1-2-2017

Bildverarbeitung USB 3.0

Bildverarbeitung USB 3.0 Use Cases und Test der Vision- Komponenten Bild 1: Querschnitt USB-3.0-Kabel Autor: Immanuel Fuchs, Testingenieur in der Abteilung Product Qualification, Basler AG Die USB-3.0-Schnittstelle sowie der speziell für die industrielle Bildverarbeitung entwickelte USB3 Vision Standard befinden sich bereits seit Anfang 2013 auf dem Markt. Seit der Markteinführung hat sich im Bereich der Schnittstelle USB 3.0, in neuer Notation USB 3.1 Gen11, vieles getan und weiterentwickelt: Die Kameras sind leistungsfähiger geworden, dadurch entstehen neue Ansprüche an das Vision System. Im Folgenden soll der Fokus auf das notwendige Zubehör in Verbindung mit drei Anwendungsszenarien gelegt werden. Hinzu kommt ein Abschnitt über verschiedene Testund Messmethodiken mit denen die Basler AG die Zuverlässigkeit ihrer USB-3.0-Produkte sicherstellt. Technischer Hintergrund Neue hochauflösende CMOS-Sensoren mit hohen Bildwiederholungsraten stellen enorme Ansprüche an die Datenübertragung. In der Vergangenheit wurden Datenübertragungsraten jenseits der 150 MB/s mit der sehr teuren und aufwendigen Camera Link-Schnittstelle realisiert. In den letzten Jahren hat sich der USB3 Vision Standard etabliert. Mit der USB-3.0-Schnittstelle werden Datenübertragungsraten von bis zu 380 MB/s, inklusive Spannungsversorgung über ein Kabel und einen Host-Controller zur CPU des Rechners realisiert. In Tabelle 1 ist aufgelistet, wie aktuelle Anwendungen zu hohen Datenraten führen. Technisch umgesetzt wird dies im USB3 Vision Protokoll mit geschickten Datenstrukturen und einer hohen Taktfrequenz der Signalinformationen. Diese Signalinformationen werden zudem differenziell übertragen. Dies in einem passiven Kabel zu einem erschwinglichen Preis zu realisieren, stellt hohe Anforderungen an Design und Fertigung der notwendigen Zubehörprodukte. Dies soll hier am Beispiel des Kabels kurz erläutert werden. Bild 1 zeigt den Querschnitt eines USB-3.0-Kabels. Dort ist zu erkennen, dass auf engstem Raum hochfrequente Datenleistungen und die Energieversorgung nebeneinander liegen. Diese einzelnen Leitungsadern dürfen sich nicht gegenseitig beeinflussen und jede einzelne muss für sich einwandfrei funktionieren. Konsumenten- vs. Business- Verwendung Bei USB-3.0-Anwendungen wird eine Schnittstelle verwendet, die im Konsumentenmarkt extrem weit verbreitet und etabliert ist. Für die in Tabelle 1 aufgelisteten Betriebszustände, die immer öfter in modernen Anwendungen notwendig sind, wird das USB3 Vision Protokoll bis zur ausgelegten Leistungsfähigkeit genutzt. Das USB3 Vision Protokoll erlaubt definierte Schwächen während der Datenübertragung, die durch extrem günstiges Zubehör induziert werden. Diese Schwächen können bei Heimanwendungen von zum Beispiel externen Festplatten oder einfachen Lade- und Streaming- Anwendungen toleriert werden. In professionellen USB-3.0-Anwendungen ist dies jedoch keine Option: Hier müssen die Komponenten der Datenübertragungsstrecken ihre Funktion reibungslos erfüllen. Dies zieht eine Abgrenzung zu allgemein erhältlichen Produkten sowie eine sorgfältige Auswahl und Qualifizierung mit sich. Komponenten Im Folgenden wird das wichtigste Zubehör zur stabilen Übertragung aufgelistet und in Funktion und Augenmerk beschrieben. In der Basler Marketing Note „Zubehör für stabile USB-3.0-Systeme“ befinden sich weitere Komponenten für ein erweitertes Vision System mit der USB-3.0-Schnittstelle. Kabel Die Kabel spielen eine entscheidende Rolle in einem Vision System. Sie dienen zum einen zur Datenübertragung und zum anderen zur Spannungsversorgung (Power Supply). Dabei ist es wichtig, Verluste möglichst niedrig zu halten. USB3 Vision ist der erste Bildverarbeitungsstandard, bei dem auch Kabelanschlüsse und die wichtigsten Anforderungen an die Kabel definiert werden. Um die maximal mögliche Kabellänge zu bestimmen, wird der Zusammenhang zwischen der Hochfrequenzeigenschaft und CMV4000 IMX174 Python5000 Auflösung 4,2 MP 2,3 MP 5,3 MP Bildwiederholungsrate 90 fps 165 fps 60 fps Datenrate ~360 MB/s ~380 MB/s ~380 MB/s Tabelle 1: Beispiele verschiedener Sensor-Anwendungen 58 PC & Industrie 1-2/2017

Bildverarbeitung Bild 2: Schematischer Aufbau des Power Supply Tests der Kupferdrahtdicke in Bezug auf die maximal mögliche Kabellänge beschrieben. Dadurch lässt sich ein Spannungsabfall, der sogenannte USB 3.0 „Voltage Drop“, bestimmen. Der Voltage Drop darf speziell definierte Grenzen nicht überschreiten. Datensignale dürfen nicht zu stark gedämpft werden, sich gegenseitig nicht beeinflussen und sich bei differenzieller Übertragung nicht zeitlich verschieben. Host Adapter/PCI-Karten Die USB-3.0-Bandbreite hängt vom verwendeten USB-3.0-Chipsatz und Motherboard-Chipsatz ab. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, über integrierte USB-3.0-Anschlüsse Kameras auf Mainboards anzuschließen. Sollten diese nicht zur Verfügung stehen, funktioniert die Nachrüstung am besten über PCI Express-Karten. Der Host-Adapter übersetzt die Daten mittels Chipsätzen für die CPU des Rechners und liefert die Spannungsversorgung für die Kamera. Er sorgt für einen schnellen Abtransport der Daten. Dafür sind das Routing und die Anbindung der Leiterbahnen nach Hochfrequenzstandards unabdingbar. Um eine möglichst hohe Performance zu erzielen, ist es notwendig, pro Port einen Chipsatz zu verwenden; interne Switches verschalten die Multi-Chipsatzanwendung. Die Spannungsversorgung erfolgt entweder direkt aus den Steckplätzen oder über das Netzteil des Rechners. Um einen festen Sitz der Kabel sicherzustellen, sollten USB-3.0- Kabel mit Schraubgewinde verwendet werden. Hubs Hubs dienen dazu, mehrere USB- 3.0-Kameras an einem Host des PCs anzuschließen. Die Daten werden dabei nur von einem einzigen Chipsatz verarbeitet, wodurch nur ein USB-3.0-„Upstream“-Port zur Verfügung steht. Dadurch teilt sich die verfügbare Bandbreite auf die einzelnen Kameras an den „Downstream“- Ports auf. Das bedeutet, dass bei Multi-Kameraanwendungen eine niedrigere Datenrate pro Kamera zur Verfügung steht. Qualifizierungs- und Testprozess Um sicherzustellen, dass die im Abschnitt „Anwendungsbeispiele“ beschriebenen Anwendungsfälle fehlerfrei funktionieren, bedarf es qualifizierter Produkte, die im Basler Komponenten Portfolio zu finden sind. Die einzelnen Komponenten müssen den Basler Qualifizierungsprozess bestehen, bevor sie in den Basler Testprozess und schließlich in das Portfolio gelangen. Im Folgenden werden diese Prozesse näher erläutert. Power Supply Die Funktion der Spannungs- und Leistungsversorgung ist die Basisanforderung. Diese unterliegt strengen Vorgaben und Grenzwerten, die eingehalten werden müssen. Hierzu zählen die Versorgungsleitungen der Kabel und die Ports der Host Controller und Hubs. In Bild 2 ist ein solcher Aufbau schematisch dargestellt. Es soll gezeigt werden, wie mithilfe eines speziellen Aufbaus die maximale Last an einen USB-3.0-Host Controller gelegt wird. Über Multimeter wird die anliegende Spannung gemessen und mithilfe von Oszilloskopen die zeitliche Konstanz überwacht. Übertragungsstrecke Die Funktionalität der Übertragungsstrecke wird unter Anwendung einer vektoriellen Netzwerkanalyse sichergestellt. Dies soll hier am Beispiel eines USB-3.0-Kabels dargestellt werden. In Bild 3 ist ein solcher Messaufbau dargestellt. Die einzelnen Datenadern werden über spezielle Messadapter auf die Messanschlüsse des Netzwerkanalysators gelegt. Dieser generiert an jedem Anschluss hochfrequente Signale bis zu 20 GHz. Diese Signale werden simultan an allen Anschlüssen gemessen. So werden die Streckeneigenschaften mit Hilfe einer Streuparametermatrix beschrieben. Transmissionsdämpfung und Reflexionen sind die ersten Auswertungen, die vorgenommen werden. Weiterhin werden das Übersprechen und die zeitlichen Signaleigenschaften sowie Wellenwiderstände untersucht. Mithilfe spezieller Softwarelösungen wird zudem im Zeitoder Frequenzbereich nach Störungen gesucht. Hier können die Einhaltung der USB-3.0-Spezifikation nachgemessen sowie individuelle Lösungen für die Übertragungsstrecke untersucht und qualifiziert werden. Gesamtsystem Neben der Qualifizierung der Einzelkomponenten des Vision Systems Bild 3: Schematischer Aufbau einer vektoriellen Netzwerkanalyse eines USB-3.0-Kabels PC & Industrie 1-2/2017 59