Confronto tra interfacce di nuova generazione

Confronto delle interfacce di nuova generazione al di là delle specifiche

Questo articolo fornisce una panoramica e un confronto della nuova generazione di standard Ethernet, USB, Camera Link e CoaXpress, e presenta Thunderbolt3 come interfaccia per la visualizzazione. Queste interfacce per telecamera hanno contribuito a modellare lo sviluppo del settore dei sistemi di visione e continueranno a farlo in futuro.

Ethernet 10 Gigabit

Ethernet esisteva già dieci anni prima di venire adottato come standard IEEE 802.3 nel 1983. Da allora, l'affidabilità, la flessibilità e la velocità in continua crescita che lo caratterizzano hanno reso questa tecnologia diffusa davvero ovunque. A partire dal 2016, la metà delle telecamere con sistemi di visione vendute sono dotate di tecnologia Gigabit Ethernet (GigE).

L'incremento della velocità e la latenza inferiore di Ethernet 10 Gigabit (10GigE) incrementano i punti di forza di GigE. Con un'ampiezza di banda pari a 10Gbit/sec, una Oryx FLIR 10GigE è in grado di trasmettere video 12-bit 4K60 non compressi a una distanza di 60 metri con cavi a basso prezzo e pronta disponibilità. L'implementazione 10GBASE-T di Ethernet 10 Gigabit supportata da Oryx FLIR utilizza il noto connettore RJ45 e cavi di rame a doppino intrecciato.

Il settore IT ha iniziato a usare lo standard 10GigE per l'utilizzo nelle infrastrutture di rete. Con il supporto di aziende come Apple e Asus, sta velocemente diventando un'interfaccia per consumatori. L'utilizzo sempre più ampio di 10 GigE ha promosso la creazione di un ecosistema forte costituito da un'ampia gamma di prodotti low-cost ma con prestazioni elevate.

È stata presentata una versione revisionata dello standard Power Over Ethernet (PoE). IEEE 802.3bt abilita il PoE su collegamenti a 10 Gigabit, anche se tale soluzione non è ancora molto diffusa. Attualmente non sono disponibili telecamere con sistema di visione 10GigE e tecnologia PoE.

10GBASE-T supporta il Precision Time Protocol (PTP) IEEE 1588, che consente a telecamere come Oryx FLIR di sincronizzare automaticamente i propri clock interni e con qualsiasi altro hardware con abilitazione Ethernet, senza supervisione da parte dell'utente.

USB 3.2

La specifica USB 3.2, terminata di recente, è un'altra importante revisione di questa diffusa interfaccia. USB 3.2 utilizza entrambi i lati di un connettore di tipo C per supportare due collegamenti USB 3.1 in parallelo, consentendo una velocità di trasferimento fino a 20 Gbit/sec. Le distinzioni fra prima e seconda generazione introdotte con la transizione da USB 3.0 a USB 3.1 verranno mantenute in USB 3.2.

Le differenze fondamentali fra i collegamenti di prima e seconda generazione includono il tasso di segnalazione, l'efficienza della codifica e la lunghezza massima del cavo. La seconda generazione raddoppia il tasso di segnalazione da 5 Gbit/sec a 10 Gbit/sec e sostituisce la codifica 8/10b utilizzata dalla prima generazione con la più efficace codifica 128/132b. Tale riduzione del carico legato alla codifica significa che i collegamenti di seconda generazione supportano una velocità di trasferimento effettiva molto più prossima al tasso di segnalazione. I collegamenti di prima generazione forniscono una velocità effettiva di 4 Gbit/sec, mentre quelli di seconda generazione supportano fino a 9.7 Gbit/sec.

La lunghezza massima del cavo dei collegamenti di prima generazione è di cinque metri, mentre nella seconda generazione è di solo un metro. La lunghezza ridotta del cavo della seconda generazione di USB 3.2 ne limiterà probabilmente la diffusione finché non saranno disponibili cavi ottici attivi a prezzi convenienti.

La molteplicità di generazioni e specifiche dei prodotti USB può creare confusione nei clienti. Un'interfaccia USB 3.2 non è necessariamente più veloce della USB 3.1. Anche se venisse raddoppiata la meno efficiente codifica della prima generazione di USB 3.1, questa sarebbe ancora più lenta circa del 20% rispetto a una connessione USB 3.1 di seconda generazione. Le differenze nella lunghezza massima del cavo tra le generazioni significano che gli utenti sceglieranno un cavo di lunghezza appropriata per la generazione della propria interfaccia.

La tecnologia USB supporta Direct Memory Access (DMA), che consente lo streaming dei dati direttamente dalla telecamera alla memoria di sistema. Ciò è ideale per le applicazioni incorporate con memoria, ampiezza di banda e potenza della CPU limitate.

Fig. 1. Linea temporale degli standard USB e delle relative velocità

Thunderbolt3

L'interfaccia Thunderbolt non svolge ancora un ruolo significativo nel settore dei sistemi di visione, ma Thunderbolt3 potrebbe portare a un cambiamento. Infatti, questa interfaccia promette un'utile combinazione di velocità fino a 40Gbit/sec, facilità di utilizzo e connettori USB di tipo C. Inoltre, Thunderbolt3 supporterà le specifiche di alimentazione USB, consentendo la fornitura di fino a 100W. L'attuale limite di lunghezza del cavo di 50 cm può limitare l'utilizzo di questa interfaccia finché non saranno disponibili cavi ottici attivi affidabili e a prezzi convenienti.

Mentre la velocità di segnalazione massima in un cavo Thunderbolt3 è di 40Gbit/sec, la velocità effettiva sarà decisamente inferiore. La connessione PCIe 3.0 x4 tra host e dispositivi e relativi PHY fornisce un'ampiezza di banda fino a 32Gbit/sec. La banda rimanente viene usata per trasmettere segnali DisplayPort per monitor HD e UHD. L'interfaccia PCIe del PHY attiva il DMA sull'host.

Intel, che sviluppa ed effettua il mantenimento della tecnologia Thunderbolt, di recente ha annunciato che tutti i loro nuovi chipset supporteranno Thunderbolt3. Inoltre, hanno reso meno rigorosi i requisiti di licenza per incoraggiare i produttori di terze parti ad adottare l'interfaccia. L'impegno di Intel per promuovere l'adozione di Thunderbolt3 ha creato un ecosistema di consumo anomalo, dove gli host che utilizzano Thunderbolt3 sono ampiamente diffusi, mentre i dispositivi no. Attualmente non esistono telecamere con sistema di visione Thunderbolt3.

CameraLink HS

Lo standard CameraLink HS è stato stabilito nel 2012. Questo migliora l'interfaccia CameraLink originale grazie all'aumento della velocità e a una maggior flessibilità nei collegamenti. Lo standard CameraLink HS aggiunge il supporto per diversi tipi di collegamento, consentendo agli utenti di scambiare velocità con lunghezza del cavo. I complessi e costosi cavi associati alla generazione precedente sono stati eliminati. La correzione dell'errore CRC e il reinvio dei dati migliorano l'affidabilità della trasmissione. Gli errori di trasmissione single-bit vengono rilevati e corretti automaticamente. Per aggiungere ampiezza di banda nelle applicazioni ad alta velocità, si possono utilizzare fino a otto cavi in parallelo.

Fig. 2. Riepilogo delle opzioni di collegamento disponibili per CameraLink HS

Nonostante i miglioramenti, CameraLink HS non è un'interfaccia per il mercato consumer. Ad esempio, non supporta il DMA. Invece, la sua progettazione include il trasferimento di dati in un FPGA il più velocemente possibile. Prima di essere passati all'utente, i dati in entrata di CameraLink HS vengono inviti e assemblati da un digitalizzatore video, un requisito che incrementa i costi e la complessità dei sistemi di visione. Nei sistemi con topologia di data splitting con PC multipli si accumula molta complessità.

CoaXPress 2.0

La specifica CoaXpress 2.0, terminata all'inizio del 2017, offre miglioramenti delle prestazioni e della funzionalità per supportarne l'utilizzo mirato per applicazioni ad alta velocità. CoaXpress impiega una tecnologia che permette la trasmissione di video 4K60 su HD-SDI per aumentare la velocità su singolo canale da 6,25 Gbit/Sec a 12,5Gbit/sec. A questa velocità un cavo a 4 core può trasmettere 4 Gigabyte di dati al secondo dalla telecamera all'host. Il raddoppio della massima velocità in uplink facilita il raggiungimento di valori superiori a 500kHz. CoaXpress 2.0 supporta la trasmissione verso più destinazioni, consentendo alla telecamere l'invio di dati a più digitalizzatori video su più PC.

CoaXpress 2.0 mantiene la lunghezza massima del cavo di 40m di CoaXpress standard. Mentre i cavi coassiali a linea singola sono poco costosi, le spese aumentano rapidamente per gruppoi di cavi a linee multiple e digitalizzatori video.

Ispezione ottica automatica

La grande diversità delle applicazioni per l'Ispezione ottica automatica (Automated Optical Inspection - AOI) implica che non esiste un'unica interfaccia ideale.

I processi a feed continuo, come la stampa o la produzione di pellicole sottili, richiedono telecamere con frame rate molto elevati. L'ampiezza di banda elevata offerta dalle implementazioni a linee multiple di CoaXpress e CameraLink HS è ideale per tali applicazioni; queste telecamere sono più adatte allo scopo rispetto alle telecamere a scansione lineare. La funzionalità multi-host di CoaXpress consente l'elaborazione in parallelo tramite PC multipli.

Molti sistemi di ispezione vengono limitati da fattori diversi dalla telecamera e dalla velocità dell'interfaccia. Le applicazioni come l'ispezione di semiconduttori in un wafer-level packaging con fan-out vengono limitate da processi meccanici. Per tali applicazioni, il frame rate elevato reso possibile da CameraLink HS e CoaXpress non comporterà miglioramenti significativi nelle prestazioni del sistema, ma aumenterà in modo significativo i costi e la complessità. La velocità, la facilità di utilizzo e il basso costo nell'intero ciclo di vita di USB 3.2 e Ethernet 10 Gigabit le rendono interfacce ideali per le applicazioni di ispezione.

Alcuni sistemi AOI fanno parte di macchinari più grandi. Motori e altre attrezzature possono generare interferenze elettromagnetiche indesiderate (EMI). Le interfacce USB 3.2 e Thunderbolt3 non sono pensate per l'utilizzo in ambienti con alti livelli di EMI. Garantire l'affidabilità di queste interfacce in ambienti con possibili interferenze elettromagnetiche indesiderate richiede lo sviluppo di estensori ottici attivi affidabili e dai prezzi non eccessivi.

L'Industria 4.0 può essere solo uno slogan, ma il principio sottostante di sistema che opera con controlli basati su tempistiche costanti, anziché su eventi, rappresenta un cambiamento importante nella progettazione del sistema. 10GigE è l'unica interfaccia di nuova generazione che supporta il Precision Time Protocol (PTP) IEEE 1588, che consente la sincronizzazione delle telecamere con altri dispositivi con abilitazione Ethernet. Gli sviluppatori del sistema hanno adottato il PTP come specifica fondamentale per le implementazioni future dei principi di Industria 4.0.

Scansione 3D

Portatile

I sistemi portatili per la scansione 3D sono costituiti da dispositivi compatti dotati di batterie. Piccole dimensioni, massa ridotta e basso consumo energetico sono aspetti fondamentali per sviluppare un prodotto che possa avere successo. Le interfacce USB 3.2 e Thunderbolt3 sarebbero adatte per queste applicazioni, in cui le dimensioni del dispositivo sono inferiori a qualsiasi limite di lunghezza del cavo. Queste interfacce fornirebbero ampiezza di banda sufficiente per supportare la risoluzione richiesta per un'elevata densità della nuvola di punti e un frame rate sufficientemente elevato per una buona velocità di scansione.

Le interfacce USB 3.2 e Thunderbolt3 consentirebbero di risparmiare spazio, poiché non richiedono un digitalizzatore video separato. L'alimentazione tramite USB potrebbe essere utile per alimentare ulteriori dispositivi incorporati, come illuminatori IR o proiettori di luce strutturati. Un'ampia gamma di sistemi incorporati compatti e computer a scheda singola supporta l'interfaccia USB. Ci si aspetta che questo trend continui con la transizione a USB 3.2.

Grande formato

In genere i sistemi di grande formato per la scansione di auto, velivoli o interi edifici sono portatili; la loro robustezza e facilità di installazione sono aspetti fondamentali. Ethernet 10 Gigabit è una soluzione affidabile che fornisce l'ampiezza di banda necessaria per catturare nuvole di punti ad alta risoluzione. La notevole lunghezza massima del cavo supporta linee lunghe, consentendo scansioni altamente accurate. Mentre Camera Link HS e Coaxpress possono supportare le tipiche lunghezze del cavo utilizzate per applicazioni di scansione 3D di grande formato, la loro dipendenza dai digitalizzatori video comporta un aumento di costi e complessità. Poiché tipicamente si tratta di sistemi fissi, l'aumento di velocità non comporterebbe miglioramenti delle prestazioni.

Realtà virtuale

La Realtà virtuale è un'applicazione molto esigente, che richiede due o più telecamere strettamente sincronizzate. I sistemi di Realtà virtuale in grado di catturare immagini in stereo con sei gradi di libertà possono richiedere 20 o più telecamere. Per sistemi composti da moduli a telecamera singola, le telecamere dovrebbero essere il più possibile vicine l'una all'altra per minimizzare l'arrore di parallasse. Il connettore di tipo C compatto utilizzato dalle interfacce USB 3.2 e Thunderbolt3 è ideale a tale proposito. Tipicamente i sistemi di Realtà virtuale sono focalizzati sul mercato consumer. La natura user-friendly delle interfacce USB, Thunderbolt ed Ethernet le rende preferibili, in questo campo, alle interfacce CoaXpress e CameraLink.

I sistemi di Realtà virtuale utilizzati per contenuti come lo sport non catturano l'intera sfera, perché questa viene catturata solo l'azione sul campo. In genere tali sistemi sono costituiti da poche telecamere a risoluzione più elevata. Le grandi dimensioni dei campi sportivi in genere richiedono cavi lunghi. Il supporto di 10GigE di video 4K60 non compressi e cavi lunghi, e la sua semplicità lo rendono ideale per queste applicazioni. Sono disponibili convertitori ottici che supportano velocità di trasferimento di 10 Gbit/sec su distanze superiori a 1 chilometro.

Per sistemi di cattura volumetrica in slow-motion altamente specializzati, la velocità, la capacità di lunghezza del cavo e il supporto della sincronizzazione dei clock basata su PTP rendono Ethernet 10 Gigabit una buona scelta, mentre CoaXpress 2.0 è un'opzione fattibile per applicazioni scientifiche a velocità estremamente elevate.