De snelheid van de USB3 vision camera interface

De USB 3.0-interface, ook wel bekend als Super-Speed USB, is de volgende lijn van de bekende plug-and-play Universal Serial Bus-specificatie die voortbouwt op de voordelen van USB 2.0 en zijn zwaktes heeft weggepoetst. De operationele bandwidth die beschikbaar is bij het gebruik van USB 3.0 bij het overdragen van grote hoeveelheden gegevens bedraagt 350-450 MB/s, afhankelijk van de hostcontroller. Dit is ongeveer tien keer hoger dan USB 2.0-camera's en vier keer hoger dan GigE-camera's.

Het protocol van een industriële USB3 Vision Camera

USB 3.0 maakt gebruik van in totaal negen draden in de USB 3.0-stekker en -kabel, evenals de Unicast Dual-Simplex-data-interface die gegevensoverdracht op beide manieren mogelijk maakt. De USB 2.0-interface maakt nog steeds gebruik van een unidirectioneel overdrachtsmodel, waarbij GigE, FireWire en USB 3.0 allemaal de overdracht van gegevens op beide manieren mogelijk maken, dit is een enorme verbetering. Een hostgestuurde procedure verzendt vervolgens routepakketten en meldingen expliciet op allochrone wijze. Dankzij deze procedure kunnen de camera's een bericht naar de hostcontroller sturen om te weten wanneer deze gereed is om gegevens over te dragen. Dit mechanisme vermindert oververhitting van het systeem en CPU-belasting ten opzichte van het pollingmechanisme in USB 2.0-modules. Op dezelfde manier maakt dit USB 3.0 in één keer een vergelijkbare interface als Firewire.

USB3 Vision camera standaard

Goed gevestigde fabrikanten van USB 3.0 applicaties en accessoires hebben gezamenlijk de USB 3 Vision Standaard uitgevonden en de interface op de markt gebracht. De nieuwe standaard heeft sterke voordelen voor al hun gebruikers. Ook kunnen software en hardware in- en uitgewisseld worden, wat grotere aanpassingsmogelijkheden en dus flexibiliteit mogelijk maakt. Er is ook zekerheid dat alle functies beschikbaar zijn en dat de beeldoverdracht stabiel is. De Automated Imaging Association is verantwoordelijk voor de interface en publicatie.

Wilt u weten of een USB3 camera geschikt zou zijn voor uw application? Neem hieronder contact op of lees verder. 

Top 5 redenen om de USB3 Vision camera interface te selecteren

•    De USB3 Vision Systeem stabiliteit: Een universele standaard voor de vereisten voor accessoires en kabels voorkomt potentiële storingen tijdens gegevensoverdrachten.
•    Lage CPU: dankzij Zero Copy is de vereiste CPU-belasting zeer laag bij het vastleggen van beelden.
•    Lage jittertijden en latentie: Dankzij de duplex-communicatieopties kan de host op elk gewenst moment acties initiëren zonder last te hebben van vertragingen.
•    De huidige bandwidth zal niet langer voldoende zijn om te voldoen aan de huidige en specifiek aankomende vereisten die door vision systemen worden gesteld. Hogere resoluties, framerates en alternatieve afbeeldingsformaten vereisen steeds meer bandwidth en kunnen niet worden verwerkt door verouderde interfaces.
•    Interfaces zoals FireWire zijn verouderd en naderen de fase van 'end-of-life' in de levenscyclus van het product. Het verleden laat zien dat op technologie gebaseerde hardware het einde nadert en moeilijker te kopen wordt. Zoals eerder vermeld gebeurt dit momenteel met de FireWire-interface.

Hoe een USB 3.0 camera systeem te installeren

Er zijn een aantal variabelen waarmee rekening moet worden gehouden voordat u een systeem opzet dat compatibel is met USB 3.0-camera's:
•    Welke kabels zijn vereist? Welke kabellengte? Heeft u passieve of actieve USB 3.0-kabel(s) nodig?
•    Hoeveel industriële USB 3.0 vision camera's worden in één systeem gebruikt?
•    Wat zijn de vereisten voor de pc-hardware? Zijn er specifieke componenten die moeten worden geïnstalleerd of moeten worden geüpgraded?
Bij de eerste release van de USB3 vision standaard, hadden gebruikers moeite om een stabiele opstelling te realiseren, voornamelijk veroorzaakt door problemen met accessoires. Deze problemen zijn opgelost en tegenwoordig is USB3 een gemakkelijke en stabiele interface.

De sleutel tot een stabiele USB3 camera opstelling

Voor alle USB3 Vision Standaard accessoires is de minimale prestatie gespecificeerd. Om de volledige kracht van de nieuwe technologie te versterken en de hoogste stabiliteit te bereiken, is het belangrijk om individuele componenten zorgvuldig te selecteren, dit omvat de camera. USB3 accessoires zoals kabels, kaarten en andere componenten zijn breed beschikbaar op de consumenten elektronica markt, terwijl ze redelijk geprijsd zijn. Omdat deze componenten goedkoper zijn, zullen sommige gebruikers worden aangetrokken om deze te gebruiken in hun machine vision applicaties. Deze accessoires zijn normaal gesproken niet gecertificeerd op basis van de USB3 Vision Standaard en zullen waarschijnlijk niet kunnen voldoen aan de strikte eisen van een industriële application. Dit resulteert vaak in verloren beelden of nog erger, een complete storing van uw systeem. Dit zal vaak worden toegeschreven aan een defecte camera, hoewel slecht gekozen accessoires het probleem hebben veroorzaakt. Alle accessoires in onze webshop zijn USB3 Vision gecertificeerd en daarom adviseren wij om deze te gebruiken.

Gecertificeerde en geteste USB3 camera accessoires

De interactie tussen individuele componenten is uiterst belangrijk bij de opzet van een USB 3.0 camera gebaseerde beeldverwerkingssystemen en moet in overweging worden genomen. Om deze reden heeft Daheng Imaging bijvoorbeeld alle accessoires samen met hun camera modellen getest en worden ze alleen verkocht nadat ze deze tests hebben doorstaan. Eventuele beperkingen die ontstaan tijdens de interactie tussen accessoires en camera zullen worden gedocumenteerd en deze componenten zullen niet worden verkocht met deze camera, of alleen wanneer de beperkingen duidelijk zijn gedefinieerd. Het grootste voordeel hiervan is dat gebruikers stabiliteit en betrouwbaarheid kunnen aannemen bij het gebruik van gestandaardiseerde accessoires in hun systemen.

De belangrijkste componenten

Zoals eerder vermeld in het vorige gedeelte, zijn de interacties tussen individuele componenten in een USB 3.0-beeldverwerkingssysteem zeer kritisch en moeten componenten voorzichtig worden gekozen. Onderdelen die speciale aandacht vereisen, worden hieronder beschreven.

USB3 Vision kabels

In tegenstelling tot standaarden zoals GigE Vision of CameraLink, beschrijft USB3 Vision kabelverbindingen en de belangrijkste vereisten voor compatibele kabels. De maximale kabellengte wordt bepaald door de verhouding tussen de hoogfrequente kenmerken, en de relatie tussen de maximaal mogelijke kabellengte en de dikte van de koperdraad voordat de USB 3.0 spanningsval optreedt.
Kabels moeten voldoen aan verschillende technische voorwaarden, afhankelijk van het doel of applicaties waarvoor ze worden gebruikt. Een schroefbare USB 3.0 Micro B-plug wordt aan de zijkant van de camera gebruikt, terwijl een USB 3.0 Standaard A aan de PC of hubzijde zal worden gebruikt. Aangezien de USB 3.0 Standaard A-plug en de USB 2.0 jack erg op elkaar lijken, worden specifieke symbolen of een blauwe tag op de jack of plug gebruikt om aan te geven dat er USB 3.0-functionaliteit aanwezig is.

USB3 Vision kabel lengte

Wat betreft de lengte van de kabel is het belangrijk dat de kabel volledig is onderzocht op compatibiliteit met USB3 Vision. Passieve kabels hebben een maximale lengte van 4,5 meter, terwijl actieve en hybride kabels een maximale lengte van 20 meter hebben, maar de laatste twee zijn veel duurder en worden niet ondersteund door VA Imaging. Applicaties die zo'n lange kabel nodig hebben, moeten kijken naar GigE-camera's. Er is een mogelijkheid dat deze in die specifieke setting betaalbaarder zijn. Daheng Imaging certificeert en test zijn kabels en heeft een breed scala aan kabels die te vinden zijn onder accessoires.

Hostadapter

De hoeveelheid USB3.0 bandwidth die toegankelijk is, wordt bepaald door welk soort moederbordchipset en USB 3.0 chipset zal worden gebruikt. De optie om uw camera's via de USB 3.0-verbinding op moederborden aan te sluiten is altijd aanwezig. Wanneer er geen geïntegreerde USB 3.0-verbindingen beschikbaar zijn, kunnen PCI Express-kaarten worden geïnstalleerd. Om gebruik te maken van de maximale hoeveelheid bandwidth, raadt VA Imaging aan om USB3 PCI express-adapters te gebruiken die onder accessoires op onze website te vinden zijn.
Moederbord en chipset
Moederborden met chipsets van de originele Intel 7, Intel 8 of Intel 9 serie hebben ingebouwde support voor USB 3.0 dankzij de USB 3.0 hostcontroller. Chipsets uit de bovenstaande series worden aanbevolen om een stabiel USB 3.0-systeem op te zetten.

USB3-hubs

Hubs worden gebruikt om een host op de computer te verbinden met verschillende USB 3.0-camera's. Dit wordt ook wel een sternetwerk genoemd. In deze opstelling kan de hub alleen werken met de bandwidth van een USB 3.0 upstream-poort, het moet in overweging worden genomen dat individuele downstream-poorten op de hub ook alleen in staat zijn om die bandwidth over te dragen. Dus, als voorbeeld, als je vier USB 3-camera's aansluit op één USB3-hub, heeft elke camera (400/4) 100 mb/s bandwidth over.

Top 10 ontwerprichtlijnen voor het implementeren van een USB3 Vision Camera

Om een ​​soepele overgang van de USB3-interface te garanderen, moeten de volgende punten in overweging worden genomen:
•    Maak gebruik van de hostcontrollers die VA Imaging aanbiedt. De productlijsten bevatten informatie over bandwidth, en beperkingen van hubs en kabels.
• Gebruik alleen gecertificeerde USB 3.0-accessoires. Accessoires van lage kwaliteit kunnen mogelijk problemen veroorzaken met uw overgang en zelfs met uw vision systeem.
•    Gebruik te allen tijde de nieuwste stuurprogramma's voor uw hostcontrollers wanneer deze zijn getest door de camera fabrikant.
•    Omzeil het gebruik van hubs wanneer dit ongetwijfeld niet nodig is.
•    Omzeil het gebruik van actieve USB3 Vision kabels
•    Verminder de kabellengte zoveel mogelijk (maximale kabelafstand van 4,5 meter)
•    Het wordt afgeraden de kabel onnodig te draaien of te knikken, dit kan mogelijk de efficiëntie van uw transmissie verminderen. Als een kabel gedraaid of verplaatst moet worden, zorg er dan voor dat u een kabel gebruikt die bedoeld is voor het werken met kabelsleepkettingen of robotica.
•    De bandwidth van alle aangesloten camera's samen moet ook in overweging worden genomen. De bandwidth van alle camera's samen mag de maximale mogelijke bandwidth van de hostcontroller niet overschrijden. Als de bandwidth overschreden wordt, gebruik dan extra hostcontrollers.
•    Zorg voor elektromagnetische compatibiliteitsproblemen (EMC) in uw omgeving of systeemopstelling die tot verstoringen kunnen leiden.
•    Beheer of monitor de CPU-belasting op uw computer.

USB3-ontwerpregels om in gedachten te houden

Houd rekening met de volgende ontwerprichtlijnen bij het installeren van een USB3 camera systeem.

Overmatig hoge CPU-belasting op de computer

Het gebruik van een groot aantal USB 3.0-camera's met één systeem brengt het risico met zich mee dat de computer en zijn CPU overbelast raken. Dit kan het vision systeem verstoren. Daarom moet de CPU-belasting altijd worden gemonitord.

Hoge snelheid en hoge resolutie camera's bandwidth verbruik

Als u een USB 3.0 camera gebruikt die een zeer hoge frame rate en/of resolutie heeft en daardoor de maximale USB 3.0 bandwidth verbruikt, moet in overweging worden genomen dat het moederbord, de hostcontroller en/of hub de maximale USB3 bandwidth ondersteunt.

EMC-gerelateerde onderbrekingen

EMC kan verstoringen veroorzaken in elke elektronische opstelling, inclusief USB3. Dit wordt meestal veroorzaakt door storende signalen in de nabijheid van het camera systeem dat de camera verkeerd aardt en beëindigingssignalen kunnen de EMC-gerelateerde problemen veroorzaken.

Problemen met USB3-kabel

Slechte kwaliteit USB 3.0-kabels kunnen mogelijk foutmeldingen veroorzaken, zoals onvolledige en verloren afbeeldingen of zelfs een volledige onderbreking van de verbinding tussen de host en camera. Dit kan de gebruiker het idee geven dat het USB 3-systeem niet stabiel en/of betrouwbaar is. Dit risico neemt toe naarmate de kabellengte toeneemt. Om deze reden is het van groot belang om je kabel zo kort mogelijk te kiezen.

Opstelling van een multi-camera USB3 vision camera systeem

Er zijn twee methoden om een ​​USB 3.0-multicamerasysteem op te zetten: een point-to-point-netwerk en een sternetwerk.

Sternetwerk

Bij het gebruik van een sternetwerk zijn de camera's verbonden met een hub. De hubs zijn verbonden met de hostcontroller van de pc. Het moet in overweging worden genomen dat de maximale bandwidth van de hostcontroller niet mag worden overschreden.
Dit komt doordat individuele camera's van verschillende poorten allemaal gebruikmaken van de enkele bandwidth van de host die is verbonden met de hub. De gehele bandwidth in deze application is ook afhankelijk van de snelheid en/of resolutie van elke afzonderlijke camera. Het wordt afgeraden om passieve kabels te gebruiken die langer zijn dan 4,5 meter voor deze instelling, anders zal het hele systeem kwetsbaar zijn voor onderbrekingen.

Punt-tot-puntnetwerk

Met een point-to-point netwerk verbind je elke camera rechtstreeks met een hostcontroller. Het moet in overweging worden genomen dat de bandwidth van de hostcontroller en het moederbord of de pc niet wordt overschreden; elke afzonderlijke camera heeft een bepaalde capaciteit van bandwidth nodig. Dit wordt bepaald door de snelheid en/of resolutie van de camera. Het gebruik van een passieve kabel met een kabellengte langer dan 4,5 meter wordt in deze opstelling niet aanbevolen; het hele systeem zal dan kwetsbaar zijn voor verstoringen.

De toekomst van USB3.0 Vision camera's

Wij verwachten dat USB 3 zijn positie op de markt zal verstevigen door in de komende jaren een groter marktaandeel te verwerven en samen met GigE de dominante interface te worden. Dit weerspiegelt de USB 3.0 Vision standaard als een flexibele en standaardinterface. Grote voordelen van deze standaard zijn dat het eenvoudig te gebruiken en in te stellen is en breed beschikbaar is. Wanneer alle variabelen en technische vereisten in overweging worden genomen, zou het bouwen van een stabiel USB3 vision camera systeem eenvoudig en betaalbaar moeten zijn.