03.06.2009

Pixel Highway

Mit der Kombination von CameraLink und PCI Express große Datenmengen effektiv bewegen.

Das Applikationsumfeld industrieller Bildverarbeitung entwickelt sich zunehmend in Analogie zu einer „Metropolitan Area“.  Dort stellen Millionen von Commutern (Pendler) das City-Management bezüglich der Infrastruktur vor fast unlösbare Aufgaben. Und was können Sie tun, damit die Daten-Verkehrsströme aus Abermillionen Pixeln sicher und schnell von der Peripherie ans Ziel gelangen, um sich in Arbeitsprozessen des PC produktiv zu entfalten? Eine hervorragende Lösung bietet ein „Highway“ in CameraLink Technologie.

Wie es zu der Ausgangslage kommt,  ist bekannt: Zur Überwachung und Steuerung von Fertigungsabläufen, oft mit BV-Systemen zur Qualitätssicherung, stehen dem Anwender Kameras zur Verfügung, die bei hoher Auflösung und Unterstützung hoher  Bildwiederholraten gewaltige Datenmengen erzeugen. Die Optimierungsaufgabe zum Datentransport und damit die Auswahl der Schnittstelle wird nun für den Anwender durch eine Anzahl von Kriterien definiert: Geschwindigkeit, Sicherheit, Integrationsaufwand, Flexibilität und Kosten. Der Blick zum Markt zeigt, wie wichtig die Orientierung an der konkreten Anwendung ist.

Definierte Standards erleichtern  auch bei Kamera-Schnittstellen die Integration in bestehende Architekturen. So können FireWire™ und Gigabit Ethernet (GigE) hier punkten, weil erstere mit DCAM und zweite mit GigE Vision festgelegte Software-Standards mitbringen. Bei USB2.0, CameraLink und analogen Interfaces existieren lediglich Hardware Standardisierungen.

Für die Installation der BV-Lösung im Produktionsumfeld spielt mitunter die Kabellänge eine Rolle. Für Längen von bis zu 100 m zeigen sich analoge und GigE Kameras von ihrer starken Seite. USB, CameraLink und FireWire™ bewegen sich unter der 10 m Marke. Behält man allerdings die eingangs geschilderten Fakten im Auge, nähert man sich wieder den Kriterien von  Übertragungsgeschwindigkeit und Bandbreite an. Zeittakte, Verarbeitungstempo und Sicherstellung von quasi Nullfehler-Raten in der Produktion bewirken eine Äquivalenz von erzeugten Datenmengen zur gestellten Aufgabe. Um nun die „Ausbeute“ moderner Kameras nicht zu schmälern, kommt hier wieder das CameraLink Interface ins Spiel.

Warum auf CameraLink setzen?
CameraLink ist für die schnelle Bildübertragung spezifiziert. Die Technologie setzt auf die drei Übertragungsstrukturen Base, Medium und Full, um eine möglichst breite Basis an Applikation abdecken zu können. Die folgende Tabelle zeigt die spezifizierten maximalen Datentransferraten in Beziehung zu den Taktfrequenzen. Die Anzahl der  Taps bezeichnet die Anzahl der Kanäle die zur Übertragung der Daten verwendet werden.

Konfiguration

Unterstütze Ports /
Taps (8 Bit/Tap)

Anzahl der
Steckers

Datentransferrate

Max.
Taktfrequenz

Base

A, B, C

1

255 MByte/s

85 MHz

Medium

A, B, C, D, E, F

2

510 MByte/s

85 MHz

Full

A, B, C, D, E, F, G, H

2

680 MByte/s

85 MHz

Zum Vergleich kann eine GigE Kamera maximale 125 MByte/s übertragen, bei FireWire™ IEEE1394b sind es sogar nur 100 MByte. Hier zeigt sich deutlich das CameraLink für schnelle Bildübertragung durchaus seine Berechtigung hat.

Als Physical Layer dient CameraLink LVDS (Low-voltage differential signaling), das sich durch hohe Geschwindigkeiten bei gleichzeitig niedrigen Spannungspegeln auszeichnet. Übertragen  werden die bis zu 28 TTL Signale über standardisierte Stecker und Kabel. Je nach Ausführung müssen 1 bzw. 2 Stecker pro Kamera angeschlossen werden.  Fortschritte gibt es heute bei der Spannungsversorgung der Kameras. Mit Einführung von Power Over CameraLink (PoCL) hat man die Lücke in Punkto Benutzerfreundlichkeit zu  USB, FireWire™ und GigE merklich verkleinert, sodass „plug and play“ in greifbare Nähe rückt. Ein anderer Vorteil  gegenüber diesen Schnittstellen ist die externe Hardware-Triggerung, welche eine sehr geringe Auslöseverzögerung (Latenz) besitzt.

Engpass bei PCI überwunden
Ein schnelles Kamerainterface ist jedoch nur soviel wert, wie das übergeordnete Bussystem, das die  Daten weiterleitet. Bis vor wenigen Jahren hieß der etablierte Standard bei PC-basierenden Bildverarbeitungssystemen PCI (Peripheral  Component Interconnect). Bei einer Busbreite von 64 Bit und einer Taktfrequenz von 66 MHz ist die Übertragungsrate von maximal 533 MByte/s geringer als die maximale Datenübertragungsrate, die mit  einer als Full konfigurierten CameraLink Kamera erreicht werden kann.

Mit dem 1998 verabschiedeten PCI-X Standard sind deutlich höhere Durchsatzraten möglich. PCI-X 1.0 erreicht mit einem Teilnehmer am Bus maximal 1,066 GByte/s und ist somit in der Lage, Daten einer als Full konfigurierten CameraLink Kamera problemlos und vor allem sicher zu transferieren.

Die Lösung des Problems stellt der 2004 eingeführte PCI-Express-Datenbus dar, welcher sowohl für Kupferleitungen als auch für optische Verbindungen vorgesehen ist. PCI-Express besitzt je nach Ausbaustufe 1 bis 16 Lanes und wird mit einer Taktfrequenz von  1,25 GHz pro Richtung betrieben. Dieser Bus, der sich durch serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen charakterisiert, ist vollduplexfähig. Es werden Datentransferraten von maximal 4 GByte/s bei 16 Lanes erzielt. Bei Nutzung einer Lane beträgt die Übertragungsrate pro Richtung noch 250  MByte/s – insgesamt also 500 MByte/s. Zur Verwendung einer Kamera mit CameraLink Interface und Full Konfiguration sollte der PCI-Express-Bus mindestens 3 Lanes besitzen, um die Daten sicher übertragen zu können.

Volle Konzentration auf den Job
Mit der Kombination von PCI Express und CameraLink wird der Anwender in die Lage versetzt, bisher nicht realisierbar geglaubte Anwendungen zu lösen. Vision & Control bietet CameraLink in Verbindung mit einem leistungsstarken Bildverarbeitungsrechner der vicosys-Serie an. In der ersten Ausbaustufe können zwei Kameras mit Base bzw. eine Kamera mit Medium-Konfiguration am Mehrkamerasystem vicosys betrieben werden.  Applikationen in der Stanz- oder Getränkeindustrie mit den typischerweise hohen Taktraten fordern  gerade auch Softwarealgorithmen, welche die Auswertung der Bildinformation optimal realisieren. Nur ein fein abgestimmtes Paket aus Hard- und Software wird konstant hohe Taktraten fahren können – damit, um auf den Vergleich zurückzukommen, der Verkehr auf dem „Pixel Highway“ immer schnell und sicher fließt.