Explicação do protocolo de câmera USB3 Visão | Top 5 razões para utilizar uma câmera industrial USB3.0

A velocidade da interface USB3 vision câmera

A interface USB 3.0, também conhecida como Super-Speed USB, é a próxima geração da conhecida especificação Universal Serial Bus plug and play, que aproveita os pontos fortes do USB 2.0 e elimina as suas fraquezas. A largura de banda operacional disponível com o uso do USB 3.0 ao transferir grandes volumes de dados totaliza 350-450 MB/s, dependendo do controlador host. Isto é aproximadamente dez vezes superior às câmeras USB 2.0 e quatro vezes superior a Câmeras GigE.

O protocolo de uma USB3 Vision Câmera industrial

O USB 3.0 utiliza nove fios no total no conector e cabo USB 3.0, bem como a interface de dados Unicast Dual-Simplex, que permite a transferência de dados em ambas as direções. A interface USB 2.0 ainda utiliza um modelo de transferência unidirecional, enquanto GigE, FireWire e USB 3.0 permitem a transferência de dados em ambas as direções, o que representa uma grande melhoria. Um procedimento dirigido pelo host envia então pacotes de rota e notificações de forma explícita e alocronológica. O procedimento permite que as câmeras enviem uma mensagem ao controlador host para indicar quando estão preparadas para transferir dados. Este mecanismo reduz o sobreaquecimento do sistema e a carga da CPU em relação ao mecanismo de polling nos módulos USB 2.0. Da mesma forma, isto torna o USB 3.0 uma interface semelhante ao FireWire.

Padrão USB3 Vision câmera

Fabricantes de referência de aplicações e acessórios USB 3.0 inventaram em conjunto o USB 3 Vision Standard e lançaram a interface no mercado. O novo padrão apresenta grandes benefícios para todos os seus utilizadores. Além disso, software e hardware podem ser trocados, o que permite maiores possibilidades de modificação e, consequentemente, flexibilidade. Existe também a garantia de que todas as funções estão disponíveis e que a transmissão de imagem é estável. A Automated Imaging Association é responsável pela interface e publicação.

Gostaria de saber se uma câmera USB3 seria adequada para a sua aplicação? Entre em contacto abaixo ou leia mais. 

Top 5 razões para escolher a interface USB3 Vision câmera

•    A estabilidade do sistema USB3 Vision: Um padrão universal para os requisitos de acessórios e cabos evita potenciais falhas durante as transmissões de dados.
•    Baixa utilização da CPU: Devido ao Zero Copy, a carga de CPU necessária é muito baixa ao capturar imagens.
•    Baixos tempos de jitter e latência: As opções de comunicação duplex permitem que o host inicie ações a qualquer momento sem sofrer atrasos.
•    A largura de banda atual deixará de ser adequada para operar com os requisitos atuais e, especialmente, com os futuros impostos pelos sistemas de visão. Resoluções mais elevadas, frame rates superiores e formatos de imagem alternativos exigem cada vez mais largura de banda e não podem ser processados por interfaces desatualizadas.
• Interfaces como FireWire estão desatualizadas e a aproximar-se da fase de ‘fim da vida útil’ no ciclo de vida do produto. O passado mostra que hardware baseado em tecnologia que se aproxima do fim desta fase torna-se mais difícil de adquirir. Como mencionado anteriormente, isto está atualmente a acontecer com a interface FireWire.

Como instalar um sistema de câmera USB 3.0

Existem algumas variáveis a considerar antes de configurar um sistema compatível com câmeras USB 3.0:
• Que cabos são necessários? Qual o comprimento do cabo? Necessita de um cabo USB 3.0 passivo ou ativo?
• Quantas câmeras industriais USB 3.0 vision são utilizadas num sistema?
• Quais são os requisitos para o hardware do PC? Existem componentes específicos que precisam de ser instalados ou atualizados?
No lançamento inicial do USB3 Vision Standard, os utilizadores tiveram dificuldades em alcançar uma configuração estável, principalmente devido a problemas com acessórios. Estas dificuldades foram resolvidas e, atualmente, o USB3 é uma interface fácil e estável.

A chave para uma configuração USB3 câmera estável

Para todos os acessórios USB3 Vision Standard é especificado o desempenho mínimo. Para garantir todo o potencial da nova tecnologia e alcançar a máxima estabilidade, é importante selecionar cuidadosamente os componentes individuais, incluindo a câmera. Os acessórios USB3, como cabos, placas e outros componentes, estão amplamente disponíveis no mercado de eletrónica de consumo, sendo também acessíveis em termos de preço. Como estes componentes são mais baratos, alguns utilizadores serão tentados a utilizá-los nas suas aplicações de machine vision. Estes acessórios normalmente não são certificados de acordo com o USB3 Vision Standard e, provavelmente, não conseguirão operar segundo os requisitos rigorosos de uma aplicação industrial. Muitas vezes, isto resulta em perda de imagens ou, pior ainda, numa falha total do sistema. Frequentemente, a culpa é atribuída a uma câmera defeituosa, mesmo quando o problema foi causado por acessórios mal escolhidos. Todos os acessórios na nossa loja online são certificados USB3 Vision e, por isso, aconselhamos a sua utilização.

Acessórios USB3 câmera certificados e testados

A interação entre os componentes individuais é extremamente importante na configuração de um sistema de processamento de imagem baseado em câmera USB 3.0 e deve ser tida em consideração. Por este motivo, por exemplo, a Daheng Imaging testou todos os componentes acessórios juntamente com os seus modelos de câmera e só os comercializa após estes passarem nos testes. Quaisquer limitações que surjam durante a interação entre acessórios e câmera serão documentadas e estes componentes não serão vendidos com esta câmera, ou apenas quando as limitações estiverem claramente definidas. A principal vantagem disto é que os utilizadores podem assumir estabilidade e fiabilidade ao utilizar acessórios padronizados nos seus sistemas.

Os principais componentes

Como mencionado anteriormente na secção anterior, as interações entre os componentes individuais num sistema de processamento de imagem USB 3.0 são muito críticas e os componentes devem ser escolhidos com cautela. Os componentes que requerem atenção especial são descritos abaixo.

Cabos USB3 Vision

Ao contrário de normas como GigE Vision ou CameraLink, o USB3 Vision descreve as ligações de cabos e os principais requisitos para cabos compatíveis. O comprimento máximo do cabo é determinado pela relação entre as características de alta frequência e a relação entre o comprimento máximo possível do cabo e a espessura do fio de cobre antes de ocorrer a queda de tensão do USB 3.0.
Os cabos devem cumprir diferentes condições técnicas consoante o propósito ou aplicações para que são utilizados. Um conector USB 3.0 Micro B com fixação por parafuso é utilizado do lado da câmera, enquanto um USB 3.0 Standard A será utilizado do lado do PC ou hub. Considerando que o conector USB 3.0 Standard A e a ficha USB 2.0 são muito semelhantes, símbolos específicos ou uma etiqueta azul na ficha ou conector são usados para indicar a presença de funcionalidade USB 3.0.

Comprimento do cabo USB3 Vision

Relativamente ao comprimento do cabo, é importante que o cabo tenha sido totalmente testado quanto à compatibilidade com USB3 Vision. Os cabos passivos têm um comprimento máximo de 4,5 metros, enquanto os cabos ativos e híbridos têm um comprimento máximo de 20 metros, mas estes dois últimos são significativamente mais caros e não são suportados pela VA Imaging. Aplicações que necessitem de um cabo tão longo devem considerar as câmeras GigE. Existe a possibilidade de estas serem mais acessíveis nesse contexto específico. A Daheng Imaging certifica e testa os seus cabos e dispõe de uma vasta gama de cabos que podem ser encontrados na secção de acessórios.

Adaptador Host

A quantidade de bandwidth USB3.0 acessível é determinada pelo tipo de chipset da motherboard e chipset USB 3.0 que será utilizado. A opção de ligar as suas câmeras às motherboards através da ligação USB 3.0 está sempre disponível. Quando não existem ligações USB 3.0 integradas disponíveis, podem ser instaladas placas PCI Express. Para tirar o máximo partido do bandwidth, a VA Imaging recomenda a utilização de adaptadores USB3 PCI Express que podem ser encontrados na secção de acessórios no nosso website.
Motherboard e Chipset
As motherboards com chipsets das séries originais Intel 7, Intel 8 ou Intel 9 têm suporte integrado para USB 3.0 devido ao USB 3.0 host controller. São recomendados chipsets das séries acima para configurar um sistema USB 3.0 estável.

Hubs USB3

Os hubs são utilizados para ligar um host no computador a várias câmeras USB 3.0. Isto também é chamado de rede em estrela. Nesta configuração, o hub só pode funcionar com a bandwidth de uma porta upstream USB 3.0, devendo ser considerado que as portas downstream individuais do hub também só podem transferir essa bandwidth. Assim, por exemplo, se ligar quatro câmeras USB 3 a um hub USB3, cada câmera terá (400/4) 100 mb/s de bandwidth disponível.

Top 10 regras de design para implementar uma Câmera USB3 Vision

Para garantir uma transição suave da interface USB3, devem ser considerados os seguintes pontos:
•    Utilize os host controllers oferecidos pela VA Imaging. As listas de produtos incluem informações sobre bandwidth, bem como limitações de hubs e cabos.
•    Utilize apenas acessórios USB 3.0 certificados. Acessórios de baixa qualidade podem causar problemas na sua transmissão e até mesmo em todo o sistema de visão.
•    Utilize sempre os drivers mais recentes para os seus host controllers, desde que tenham sido testados pelo fabricante da câmera.
•    Evite a utilização de hubs quando tal não for absolutamente necessário.
•    Evite a utilização de cabos USB3 Vision ativos
•    Reduza o comprimento do cabo tanto quanto possível (distância máxima de cabo de 4,5 metros)
•    Evite torcer ou dobrar o cabo desnecessariamente, pois isso pode reduzir a eficiência da transmissão. Se for necessário torcer ou reposicionar um cabo, certifique-se de utilizar um cabo adequado para utilização em correntes de arrasto ou robótica.
•    A bandwidth de todas as câmeras conectadas em conjunto também deve ser considerada. A bandwidth de todas as câmeras juntas não pode ultrapassar a bandwidth máxima possível do host controller. Se a bandwidth for excedida, utilize controladores adicionais.
•    Tenha atenção a problemas de compatibilidade eletromagnética (EMC) na sua configuração ou instalação do sistema que possam causar perturbações.
•    Controle ou monitorize a carga do CPU no seu computador.

Regras de design USB3 a ter em conta

Devem ser tidas em conta as seguintes regras de design ao instalar um sistema de câmeras USB3.

Carga do CPU excessivamente elevada no computador

A utilização de um grande número de câmeras USB 3.0 com um único sistema traz o risco adicional de sobrecarregar o computador e o seu CPU. Isto pode perturbar o sistema de visão. Por conseguinte, a carga do CPU deve ser sempre monitorizada.

Consumo de bandwidth de câmeras de alta velocidade e alta resolução

Se estiver a utilizar uma câmera USB 3.0 com um frame rate e/ou resolução muito elevados e, por isso, consumir a largura de banda máxima do USB 3.0, deve ser tido em consideração que a motherboard, o controlador host e/ou o hub suportam a largura de banda máxima do USB3.

Interrupções relacionadas com EMC

A EMC pode causar perturbações em qualquer configuração eletrónica, incluindo USB3. Normalmente, isto é causado por sinais disruptivos na proximidade do sistema de câmeras, aterrando incorretamente a câmera, e sinais de terminação podem causar problemas relacionados com EMC.

Problemas com cabos USB3

Cabos USB 3.0 de baixa qualidade podem potencialmente causar mensagens de erro, como imagens incompletas e perdidas, ou até mesmo a perda total da ligação entre o host e a câmera. Isto pode levar o utilizador a pensar que o sistema USB 3 não é estável e/ou fiável. Estes riscos aumentam à medida que o comprimento do cabo aumenta. Por este motivo, é de extrema importância escolher o cabo o mais curto possível.

Configuração de um sistema multi-câmera USB3 vision camera

Existem dois métodos para configurar um sistema USB 3.0 multi-câmera: uma rede ponto-a-ponto e uma rede em estrela.

Rede em estrela

Ao utilizar uma rede em estrela, as câmeras são ligadas a um hub. O hub é ligado ao controlador host do PC. Deve ser tido em conta que a largura de banda máxima do controlador host não deve ser excedida.
Isto deve-se ao facto de que câmeras individuais de diferentes portas consomem toda a bandwidth do host ligado ao hub. Toda a bandwidth nesta aplicação também depende da velocidade e/ou resolução de cada câmera separada. Não é aconselhável utilizar cabos passivos com comprimento superior a 4,5 metros neste contexto, caso contrário, todo o sistema ficará suscetível a interrupções.

Rede ponto-a-ponto

Com uma rede ponto-a-ponto, cada câmera é ligada diretamente a um controlador host. Deve ser tido em consideração que o controlador host e a motherboard ou PC não devem exceder a sua largura de banda, pois cada câmera separada necessita de uma certa capacidade de bandwidth. Isto é determinado pela velocidade e/ou resolução da câmera. Não é recomendado utilizar um cabo passivo com comprimento superior a 4,5 metros neste contexto, pois todo o sistema ficará sujeito a interrupções.

O futuro das USB3.0 Vision cameras

Esperamos que o USB 3 consolide a sua posição no mercado ao conquistar uma maior quota de mercado nos próximos anos e, juntamente com o GigE, se torne a interface dominante. Isto replica o standard USB 3.0 Vision como uma interface flexível e padronizada. As grandes vantagens deste standard são a sua simplicidade de utilização e configuração, bem como a sua ampla disponibilidade. Quando todas as variáveis e requisitos técnicos são tidos em consideração, construir um sistema estável de USB3 vision camera deve ser fácil e acessível.