Industrielle Automation 3/2015

Khader Ghattas Nie

Khader Ghattas Nie wieder Kabelsalat Wie USB3-Vision-Kameras komplexe Bildverarbeitungssysteme vereinfachen und dabei auch den Kabelbedarf reduzieren Kompakte und kabellose Geräte sind im Zeitalter von Mobilfunkgeräten, Bluetooth- und WiFi-Übertragungstechnik gefragter denn je. Um komplexe Multikamera-Vision-Systeme mit möglichst wenig Kabeln und somit unkompliziert und kostengünstig zu realisieren, kommt eine USB3 Vision-Kamera-Lösung zum Einsatz. Multikamera-Vision-Systeme sind heute fester Bestandteil unzähliger Anwendungen wie 3-D-Messverfahren, Bewegungsanalysen und Crashtests. Eine wichtige Aufgabe solcher Vision-Systeme ist es, die Szene im Augenblick des Geschehens von allen im System beteiligten Kameras gleichzeitig festzuhalten. Hierfür müssen die Kameras miteinander synchronisiert werden. So wird für jede Kamera ein zusätzliches Kabel nötig, über das bei analogen Kameras ein Sync-Signal und bei digitalen ein Hardware-Trigger-Signal eingespeist wird. Je mehr Kameras im System benötigt werden, desto komplexer und teurer gestaltet sich meist der Systemaufbau. USB3-Vision-Kameras bieten diverse Möglichkeiten zur Einsparung systemrelevanter Kabel. Zeitgleiche Aufnahmen mithilfe eines Zeitstempels Die USB3.0-Schnittstelle bietet u. a. eine hohe Übertragungsbandbreite (bis 400 MB/s), reduzierte Prozessorauslastung, relativ niedrigen Energieverbrauch, einen kleinen und schraubgesicherten Stecker sowie ein günstiges Standardkabel, das für die Datenübertragung, Gerätesteuerung und Spannungsversorgung verwendet werden kann. Bei der Kommunikation zwischen USB- Gerät und Host werden ähnlich wie bei USB2.0 die Datenströme, Statusinformationen und Steuerungsbefehle über Datenpakete übermittelt. Die USB3.0-Schnittstelle stellt neben dem „Transaction Packet“ (TP) und „Data Packet“ (DP) noch zwei weitere Datenpakete bereit: das „Link Management Packet“ (LMP) und das „Isochronous Timestamp Packet“ (ITP). Bei dem ITP sendet der Host periodisch, etwa alle 200 ns, isochron einen Zeitstempel („Timestamp“) an alle aktiven USB- Geräte, die mit demselben Host-Controller verbunden sind. Dieser Zeitstempel wird von den USB3-Vision-Kameras als Taktgeber für die Synchronisation genutzt, was zeitgleiche Aufnahmen möglich macht. Der durchschnittliche Zeitversatz zwischen den Aufnahmen beträgt circa 200 bis 300 ns. Werden die Kameras über einen Hub angeschlossen, erhöht sich der Zeitversatz zwischen den Aufnahmen um weitere 200 ns: n Beispiel 1: 4 × Kameras → USB3.0 Hub1 → PC1 4 × Kameras → USB3.0 Hub2 → PC1 → Max. Zeitversatz zwischen den Aufnahmen sind 400 bis 600 ns. n Beispiel 2: 1 × Kameras → PC1 2 × Kameras → USB3.0 Hub1 → Hub3 → PC1 3 × Kameras → USB3.0 Hub2 → Hub3 → PC1 → Max. Zeitversatz zwischen den Aufnahmen sind 600 bis 900 ns So bieten mit ITP ausgestattete USB3-Vision-Kameras eine weitere Option, bei der Kamerasynchronisation Kabel einzusparen: Bilddaten, Kamerasteuerung, Spannungsversorgung und jetzt auch Synchronisation erfolgen über ein einziges Kabel. Durch die reduzierte Kabelmenge minimieren sich für den Anwender die Kosten und Aufwände für Beschaffung und Verlegung sowie für Wartung und Fehlerdetektion, verbunden mit einer minimierten Fehleranfälligkeit und einer signifikanten Platzersparnis des Gesamtsystems. Für viele Anwendungen sind auf dem Markt bereits kostengünstige Kabel mit Längen von bis zu acht Metern verfügbar, die mit passiven Elementen gute Übertragungsqualitäten bieten. Für besonders weite Übertragungsstrecken sind Kabel mit aktiven Elementen erhältlich. Echtzeitverarbeitung durch USB3-Hardware-IP-Core Die ITP-Technologie hat Toshiba Teli bei ihren neuen USB3-Vision-Kameraserien in eine sogenannte „Bus-Synchronisations“- Funktion implementiert und zum Patent angemeldet. Um diese und weitere Vorteile der USB3-Technologie optimal nutzen zu können und eine Echtzeitverarbeitung zu ermöglichen, wurde ein eigenes USB3- Hardware-IP-Core entwickelt, das laut internen Tests bis 100-fach schneller ist als andere USB3-Vision-Lösungen mit All-in- One-USB-Chip – schneller beispielsweise im Hinblick auf das Lesen und Schreiben von Kameraregistern oder Ausführen von Software-Triggern. Bei einem mittels „Bus-Synchronisation“ realisierten Multikamera-System müssen alle Kameras mit demselben Host-Controller verbunden sein. Deshalb sollte bei der Konzeption stets die maximale Übertragungsrate des USB3-Vision-Standard von ca. 400 MB/s sowie Anzahl, Auflösungen und Frameraten der beteiligten Kameras berücksichtigt werden. So produziert z. B. eine 4 MP-Kamera mit 90 fps Framerate und 8-bit Pixelauflösung rund 360 MB in der Sekunde. Will man eine zweite Kamera verwenden, muss die Framerate dann halbiert werden, in diesem Fall auf 45 fps. Unterscheiden sich die angeschlossenen Kameras hinsichtlich Pixelauflösung und Frameraten, sollte bedacht werden, dass sich die Framerate der Gesamtlösung stets auf die Bildfrequenz der langsamsten Kamera im System beschränkt. Sind die Kameras mit unterschiedlichen Belich- Khader Ghattas ist Produktmanager bei der MaxxVision GmbH in Stuttgart 84 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2015

tungszeiten eingestellt, gilt zu beachten, dass die Belichtung aller Kameras im gleichen Augenblick endet. Event Notification ermöglicht Kabelersparnis Ein weiteres Merkmal des Toshiba Teli IP Cores ist die „Event Notification“-Funktionalität, welche Nachrichten über Kamerastati und -events mit nur wenigen Mikrosekunden Verzögerung an den Host übermittelt. So lassen sich noch mehr Kabel einsparen. Soll für eine exakte Maschinensteuerung beispielsweise ein bestimmter Kamera zustand übermittelt werden, so werden in der Regel GPIO-Ausgänge der Kamera verwendet, was für jede Kamera zwei zusätzliche Kabel notwendig macht: das Trigger-In- und das GP-Out- Kabel. Mit der „Event Notification“ entfallen diese beiden Kabel. Die Anforderungen an Industriekameras hinsichtlich Sensorauflösung, Framerate, Skalierbarkeit und Komplexität könnten vielfältiger nicht sein. Deshalb werden sich auf Dauer nur jene Kamera- und Schnittstellentechnologien behaupten, die diesen Ansprüchen in besond erem Maße gerecht werden. Angesichts ihrer Bandbreite, Geschwindigkeit und Echtzeitfähigkeit dürfte die USB3.0-Schnittstelle schnell an Bedeutung gewinnen. Einige USB3-Vision-Kameras können sich von der Masse abheben, indem sie den Anwendern die Vorteile von USB3.0 besonders gut erschließen. www.maxxvision.com Isochronous Timestamp Packet Etwa alle 20 ns sendet der Host einen Zeitstempel an alle an den Host-Controller angeschlossenen USB-Geräte und ermöglicht so zeitgleiche Aufnahmen AV_ IndustrielleAutomation_4.5.2015_AV_Anzeige 05.05.15 00:16 Seite 1 Einer für Alle Um die Standardisierung und somit die Optimierung seiner Kontrollsysteme für die Pharmaindustrie voranzutreiben, suchte Laetus nach modularen Bausteinen. Zusammen mit Allied Vision entwickelten die Laetus-Ingenieure das optimale Kameramodul: standardisiert und vielseitig zugleich. Lesen Sie mehr: AlliedVision.com/einerfueralle