Explicación del protocolo de cámara USB3 Visión | Las 5 principales razones para utilizar una cámara industrial USB3.0

La velocidad de la interfaz USB3 visión cámara

La interfaz USB 3.0, también conocida como Super-Speed USB, es la siguiente generación de la reconocida especificación Universal Serial Bus plug and play que se basa en las ventajas de USB 2.0 y elimina sus debilidades. El ancho de banda operativo disponible con el uso de USB 3.0 al transferir grandes volúmenes de datos suma entre 350-450 MB/s, dependiendo del controlador host. Esto es aproximadamente diez veces más que las cámaras USB 2.0 y cuatro veces más que Cámaras GigE.

El protocolo de una USB3 Visión Cámara industrial

USB 3.0 utiliza un total de nueve cables en el conector y cable USB 3.0, así como la interfaz de datos Unicast Dual-Simplex que permite transferir datos en ambas direcciones. La interfaz USB 2.0 aún utiliza un modelo de transferencia unidireccional, mientras que GigE, FireWire y USB 3.0 permiten transferir datos en ambas direcciones, lo que supone una gran mejora. Un procedimiento dirigido por el host envía paquetes de ruta y notificaciones explícitamente de manera alocrónica. El procedimiento permite que las cámaras envíen un mensaje al controlador host para saber cuándo están preparadas para transferir datos. Este mecanismo reduce el sobrecalentamiento del sistema y la carga de CPU en comparación con el mecanismo de sondeo en los módulos USB 2.0. Asimismo, esto hace que USB 3.0 sea una interfaz similar a Firewire al mismo tiempo.

Estándar USB3 Visión cámara

Fabricantes consolidados de aplicaciones y accesorios USB 3.0 inventaron conjuntamente el estándar USB 3 Visión y lanzaron la interfaz al mercado. El nuevo estándar ofrece grandes ventajas para todos sus usuarios. Además, el software y el hardware pueden intercambiarse, lo que permite mayores posibilidades de modificación y, por tanto, flexibilidad. También existe la certeza de que todas las funciones están disponibles y que la transmisión de imágenes es estable. La Automated Imaging Association es responsable de la interfaz y su publicación.

¿Le gustaría saber si una cámara USB3 sería adecuada para su aplicación? Contáctenos a continuación o siga leyendo. 

Las 5 principales razones para elegir la interfaz de USB3 Visión cámara

•    La estabilidad del sistema USB3 Visión: Un estándar universal para los requisitos de accesorios y cables evita posibles fallos durante las transmisiones de datos.
•    Bajo uso de CPU: Gracias a Zero Copy, la carga de CPU requerida es muy baja al capturar imágenes.
•    Tiempos de jitter y latencia bajos: Las opciones de comunicación dúplex permiten que el host inicie acciones en cualquier momento sin sufrir retrasos.
•    El ancho de banda actual ya no será suficiente para operar con los requisitos actuales y, especialmente, los futuros que plantean los sistemas de visión. Las resoluciones más altas, las frecuencias de imagen y los formatos de imagen alternativos requieren cada vez más ancho de banda y no pueden ser procesados por interfaces obsoletas.
•    Interfaces como FireWire están obsoletas y se acercan a la etapa de ‘descontinuado’ en el ciclo de vida del producto. El pasado muestra que el hardware basado en tecnología que se acerca al final de este ciclo se vuelve más difícil de adquirir. Como se mencionó anteriormente, esto está ocurriendo actualmente con la interfaz FireWire.

Cómo instalar un sistema de cámara USB 3.0

Hay algunas variables que deben tenerse en cuenta antes de configurar un sistema compatible con cámaras USB 3.0:
•    ¿Qué cables se requieren? ¿Qué longitud de cable? ¿Requiere un cable USB 3.0 pasivo o activo?
•    ¿Cuántas cámaras industriales USB 3.0 visión se utilizan en un sistema?
•    ¿Cuáles son los requisitos para el hardware del PC? ¿Hay componentes específicos que deban instalarse o actualizarse?
En el lanzamiento inicial del estándar USB3 visión, los usuarios tuvieron dificultades para lograr una configuración estable, principalmente debido a problemas con los accesorios. Estas dificultades se han resuelto y hoy en día USB3 es una interfaz sencilla y estable.

La clave para una configuración estable de cámara USB3

Para todos los accesorios USB3 Visión Standard se especifica el rendimiento mínimo. Para aprovechar toda la potencia de la nueva tecnología y lograr la máxima estabilidad, es importante seleccionar cuidadosamente los componentes individuales, incluida la cámara. Los accesorios USB3 como cables, tarjetas y otros componentes son ampliamente accesibles en el mercado de la electrónica de consumo, y tienen precios razonables. Debido a que estos componentes son más económicos, algunos usuarios se sentirán atraídos a utilizarlos en sus aplicaciones de visión por máquina. Normalmente, estos accesorios no están certificados según el USB3 Visión Standard y probablemente no podrán operar bajo los estrictos requisitos de una aplicación industrial. Esto suele resultar en la pérdida de imágenes o, incluso peor, en una avería completa del sistema. Frecuentemente, esto se atribuye a una cámara defectuosa, aunque el problema fue causado por accesorios mal seleccionados. Todos los accesorios en nuestra tienda online están certificados por USB3 Visión y por ello recomendamos utilizar estos.

Accesorios de cámara USB3 certificados y probados

La interacción entre los componentes individuales es sumamente importante en la configuración de un sistema de procesamiento de imágenes basado en una cámara USB 3.0 y debe ser tenida en cuenta. Por esta razón, por ejemplo, Daheng Imaging ha probado todos los componentes accesorios junto con sus modelos de cámara y solo se venden después de que superan estas pruebas. Cualquier limitación que surja durante la interacción entre los accesorios y la cámara será documentada y estos componentes no se venderán con esta cámara, o solo cuando las limitaciones estén claramente definidas. La principal ventaja de esto es que los usuarios pueden asumir estabilidad y fiabilidad al utilizar accesorios estandarizados en sus sistemas.

Los componentes clave

Como se mencionó anteriormente en la sección previa, las interacciones entre los componentes individuales en un sistema de procesamiento de imágenes USB 3.0 son muy críticas y los componentes deben seleccionarse cuidadosamente. A continuación se describen los componentes que requieren especial atención.

Cables USB3 Visión

A diferencia de estándares como GigE Visión o CameraLink, USB3 Visión describe las conexiones de cable y los requisitos principales para cables compatibles. La longitud máxima del cable está determinada por la relación entre las características de alta frecuencia y la relación entre la longitud máxima posible del cable y el grosor del cable de cobre antes de que ocurra la caída de voltaje de USB 3.0.
Los cables deben cumplir diferentes condiciones técnicas según el propósito o las aplicaciones para las que se utilicen. Se utiliza un conector USB 3.0 Micro B con tornillo en el lado de la cámara, mientras que en el lado del PC o del hub se utiliza un USB 3.0 Standard A. Dado que el conector USB 3.0 Standard A y el conector USB 2.0 son muy similares, se emplean símbolos específicos o una etiqueta azul en el conector o enchufe para indicar la presencia de la funcionalidad USB 3.0.

Longitud del cable USB3 Visión

En cuanto a la longitud del cable, es importante que el cable haya sido completamente examinado para verificar su compatibilidad con USB3 Visión. Los cables pasivos tienen una longitud máxima de 4,5 metros, mientras que los cables activos e híbridos tienen una longitud máxima de 20 metros, pero estos dos últimos son mucho más costosos y no están soportados por VA Imaging. Las aplicaciones que requieren un cable tan largo deberían considerar las cámaras GigE. Existe la posibilidad de que sean más asequibles en ese entorno específico. Daheng Imaging certifica y prueba sus cables y dispone de una amplia gama de cables que se pueden encontrar en la sección de accesorios.

Adaptador host

La cantidad de ancho de banda USB3.0 accesible está determinada por el tipo de chipset de la placa base y el chipset USB 3.0 que se utilice. Siempre existe la opción de conectar sus cámaras a las placas base a través de la conexión USB 3.0. Cuando no hay conexiones USB 3.0 integradas disponibles, se pueden instalar tarjetas PCI Express. Para aprovechar al máximo el ancho de banda, VA Imaging recomienda utilizar adaptadores USB3 PCI Express que se pueden encontrar en la sección de accesorios de nuestro sitio web.
Placa base y chipset
Las placas base con chipsets de las series originales Intel 7, Intel 8 o Intel 9 cuentan con soporte integrado para USB 3.0 debido al USB 3.0 host controller. Se recomiendan chipsets de la serie anterior para configurar un sistema USB 3.0 estable.

Hubs USB3

Se utilizan hubs para conectar un host en el ordenador a varias cámaras USB 3.0. Esto también se denomina red en estrella. En esta configuración, el hub solo puede trabajar con el ancho de banda de un puerto upstream USB 3.0; debe tenerse en cuenta que los puertos downstream individuales del hub también solo pueden transferir ese ancho de banda. Por ejemplo, si conecta cuatro cámaras USB 3 a un hub USB3, cada cámara dispone de (400/4) 100 mb/s de ancho de banda.

Las 10 principales reglas de diseño para implementar una Cámara USB3 Vision

Para garantizar una transición fluida de la interfaz USB3, deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:
•    Utilice los host controllers que ofrece VA Imaging. Las listas de productos incluyen información sobre ancho de banda, así como limitaciones de hubs y cables.
•    Utilice únicamente accesorios USB 3.0 certificados. Los accesorios de baja calidad pueden causar problemas en su transmisión e incluso en todo su sistema de visión.
•    Utilice siempre los controladores más recientes para sus host controllers cuando hayan sido probados por el fabricante de la cámara.
•    Evite el uso de hubs cuando no sea estrictamente necesario.
•    Evite el uso de cables USB3 Vision activos
•    Reduzca la longitud del cable tanto como sea posible (distancia máxima de cable de 4,5 metros)
•    Se recomienda no torcer ni doblar el cable innecesariamente, ya que esto podría reducir la eficiencia de la transmisión. Si es necesario torcer o reubicar un cable, asegúrese de utilizar un cable diseñado para trabajar con cadenas portacables o robótica.
•    También debe considerarse el ancho de banda de todas las cámaras conectadas en conjunto. El ancho de banda de todas las cámaras no puede superar el ancho de banda máximo posible del host controller. Si se excede el ancho de banda, utilice host controllers adicionales.
•    Tenga en cuenta los problemas de compatibilidad electromagnética (EMC) en su entorno o configuración del sistema que puedan causar interrupciones.
•    Controle o monitorice la carga de la CPU en su ordenador.

Reglas de diseño USB3 a tener en cuenta

Se deben tener en cuenta las siguientes reglas de diseño al instalar un sistema de cámaras USB3.

Carga de CPU excesivamente alta en el ordenador

El uso de un gran número de cámaras USB 3.0 con un solo sistema conlleva el riesgo de sobrecargar el ordenador y su CPU. Esto puede interrumpir el sistema de visión. Por lo tanto, siempre se debe monitorizar la carga de la CPU.

Consumo de ancho de banda en cámaras de alta velocidad y alta resolución

Si está utilizando una cámara USB 3.0 que tiene una frecuencia de imagen y/o resolución muy alta y, por lo tanto, consume el máximo ancho de banda USB 3.0, se debe tener en cuenta que la placa base, el controlador host y/o el hub ofrecen soporte para el máximo ancho de banda USB3.

Interrupciones relacionadas con EMC

La EMC puede causar interrupciones en cualquier configuración electrónica, incluyendo USB3. Normalmente, esto es causado por señales disruptivas en las proximidades del sistema de cámara, una mala conexión a tierra de la cámara y señales de terminación pueden causar problemas relacionados con la EMC.

Problemas con cables USB3

Los cables USB 3.0 de baja calidad pueden causar potencialmente mensajes de error como imágenes incompletas o perdidas, o incluso una desconexión total entre el host y la cámara. Esto puede hacer que el usuario piense que el sistema USB 3 no es estable y/o confiable. Este riesgo aumenta a medida que la longitud del cable se incrementa. Por este motivo, es de gran importancia elegir el cable lo más corto posible.

Configuración de un sistema multicámara USB3 visión cámara

Existen dos métodos para configurar un sistema USB 3.0 multicámara: una red punto a punto y una red en estrella.

Red en estrella

Al utilizar una red en estrella, las cámaras se conectan a un hub. El hub está conectado al controlador host del PC. Se debe tener en cuenta que no se debe exceder el ancho de banda máximo del controlador host.
Esto se debe a que las cámaras individuales de diferentes puertos consumen del único ancho de banda del host que está conectado al hub. Todo el ancho de banda en esta aplicación también depende de la velocidad y/o resolución de cada cámara. Se desaconseja el uso de cables pasivos que superen una longitud de 4,5 metros en este entorno, ya que de lo contrario todo el sistema será susceptible a interrupciones.

Red punto a punto

Con una red punto a punto, se conecta cada cámara directamente a un controlador host. Se debe tener en cuenta que no se supere el ancho de banda del controlador host y de la placa base o PC, ya que cada cámara necesita una cierta capacidad de ancho de banda. Esto está determinado por la velocidad y/o resolución de la cámara. No se recomienda utilizar un cable pasivo con una longitud superior a 4,5 metros en este entorno, ya que todo el sistema será propenso a interrupciones.

El futuro de las USB3.0 Visión cámaras

Esperamos que USB 3 consolide su posición en el mercado al obtener una mayor cuota de mercado en los próximos años y, junto con GigE, se convierta en la interfaz dominante. Esto replica el estándar USB 3.0 Visión como una interfaz flexible y estandarizada. Los grandes beneficios de este estándar son que es sencillo de usar y configurar, y está ampliamente disponible. Cuando se consideran todas las variables y requisitos técnicos, construir un sistema estable de USB3 visión cámara debería ser fácil y asequible.