Interfacce per la machine vision

La scelta dell'interfaccia appropriata per le applicazioni di machine vision è un passaggio fondamentale del processo di selezione della telecamera. Nella sezione seguente è riportata una panoramica dei diversi tipi di cavi e connettori disponibili per le applicazioni di machine vision con i relativi pro e contro.

Le interfacce per la machine vision sono in genere di due tipi: dedicate e consumer.

Interfacce dedicate

Utili per applicazioni con risoluzioni o velocità particolarmente elevate che ne richiedono l'uso: ad esempio per le telecamere a scansione lineare usate per ispezionare processi a flusso continuo, come quelli per la produzione di carta o pellicole plastiche in cui le telecamere funzionano spesso nel range dei kHz. In ogni caso, questa interfacce tendono a essere sostanzialmente più costose e meno flessibili e a far aumentare la complessità dei sistemi. CameraLink (supporta fino a 6,8 Gbit/s di dati) e CoaXPress (supporta fino a 12 Gbit/s) sono interfacce per la machine vision dedicate utilizzate in genere per questo tipo di applicazioni. Oltre alle telecamere, i sistemi che utilizzano queste interfacce richiedono digitalizzatori video. Queste sono schede specializzate per la ricezione dei dati delle immagini e il relativo assemblaggio in immagini utilizzabili. Le interfacce per la machine vision dedicate inoltre utilizzano cavi proprietari, caratteristica che rende l'integrazione con altre periferiche un po' più complessa.

CoaXPress (CXP)

L'interfaccia CoaXpress è stata introdotta nel 2008 a supporto di applicazioni di imaging ad alta velocità. Le interfacce CXP utilizzano cavi coassiali a 75 ohm e supportano velocità di trasferimento dei dati massime di 6,25 Gbit/s per ciascun canale, con la possibilità di utilizzare più canali per supportare velocità di trasferimento dei dati ancora maggiori. Un cavo CXP è in grado di fornire un'alimentazione massima di 13 W per cavo e richiede che sia il dispositivo che l'host supportino l'interfaccia di programmazione delle telecamere GenICam. Mentre i cavi coassiali a linea singola sono poco costosi, le spese aumentano rapidamente quando si configurano gruppi di cavi a linee multiple e digitalizzatori video.

CameraLink

Lo standard CameraLink è stato introdotto nel 2000 da Automated Imaging Association (AIA) ed è stato aggiornato progressivamente per supportare velocità dati più elevate, con alcune versioni che richiedono due cavi per la trasmissione. Le tre configurazioni principali disponibili sono Base (2,04 Gbit/s), Medium (5,44 Gbit/s) e Deca/Extended (6,8 Gbit/s). Lo standard di base utilizza un connettore MDR (Mini D Ribbon) a 26 pin, mentre la capacità delle configurazioni medie/complete raddoppia grazie a un secondo cavo. Le versioni Deca/Extended superano i limiti imposti da CameraLink, raggiungendo un trasferimento dati massimo di 6,8 Gbit/s. Come le interfacce CXP, lo standard CameraLink richiede digitalizzatori video e deve essere compatibile con lo standard Power over Camera Link (PoCL) per fornire alimentazione. CameraLink non dispone di funzionalità di correzione degli errori e di reinvio dei dati e richiede quindi costose e faticose installazioni di cavi per cercare di eliminare immagini a bassa qualità ottimizzando l'integrità del segnale.

Interfacce consumer

Queste interfacce consentono alle telecamere per machine vision di connettersi ai sistemi di hosting mediante gli standard USB ed Ethernet ampiamente disponibili. Per la maggior parte delle applicazioni per machine vision, le interfacce consumer USB 3.1 Gen 1 e Gigabit Ethernet offrono una combinazione vincente di comodità, velocità, semplicità e accessibilità. Inoltre, le interfacce consumer supportano hardware e periferiche facilmente reperibili per l'implementazione della machine vision. Hub, switch, cavi e schede di interfaccia USB ed Ethernet sono reperibili ovunque, da Amazon ai negozi locali di computer ed elettronica, con fasce di prezzo variabili in modo da soddisfare esigenze diverse. Gran parte dei PC, computer portatili e sistemi integrati include almeno una porta Gigabit Ethernet e USB 3.1 Gen 1.

La differenza più evidente tra queste categorie di interfacce è la loro rispettiva larghezza di banda. Interfacce più veloci consentono l'uso di framerate più elevati (Fig. 1) per una specifica risoluzione. Un'interfaccia più rapida consente di catturare più immagini al secondo, o di catturare immagini a risoluzione più elevata, senza sacrificare la capacità di trasmissione.  

Ad esempio, se un sistema di ispezione dei wafer di semiconduttori viene aggiornato da wafer di 8" a 12", sarà necessario utilizzare telecamere a risoluzione più elevata. In questo caso, il progettista del sistema dovrà scegliere se mantenere l'interfaccia esistente e prediligere una risoluzione più elevata a discapito della capacità di trasmissione oppure utilizzare un'interfaccia più veloce mantenendo o migliorando la capacità di trasmissione.

Fig. 1. Larghezza di banda disponibile per ogni interfaccia, risoluzione dei sensori e conseguente frame rate.

Per garantire la performance richiesta senza spendere più del necessario, è necessario prendere attentamente in considerazione i requisiti di risoluzione, frame rate, lunghezza dei cavi e sistema di hosting. Le telecamere per machine vision FLIR supportano tutte le tre interfacce più affidabili e ampiamente disponibili.

Universal Serial Bus (USB)

L'USB è ovunque. Basta guardarsi intorno e contare il numero di dispositivi e accessori USB. Sono ovunque. La maggior parte delle telecamere per machine vision USB utilizza l'interfaccia USB 3.1 Gen 1. Questa interfaccia garantisce un massimo di 4 Gbit/s di larghezza di banda per i dati delle immagini tra la telecamera e il sistema di hosting. Lo standard USB3 Vision garantisce la compatibilità di un'ampia gamma di telecamere e software, creando un set comune di protocolli per il rilevamento dei dispositivi, il trasferimento delle immagini e il controllo delle telecamere.

Fig. 2. Cavo USB 3.1 Gen1 (da USB a blocco USB)

La tecnologia USB supporta Direct Memory Access (DMA). Grazie alla funzione DMA, i dati possono essere trasferiti dall'USB direttamente alla memoria, dove diventano disponibili per l'utilizzo da parte del software. La funzione DMA, insieme al supporto diffuso della tecnologia USB e alla disponibilità dei driver per i controller USB su quasi tutte le piattaforme hardware, rende l'USB ideale per l'impiego nei sistemi integrati. La lunghezza massima di 5 m dei cavi USB 3.1 Gen 1 non è di solito un problema per i sistemi integrati. Gli accessori USB 3.1 Gen 1 semplificano la progettazione del sistema, offrendo fino a 4,5 W di alimentazione alla telecamera. La specifica USB Power Delivery, sviluppata di recente, consente ad alcuni host di fornire un'alimentazione maggiore a dispositivi quali i telefoni cellulari a ricarica rapida. Questa specifica è indipendente dallo standard base USB 3.1 Gen 1 e non è stata adottata dai produttori di telecamere per machine vision.

Fig. 3. Diversi modelli di connettori USB

I cavi USB ad alta flessibilità permettono di massimizzare la durata dei cavi in sistemi la cui telecamera richiede movimenti continui. È possibile utilizzare cavi ottici attivi (AOC) per estendere la distanza minima operativa e offrire maggiore resistenza alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Le prestazioni dei cavi ottici attivi dipendono dai requisiti di produttività e dalla configurazione del sistema di hosting. FLIR consiglia di alimentare le telecamere esternamente mediante GPIO quando si utilizzano cavi ottici, anche nei casi in cui l'alimentazione è fornita direttamente dal cavo. Inoltre, i cavi di blocco USB garantiscono una connessione sicura tra cavi, telecamere e sistemi di hosting. Prima dell'acquisto di cavi di blocco, FLIR consiglia di controllare la compatibilità della posizione delle viti di bloccaggio e dello spazio disponibile, in quanto le opzioni disponibili sono molte e diverse.

L'USB 3.1 Gen 1 è disponibile nelle versioni FLIR Blackfly S - con custodia e livello scheda, oltre che nella versione mini Firefly S.

Gigabit Ethernet (GigE)

La tecnologia GigE offre fino a 1 Gbit/s di larghezza di banda per i dati delle immagini. La combinazione di semplicità, rapidità, lunghezza massima del cavo di 100 m e possibilità di alimentazione mediante un singolo cavo la rendono un'interfaccia estremamente diffusa. Sono disponibili cavi Ethernet con rivestimenti robusti. Questa opzione è ideale per gli ambienti con un'alta interferenza elettromagnetica causata dalla prossimità ai motori presenti in alcuni robot e attrezzature metrologiche. Le telecamere GigE FLIR supportano inoltre una funzione di reinvio che rende le trasmissioni più affidabili.

Al contrario dell'USB, GigE non supporta la funzione DMA. I pacchetti di dati sono trasmessi all'host, dove devono essere riassemblati in frame di immagine, prima di essere copiati in una memoria accessibile dal software. Questo processo è ormai banale per i PC moderni, ma potrebbe causare una latenza in sistemi integrati a bassa alimentazione o con risorse di sistema limitate.

Fig. 4. Cavo Gigabit Ethernet/GigE (da RJ45 a RJ45)

L'utilizzo ormai diffuso del Gigabit Ethernet significa che la disponibilità di prodotti di supporto, quali cavi e switch, è diversificata ed elevata e permette di soddisfare le esigenze di qualsiasi progetto. Le telecamere GigE supportano il protocollo di sincronizzazione temporale IEEE1588 PTP, permettendo così a telecamere e altri dispositivi Ethernet, quali attuatori e PLC (Programmable Logic Controller), di operare all'interno di una base temporale comune sincronizzata con precisione.

L'utilizzo diffuso dello standard Ethernet in molti settori ha favorito la disponibilità di diversi modelli di cavi e connettori specializzati per un'ampia gamma di casi. Ad esempio, esistono cavi Ethernet progettati per garantire una protezione da interferenze elettromagnetiche (EMI), da temperature elevate e la resistenza ad agenti chimici, mentre altri sono pensati per soddisfare requisiti di alta flessibilità, ecc.

I cavi Ethernet sono contraddistinti da un numero di categoria, che dipende dalla loro realizzazione. Il più comune per GigE è CAT5e, mentre CAT6A, CAT7 e CAT8 sono utilizzati in caso di esigenze di maggiore resistenza EMI, a fronte di costi più alti e diametro maggiore del cavo. Alcuni dispositivi industriali utilizzano un connettore M12, X-Coded (Fig. 3, destra) per garantire una maggiore schermatura. Il più comune RJ-45 è tuttavia un connettore sufficientemente buono e più conveniente, in quanto meno costoso. Inoltre, la possibilità di serrare i connettori RJ45 con viti di bloccaggio contribuisce alla sicurezza dei cavi RJ45.

Fig. 5. L'onnipresente connettore RJ45 (sinistra) e il meno diffuso connettore M12 X-Coded (destra)

NB: il connettore RJ45 si connette e disconnette rapidamente. Il connettore M12 X-Coded (destra) si connette più lentamente, ma è più robusto ed è disponibile in versioni con classificazione IP.

La tecnologia GigE è disponibile per le telecamere FLIR Blackfly S - con custodia e FLIR Blackfly S - livello scheda.

10 Gigabit Ethernet (10GigE)

La tecnologia 10GigE fa leva sui punti di forza del GigE aumentandone la larghezza di banda fino a 10 Gbit/s. 10GigE è un'interfaccia ideale per la scansione 3D ad alta risoluzione, la cattura volumetrica e la metrologia di precisione. Gli standard GigE e 10GigE possono essere combinati in vari modi. È possibile collegare più telecamere GigE a un unico switch 10GigE, in modo da supportare più telecamere GigE alla massima velocità attraverso una singola porta 10GigE in un sistema di hosting. Mentre i cavi CAT5e funzionano con telecamere 10GigE su distanze minori di 30 m, è consigliabile l'utilizzo di cavi di tipo CAT6A o superiore.

Una trasmissione dei dati a 10 Gbit/sec è estremamente elevata. I PC moderni con processori ad alta velocità, PCIe 3.0 e memoria dual channel non hanno difficoltà a supportare queste velocità, mentre sistemi con prestazioni più elevate possono supportare più di una singola telecamera 10GigE. I sistemi integrati con risorse di sistema ridotte, invece, non dispongono della larghezza di banda della memoria e di un processore abbastanza rapido per tenere il passo con i dati in entrata.

La tecnologia 10GgiE è disponibile nelle telecamere FLIR Oryx.

Sommario

Le interfacce consumer e dedicate sono entrambe utilizzate in molte applicazioni per machine vision. I pro e i contro sopra esposti aiutano a determinare l'utilità di una piuttosto che dell'altra, a seconda dei casi specifici di utilizzo. In ogni caso la combinazione di prestazioni, facilità di utilizzo, disponibilità e costi contenuti rendono le interfacce consumer una scelta adatta per la gran parte delle applicazioni di machine vision.