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機(jī)器視覺(jué)工業(yè)相機(jī)的通信接口（360度深度解析）

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由多種部件構(gòu)成，包括相機(jī)、圖像采集卡和視覺(jué)庫(kù)函數(shù)，通常由不同廠商生產(chǎn)。接口標(biāo)準(zhǔn)可以確保兼容部件間無(wú)縫交互操作。早期模擬標(biāo)準(zhǔn)均配備簡(jiǎn)易的視頻傳輸連接。相機(jī)控制和觸發(fā)通過(guò)獨(dú)立的供應(yīng)商各自的連接來(lái)完成。數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)借由一根電纜即可實(shí)現(xiàn)相機(jī)控制和圖像傳輸。同時(shí)，數(shù)字圖像傳輸也具有更高的靈活性，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低總體成本。

1.IEEE 1394 接口

IEEE 1394，也稱為 FireWire，該接口基于蘋(píng)果公司在 1987 年開(kāi)發(fā)的技術(shù)。IEEE1394 有兩種類(lèi)型:IEEE 1394a 和 IEEE 1394b。就機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)而言，HDC 指 FireWire數(shù)據(jù)格式協(xié)議，確定了相機(jī)內(nèi)部的控制寄存器布局。當(dāng)前版本的 IEEE 1394-IIDC(1.32)可適用于多相機(jī)，每條總線最多可連通 63 臺(tái)設(shè)備，如圖 2-16 所示 IEEE 1394接口的特點(diǎn)如下:

(1)速度IEEE 1394a:400Mbit/s，使用 6 針連接件。

IEEE1394b:IEEE 1394-2008 標(biāo)準(zhǔn)中，最高定義至 3.2GbiV/s，但現(xiàn)在 800Mbit/s已很常見(jiàn)，有時(shí)也可達(dá)到 1.6Gbit/s，帶9 針連接件。

(2)接收裝置 計(jì)算機(jī)(直接接收)。

(3)電纜 IEEE 1394 采用屏蔽雙絞線(STP)，而 IEEE 1394b 可使用光纖電纜(HPCF，COF，POF)或非屏蔽雙絞線。

(4)連接件 IEEE 1394a 為門(mén)鎖式;IEEE 1349b 為螺栓式

2.USB 2.0 接口

USB 2.0 接口是最常用的商業(yè)接口之一，幾乎所有的計(jì)算機(jī)均使用此種接口。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中的很多相機(jī)中仍然配置有 USB 2.0 接口，作為基礎(chǔ)傳輸層。但此類(lèi)相機(jī)的使用率正逐步下降，因?yàn)槠錄](méi)有采用任何機(jī)器視覺(jué)特定協(xié)議，且供應(yīng)商間的互操作性也是個(gè)未決的難題。

3.CameraLink 接口

CameraLink 標(biāo)準(zhǔn)于 2000 年第一次發(fā)布，這是一種強(qiáng)大、完善的通信鏈路，將相機(jī)和圖像采集卡之間的連接標(biāo)準(zhǔn)化，并定義了一種完整的接口，包括提供數(shù)據(jù)傳輸、相機(jī)定時(shí)、串口通信和實(shí)時(shí)向相機(jī)發(fā)送信號(hào)。CameraLink 是一種非封包式協(xié)議，為最簡(jiǎn)單的相機(jī)圖像采集卡互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。目前在第2.0版中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括 Mini CameraLink 連接件、Power over CameraLink(PoCL)、PoCL-Lite(支持 base 配置的最小化 PoCL接口)和電纜性能規(guī)范，CameraLink 接口的特點(diǎn)(Mim Camera l.ink)連接件如下:

(1)速度CameraLink 接口用于實(shí)時(shí)、高速通信，單電纜的帶寬為 255Mbytes/8，兩條電纜可高達(dá) 850Mbytes/s，高帶寬能確保圖像快速傳輸，無(wú)延遲。

(2)接收裝置圖像采集卡。

(3)電纜CameraLink 接口定義了自身專用的電纜。相機(jī)和圖像采集卡可通過(guò)同一根電纜輕松交換數(shù)據(jù)。最大電纜長(zhǎng)度根據(jù)相機(jī)時(shí)鐘頻率而定，范圍在 7~15m 之間。 Mini CameraLink 接口的特點(diǎn)就是占地面積小，可以在空間有限時(shí)使用

(4)連接件MDR 26 針連接件，SDR、HDR 26 針連接件(Mini CameraLink)， HDR 14 針連接件(PoCL-Lite)。

(5)相機(jī)電源 采用 PoCL后，PoCL 相機(jī)可借助 CameraLink 電纜由 PoCL 圖像采集卡供電。

(6)其他特點(diǎn)CameraLink 接口可選擇 GenlCam 支持，實(shí)現(xiàn)即插即用。每臺(tái)相機(jī)最多可使用兩條電纜。

4.CameraLink HS 接口

CameraLink HS 接口標(biāo)準(zhǔn)于 2012 年 5 月發(fā)布，通過(guò)使用已有電纜延伸長(zhǎng)度同時(shí)提高帶寬，以改善 Camera Link 接口性能。CameraLink HS 接口功能包括:單比特錯(cuò)誤免除協(xié)議:16 個(gè)雙向通用型輸入輸出(GPI/O;系統(tǒng)級(jí)功能，例如同步多個(gè)并行處理圖像采集卡:從主機(jī)逐幀控制相機(jī)操作模型。在CameraLink HS 標(biāo)準(zhǔn)下，M 協(xié)議支持每通道3.125Gbivs;x協(xié)議支持每通道 10.3Gbit/s。可使用未加密的 VHSIC 硬件描述語(yǔ)言(VHDL)IP 核，將 CameraLink HS 集成到自主設(shè)備制造商(OEM)(infinBand或CX4)或自定義安裝使用時(shí)，可減少互連問(wèn)題和開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。盡管CameraLink HS 是一種基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議，借助 IP 核，它能夠?qū)崿F(xiàn) 6.4ns 的觸發(fā)抖動(dòng)，和 150ns 的典型延遲;GPI/O 延遲和抖動(dòng)在 300ns內(nèi)。

5.CoaXPress 接口

CoaXPress(CXP)接口標(biāo)準(zhǔn)于 2010 年 12 月發(fā)布。CoaXPress 為相機(jī)和圖像采集卡之間提供高速接口，支持長(zhǎng)電纜。CoaxPress 接口最簡(jiǎn)單的形式，是采用單根同軸電纜，以高達(dá)6.25Cbis的速度將數(shù)據(jù)從相機(jī)傳輸至圖像采集卡，同時(shí)以20.8Mbit/;的速度將控制數(shù)據(jù)和觸發(fā)從圖像采集卡傳輸至相機(jī)，并向相機(jī)供應(yīng)最高達(dá) 13W 的電源。當(dāng)要求高速度時(shí)，可使用鏈路聚合，采用一條以上的同軸電纜共享數(shù)據(jù)。CoaXPress 接口的特點(diǎn)如下:

(1)速度CoaxPress 接口支持實(shí)時(shí)觸發(fā)，包括觸發(fā)特高速線掃描相機(jī)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的20.8Mbi。上行鏈路連接至相機(jī)，觸發(fā)延時(shí)為3.4ps，若改選高速上行鏈路時(shí)，觸發(fā)延時(shí)一般為 1S0ns。日前 CoaXPress 接口已可支持最快的相機(jī)，帶寬余量大，在一個(gè)連接件中的 6 條鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)最高達(dá) 3.6Cbit/s 的速度。

(2)接收裝置圖像采集卡

(3)電纜 鏈路速度為1.25Gbit/s(CXP-1)時(shí)

CoaXPress 接口支持 100m 以上的電纜長(zhǎng)度;鏈路速度為3.125Gbi/s(CXP-3)時(shí)，最大長(zhǎng)度為 85m;甚至達(dá)到最高速度 6.25Gbit/s(CXP-6)時(shí)，也可使用直徑為 6mm 的 35m 長(zhǎng)電纜。若采用直徑更大的電纜，則BNC連接件

可能支持更大的長(zhǎng)度。

6.GigE Vision 接口連接件

GigE Vision 接口標(biāo)準(zhǔn)是廣泛應(yīng)用的相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)，基于以太網(wǎng)(IEEE 802.3)通信標(biāo)準(zhǔn)制定。該標(biāo)準(zhǔn)于2006 年 5 月發(fā)布，并且分別于 2010 年 (第 1.2 版)和 2011 年 (第 2.0 版)修訂 GigE Vision 接口支持多流通道，通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離快速，無(wú)誤的圖像傳輸。不同供應(yīng)商的硬件和軟件在以太網(wǎng)連接中可用不同的數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)無(wú)縫交互操作。

(1)速度目前，已有1Gbi/s和2Gbis(使用2條電纜)系統(tǒng)，以及即將面世的多種 10Ghit/s 和無(wú)線系統(tǒng)。

(2)接收裝置計(jì)算機(jī)(直接)，目前幾乎所有的計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)均內(nèi)置有 GigE Vision 接口，多數(shù)情況下均無(wú)須額外加接口卡(圖像采集卡)。

(3)電纜取決于電纜和相機(jī)數(shù)目，GigE Vision 接口允許接單個(gè)相機(jī)，使用最大長(zhǎng)度為 100m(銅線)和 5000m(光纖)的電纜。

7、USB3.0

USB3.0 VISION 標(biāo)準(zhǔn)于 201 年末啟動(dòng)，其第 1.0 版于 2013 年 1 月實(shí)施。雖然是新標(biāo)準(zhǔn)，但機(jī)器視覺(jué)行業(yè)對(duì) USB 技術(shù)并不陌生。

(1)速度該標(biāo)準(zhǔn)是基于 USB3.0 內(nèi)在特性開(kāi)(標(biāo)準(zhǔn)A鎖定

發(fā)的，保證了速度為 400MB/:以上時(shí)端對(duì)端數(shù)據(jù)的可靠性。近期剛通過(guò)審批的 USB3.1標(biāo)準(zhǔn)將該速度提高了兩倍以上。

(2)接收裝置 計(jì)算機(jī)(直接)。目前幾乎所有的計(jì)算機(jī)和嵌人式系統(tǒng)均內(nèi)置有 USB 接口，多種情況下均無(wú)須額外加接口卡(圖像采集卡)。

(3)電纜 標(biāo)準(zhǔn)無(wú)源電纜使用長(zhǎng)度 3~5m，有源銅線電纜最大使用長(zhǎng)度 8m，多模光纖最大使用長(zhǎng)度 100m。