0 aufbaut und dessen Schwächen beseitigt. Die operative Bandbreite, die bei der Verwendung von USB 3.0 beim Übertragen großer Datenmengen verfügbar ist, beträgt insgesamt 350-450 MB/s, abhängig vom Host-Controller. Dies ist ungefähr zehnmal höher als bei USB 2.0-Kameras und viermal höher als bei GigE-Kameras.

Das Protokoll einer industriellen USB3 Vision Kamera

USB 3.0 nutzt insgesamt neun Drähte im USB 3.0-Stecker und -Kabel sowie die Unicast Dual-Simplex-Datenschnittstelle, die eine Datenübertragung in beide Richtungen ermöglicht. Die USB 2.0-Schnittstelle nutzt immer noch ein unidirektionales Übertragungsmodell, wobei GigE, FireWire und USB 3.0 die Datenübertragung in beide Richtungen ermöglichen, was eine enorme Verbesserung darstellt. Eine hostgesteuerte Prozedur sendet dann Routenpakete und Benachrichtigungen explizit auf allochrone Weise. Das Verfahren ermöglicht es den Kameras, eine Nachricht an den Host-Controller zu senden, um zu erfahren, wann er für die Datenübertragung bereit ist. Dieser Mechanismus reduziert die Überhitzung des Systems und die CPU-Last im Vergleich zum Polling-Mechanismus in USB 2.0-Modulen. Dies macht USB 3.0 ebenfalls zu einer ähnlichen Schnittstelle wie Firewire.

USB3 Vision Kamera Standard

Gut etablierte Hersteller von USB 3.0 Applikationen und Zubehör haben gemeinsam den USB 3 Vision Standard erfunden und die Schnittstelle auf den Markt gebracht. Der neue Standard bietet starke Vorteile für alle ihre Nutzer. Auch Software und Hardware können ein- und ausgewechselt werden, was größere Modifikationsmöglichkeiten und damit Flexibilität ermöglicht. Es besteht auch die Gewissheit, dass alle Funktionen verfügbar sind und dass die Bildübertragung stabil ist. Die Automated Imaging Association ist verantwortlich für die Schnittstelle und Veröffentlichung.

Möchten Sie wissen, ob eine USB3 Kamera für Ihre Applikation geeignet wäre? Kontaktieren Sie uns unten oder lesen Sie weiter. 

Top 5 Gründe, sich für die USB3 Vision Kamera-Schnittstelle zu entscheiden

•    Die USB3 Vision Systemstabilität: Ein universeller Standard für die Anforderungen an Zubehör und Kabel verhindert potenzielle Ausfälle während der Datenübertragungen.
•    Geringe CPU: Aufgrund von Zero Copy ist die erforderliche CPU-Last beim Aufnehmen von Bildern sehr gering.
•    Geringe Jitter- und Latenzzeiten: Die Duplex-Kommunikationsoptionen ermöglichen es dem Host, jederzeit Aktionen einzuleiten, ohne dass es zu Verzögerungen kommt.
•    Die derzeitige Bandbreite wird nicht mehr ausreichen, um die aktuellen und insbesondere die kommenden Anforderungen der vision-Systeme zu erfüllen. Höhere Auflösungen, Bildraten und alternative Bildformate erfordern zunehmend mehr Bandbreite und können von veralteten Schnittstellen nicht verarbeitet werden.
•    Schnittstellen wie FireWire sind veraltet und nähern sich dem „Lebensende“-Stadium im Produktlebenszyklus. Die Vergangenheit zeigt, dass sich technologiebasierte Hardware dem Ende nähert und immer schwieriger zu kaufen ist. Wie bereits erwähnt passiert dies derzeit mit der FireWire-Schnittstelle.

Wie man ein USB 3.0 Kamera installiert

Bevor Sie ein mit USB 3.0-Kameras kompatibles System einrichten, müssen einige Variablen berücksichtigt werden:
•    Welche Kabel werden benötigt? Welche Kabellänge? Benötigen Sie ein oder mehrere passive oder aktive USB 3.0-Kabel?
•    Wie viele industrielle USB 3.0 vision-Kameras werden in einem System verwendet?
•    Was sind die Anforderungen an die PC-Hardware? Müssen bestimmte Komponenten installiert oder aktualisiert werden?
Bei der ursprünglichen Veröffentlichung des USB3 vision Standards hatten die Benutzer Schwierigkeiten, eine stabile Einrichtung zu erreichen, hauptsächlich verursacht durch Probleme mit Zubehör. Diese Schwierigkeiten wurden gelöst und heutzutage ist USB3 eine einfache und stabile Schnittstelle.

Der Schlüssel zu einem stabilen USB3 Kamera Setup

Für alle USB3 Vision Standardzubehörteile sind die Mindestanforderungen festgelegt. Um die volle Leistung der neuen Technologie zu festigen und höchste Stabilität zu erreichen, ist es wichtig, einzelne Komponenten sorgfältig auszuwählen, dazu gehört auch die Kamera. USB3-Zubehör wie Kabel, Karten und andere Komponenten sind auf dem Markt für Unterhaltungselektronik weit verbreitet und preislich angemessen. Da diese Komponenten günstiger sind, werden einige Benutzer dazu verleitet, diese in ihren Machine Vision Applikationen zu verwenden. Dieses Zubehör ist normalerweise nicht nach dem USB3 Vision Standard zertifiziert und wird wahrscheinlich nicht den strengen Anforderungen einer industriellen Applikation gerecht. Oft führt dies zu verlorenen Bildern oder noch schlimmer, einem kompletten Ausfall Ihres Systems. Dies wird häufig auf eine defekte Kamera geschoben, obwohl schlecht gewähltes Zubehör das Problem verursacht hat. Alle Zubehörteile in unserem Webshop sind USB3 Vision zertifiziert und daher empfehlen wir, diese zu verwenden.

Zertifizierte und getestete USB3 Kamera Zubehör

Die Interaktion zwischen den einzelnen Komponenten ist äußerst wichtig für die Einrichtung eines USB 3.0 Kamera-basierten Bildverarbeitungssystems und muss berücksichtigt werden. Aus diesem Grund hat Daheng Imaging beispielsweise alle Zubehörkomponenten zusammen mit ihren Kamera-Modellen getestet, und sie werden nur verkauft, nachdem sie diese Tests bestanden haben. Alle Einschränkungen, die während der Interaktion zwischen Zubehör und Kamera auftreten, werden dokumentiert, und diese Komponenten werden nicht mit dieser Kamera verkauft oder nur, wenn die Einschränkungen klar definiert sind. Der größte Vorteil davon ist, dass Benutzer Stabilität und Zuverlässigkeit annehmen können, während sie standardisierte Zubehörteile in ihren Systemen verwenden.

Die Schlüsselkomponenten

Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, sind die Interaktionen zwischen einzelnen Komponenten in einem USB 3.0-Bildverarbeitungssystem sehr kritisch und die Komponenten müssen mit Bedacht ausgewählt werden. Im Folgenden werden Komponenten beschrieben, die besondere Aufmerksamkeit erfordern.

USB3 Vision Kabel

Im Gegensatz zu Standards wie GigE Vision oder CameraLink beschreibt USB3 Vision Kabelverbindungen und die wichtigsten Anforderungen an kompatible Kabel. Die maximale Kabellänge wird durch das Verhältnis zwischen den Hochfrequenzeigenschaften bestimmt, sowie durch die Beziehung zwischen der maximal möglichen Kabellänge und dem Durchmesser des Kupferdrahts, bevor der Spannungsabfall bei USB 3.0 eintritt.
Kabel müssen unterschiedliche technische Bedingungen erfüllen, je nach Zweck oder Applikationen, für die sie verwendet werden. Ein Schraub-USB 3.0 Micro B-Stecker wird an der Seite der Kamera verwendet, während ein USB 3.0 Standard A auf der PC- oder Hub-Seite verwendet wird. Da der USB 3.0 Standard A-Stecker und die USB 2.0 Buchse sehr ähnlich sind, werden spezifische Symbole oder ein blauer Aufkleber an der Buchse oder dem Stecker verwendet, um das Vorhandensein von USB 3.0-Funktionalität anzuzeigen.

USB3 Vision Kabellänge

Bezüglich der Kabellänge ist es wichtig, dass das Kabel vollständig auf die Kompatibilität mit USB3 Vision geprüft wurde. Passive Kabel haben eine maximale Länge von 4,5 Metern, während aktive und hybride Kabel eine maximale Länge von 20 Metern haben, aber letztere sind deutlich teurer und werden von VA Imaging nicht unterstützt. Applikationen, die ein so langes Kabel benötigen, sollten sich GigE-Kameras ansehen. Es besteht die Möglichkeit, dass diese in diesem speziellen Umfeld erschwinglicher sind. Daheng Imaging zertifiziert und testet seine Kabel und bietet eine breite Palette von Kabeln an, die unter Zubehör zu finden sind.

Hostadapter

Die Menge an USB3.0 Bandbreite, die verfügbar ist, wird durch die Art des verwendeten Motherboard-Chipsatzes und des USB 3.0-Chipsatzes bestimmt. Die Möglichkeit, Ihre Kameras über die USB 3.0-Verbindung mit Motherboards zu verbinden, ist immer gegeben. Wenn keine integrierten USB 3.0-Anschlüsse verfügbar sind, können PCI Express-Karten installiert werden. Um die maximale Menge an Bandbreite zu nutzen, empfiehlt VA Imaging, USB3 PCI-Express-Adapter zu verwenden, die unter Zubehör auf unserer Website zu finden sind.
Motherboard und Chipsatz
Motherboards mit Chipsätzen aus der originalen Intel 7, Intel 8 oder Intel 9 Serie haben integrierte Support für USB 3.0 aufgrund des USB 3.0 Hostcontrollers. Chipsätze aus den oben genannten Serien werden empfohlen, um ein stabiles USB 3.0 System einzurichten.

USB3-Hubs

Hubs werden verwendet, um einen Host am Computer mit mehreren USB 3.0-Kameras zu verbinden. Dies wird auch als Sternnetzwerk bezeichnet. In diesem Setup kann der Hub nur mit der Bandbreite eines USB 3.0-Upstream-Ports arbeiten; es muss berücksichtigt werden, dass die einzelnen Downstream-Ports am Hub ebenfalls nur in der Lage sind, diese Bandbreite zu übertragen. Wenn Sie also beispielsweise vier USB 3-Kameras an einen USB3-Hub anschließen, hat jede Kamera (400/4) 100 mb/s Bandbreite übrig.

Top 10 Designregeln für die Implementierung einer USB3 Vision Kamera

Um einen reibungslosen Übergang zur USB3-Schnittstelle zu gewährleisten, sollten die folgenden Punkte berücksichtigt werden:
•    Nutzen Sie die Host-Controller, die VA Imaging anbietet. Die Produktlisten enthalten Informationen zu Bandbreite sowie zu Einschränkungen bei Hubs und Kabeln.
•    Verwenden Sie nur zertifizierte USB 3.0-Zubehörteile. Zubehör von minderer Qualität kann potenziell Probleme mit Ihrem Übergang und sogar mit Ihrem vision-System verursachen.
•    Verwenden Sie jederzeit die neuesten Treiber für Ihre Host-Controller, wenn diese vom Kamera getestet wurden.
•    Umgehen Sie die Verwendung von Hubs, wenn dies zweifellos nicht erforderlich ist.
•    Umgehen Sie die Verwendung von aktiven USB3 Vision Kabeln
•    Reduzieren Sie die Kabellänge so weit wie möglich (maximale Kabellänge 4,5 Meter).
•    Es wird davon abgeraten, das Kabel unnötig zu verdrehen oder zu knicken, da dies möglicherweise die Effizienz Ihrer Übertragung beeinträchtigen könnte. Wenn ein Kabel verdreht oder verlegt werden muss, achten Sie darauf, dass Sie ein Kabel verwenden, das für die Arbeit mit Schleppketten oder Robotik vorgesehen ist.
•    Die Bandbreite aller verbundenen Kameras muss ebenfalls berücksichtigt werden. Die Bandbreite aller Kameras zusammen darf die maximale mögliche Bandbreite des Host-Controllers nicht überschreiten. Wenn die Bandbreite überschreitet, verwenden Sie zusätzliche Host-Controller.
•    Kümmern Sie sich um Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in Ihrer Umgebung oder Ihrem Systemaufbau, die zu Störungen führen können.
•    Steuern oder überwachen Sie die CPU-Auslastung Ihres Computers.

Beachten Sie die USB3-Designregeln

Die folgenden Entwurfsregeln sollten beim Installieren eines USB3 Kameraystems beachtet werden.

Zu hohe CPU-Auslastung des Computers

Die Verwendung einer großen Anzahl von USB 3.0-Kameras mit einem einzelnen System birgt das Risiko, den Computer und seine CPU zu überlasten. Dies kann das vision-System stören. Daher sollte die CPU-Auslastung immer überwacht werden.

Hochgeschwindigkeits- und hochauflösende Kameras Bandbreiteverbrauch

Wenn Sie eine USB 3.0 Kamera verwenden, die eine sehr hohe Bildrate und/oder Auflösung hat und daher die maximale USB 3.0 Bandbreite verbraucht, muss berücksichtigt werden, dass das Motherboard, der Host-Controller und/oder der Hub die maximale USB3 Bandbreite unterstützen.

EMV-bedingte Störungen

EMC kann Störungen in jeder elektronischen Einrichtung verursachen, einschließlich USB3. Dies wird normalerweise durch störende Signale in unmittelbarer Nähe des Kameraystems verursacht, die die Kamera falsch erden, und Abschluss-signale können die mit EMC verbundenen Probleme verursachen.

Probleme mit dem USB3-Kabel

Schlechte USB 3.0-Kabel können potenziell Fehlermeldungen verursachen, wie unvollständige und verlorene Bilder oder sogar einen vollständigen Verbindungsabbruch zwischen dem Host und Kamera. Dies kann den Benutzer glauben lassen, dass das USB 3-System nicht stabil und/oder zuverlässig ist. Dieses Risiko steigt mit zunehmender Kabellänge. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, das Kabel so kurz wie möglich zu wählen.

Einrichtung eines Multi-Kamera USB3 vision Kamera-Systems

Es gibt zwei Methoden zum Einrichten eines USB 3.0-Multikamerasystems: ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk und ein Sternnetzwerk.

Sternnetz

"Bei der Verwendung eines Sternnetzwerks sind die Kameras mit einem Hub verbunden. Der Hub ist mit dem Host-Controller des PCs verbunden. Es sollte berücksichtigt werden, dass die maximale Bandbreite des Host-Controllers nicht überschritten werden darf."
Dies liegt daran, dass einzelne Kameras von verschiedenen Ports alle von der einzigen Bandbreite des Hosts, der mit dem Hub verbunden ist, konsumieren. Die gesamte Bandbreite in dieser Applikation hängt auch von der Geschwindigkeit und/oder Auflösung jeder einzelnen Kamera ab. Es wird davon abgeraten, passive Kabel zu verwenden, die eine Kabellänge von 4,5 Metern überschreiten, da das gesamte System sonst anfällig für Unterbrechungen sein wird.

Punkt-zu-Punkt-Netzwerk

Mit einem Punkt-zu-Punkt-Netzwerk verbinden Sie jede Kamera direkt mit einem Host-Controller. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Bandbreite des Host-Controllers und der Hauptplatine oder des PCs nicht überschritten wird; jede separate Kamera benötigt eine bestimmte Kapazität an Bandbreite. Dies wird durch die Geschwindigkeit und/oder Auflösung der Kamera bestimmt. Die Verwendung eines passiven Kabels mit einer Kabellänge von mehr als 4,5 Metern wird in diesem Setting nicht empfohlen; das gesamte System wird dann anfällig für Störungen sein.

Die Zukunft der USB3.0 Vision Kameras

Wir erwarten, dass sich USB 3 in den nächsten Jahren durch einen größeren Marktanteil im Markt festigt und zusammen mit GigE die dominierende Schnittstelle wird. Dies spiegelt den USB 3.0 Vision Standard als flexible und standardisierte Schnittstelle wider. Große Vorteile dieses Standards sind, dass er einfach zu bedienen und einzurichten ist und weit verbreitet verfügbar ist. Wenn alle Variablen und technischen Anforderungen berücksichtigt werden, sollte der Aufbau eines stabilen USB3 vision Kamera Systems einfach und erschwinglich sein.