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5-2017

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bildverarbeitung BCON

Bildverarbeitung BCON for LVDS-Schnittstelle: Camera Links kleiner Bruder Basler ace Kamera mit Camera Link-Schnitstelle Basler bietet sowohl Camera Link-Kameras als auch Boardlevel- Kameras mit BCON - Baslers neuer LVDS-basierter Schnittstelle für Embedded Vision Anwendungen. Der eine oder andere wird Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden Datenübertragungstechnologien und ihren Protokollen bemerken. Diese Marketing Note bietet einen Vergleich der beiden Schnittstellen. Es wird gezeigt, dass BCON viele Eigenschaften von Camera Link geerbt hat. Allerdings gibt es kleine Unterschiede an Stellen, die insbesondere für Embedded Systeme sinnvoll sind. Deswegen werden Ingenieure, die Erfahrung mit Camera Link haben, sich durchaus „wie zu Hause“ fühlen, wenn sie die neue BCON-Schnittstelle anwenden. Datenübertragung: Auf Channel Link basiertes LVDS Beim Vergleich von Camera Link und BCON for LVDS sind gemeinsame Eigenschaften keine Überraschung. Beide Schnittstellen basieren auf Low Voltage Differential Signaling (LVDS), einem üblichen Standard für Hoch geschwindigkeitsdaten übertragungen. Genauer gesagt basieren beide auf einem Channel Link LVDS-Chipsatz, nämlich DS90CR28x, hergestellt von National Semiconductor. Der Sender dieses Chipsatzes wandelt CMOS/ TTL-Daten in vier LVDS-Datenströme um (die Daten werden 7:1 serialisiert), der Empfänger wandelt die LVDS-Daten zurück in 28 Bits CMOS/TTL-Daten. Im Channel Link Protokoll werden bis zu 4 x 7 = 28 Bits pro Takt auf bis zu vier Datenbahnen übertragen. Es gibt vier Camera Link-Varianten. Die „Basiskonfiguration“ („base configuration“) verwendet ein Kabel und einen 4-Kanal-Channel-Link- Sender. Sie ist daher mit Baslers BCON Schnittstelle vergleichbar, die ebenfalls einen 4-Kanal-Channel-Link-Sender und ein einziges Kabel verwendet. In der Camera Link-Basiskonfiguration werden drei Steuerbits und ein nicht zugewiesenes Bit definiert, was zu 24 Datenbits pro Zyklus führt. Dies ist absolut gleich zur BCON- Schnittstelle, die auch 24 Datenbits pro Zyklus zur Verfügung stellt. Im Ergebnis ist die Bandbreite für dieselbe Sendefrequenz gleich. Da der Camera Link-Standard Taktfrequenzen zwischen 40 und 85 MHz angibt, beträgt die resultierende maximale Bandbreite 255 MByte/s und ist damit etwas höher als bei BCON mit 252 MByte/s (spezifizierte Frequenzen zwischen 20 und 84 MHz). Nur die Steuerbits zeigen einen kleinen Unterschied. Die Steuerbits des Camera Links sind frame valid Bit, line valid Bit und data valid Bit. Im Gegensatz dazu bietet BCON nur frame valid Bit und line valid Bit als Synchronisationssignale. Zusätzlich werden zwei Output-Bits verwendet. Aber wie bei Camera Link bietet die Basler BCON-Schnittstelle keine Datenflusskontrolle. Kabel und Hardwareanschlüsse Die verwendeten Kabel zeigen vermutlich die größten Unterschiede beider Schnittstellen: der Camera Link- Standard definiert einen 26-poligen Stecker, den sogenannten MDR- 26 und einen kleineren MiniCL- Anschluss mit der Bezeichnung HDR-26 / SDR-26. Neben den LVDS- Leitungen für die Bilddatenübertragung umfassen die Kabel vier konfigurierbare Eingangsleitungen zur Kamerasteuerung und Triggerung über LVDS. Darüber hinaus, wenn Power over Camera Link (PoCL) Autor: Dr. Thomas Rademacher Product Market Manager - Factory & Traffic, Basler AG Basler dart Kamera mit BCON for LVDS-Schnittstelle und Kabel 50 PC & Industrie 5/2017

Bildverarbeitung neue BCON-Adapter-API auch zur Implementierung der Bildaufnahme verwendet werden. Damit kann das Basler pylon SDK auch für die Bilddatenübertragung genutzt werden. Flachbandkabel für BCON-Schnittstelle verwendet wird, ist eine Leitung zur Stromzufuhr mit 12 V ± 1 V bei 4 W enthalten. Die Kabel stehen in der Regel in einer robusten, industriell bewährten Ausführung zur Verfügung. Aufgrund einer guten Abschirmung können Längen von bis zu 10 Metern verwendet werden. Da die BCON-Schnittstelle für Embedded Systeme vorgesehen ist, verwendet sie ein 28-poliges flexibles Flachbandkabel (flat flex cable = FFC) das aufgrund einer nur schwachen Abschirmung nur für Längen bis einem Meter spezifiziert ist. Jedoch können größere Längen mit einem festeren, besser abgeschirmten Flachbandkabel erzielt werden. Als Steckverbinder definiert BCON einen 28-poligen ZIF-Steckverbinder von Hirose Electric Co. Dieser Steckverbinder bietet Anschlüsse für LVDS-Bildübertragung, I/O-Signale (z.B. für das Anlegen eines externen Triggersignals) und eine Spannungsversorgung von 5 V ± 0,5 V bei 1,5 W. Darüber hinaus sind drei I²C-Leitungen integriert, die für die Kamera-Konfiguration über die Basler pylon Camera Software Suite verwendet werden. Pylon Camera Software Suite Ein wesentliches gemeinsames Merkmal beider Schnittstellen aus praktischer Sicht ist die Möglichkeit, die Kamera mit dem Basler pylon SDK zu bedienen. Dies vereinfacht den Wechsel von einem Camera Link-basierten System, z.B. zu einem Embedded System, in dem die Kamera über BCON angebunden werden soll. Da die Programmierschnittstellen (API) des pylon- SDK gleich sind, kann die Anbindung an die Software ohne großen Aufwand geschehen. Zudem entsprechen beide Schnittstellen dem GenI- Cam-Standard. Was den Datenaustausch zwischen Kameramodul und den übrigen Systemkomponenten angeht, sollte man den Bilddatenfluss und die Daten zur Kamerakonfiguration separat betrachten: Bilddatenerfassung Für die Bildaufnahme benötigen beide Schnittstellen ein Element auf der Host-PC-Seite, das die Daten empfängt. Um Bilder von Camera Link-Kameras zu erhalten, ist ein kompatibler Camera Link-Framegrabber erforderlich. Er verarbeitet die Bilddaten von der Kamera und setzt sie zu kompletten Bildern zusammen, die anschließend einer weiteren Softwareverarbeitung zugeführt werden können. Basler BCON-Kameras sind für den Einsatz in Embedded Systemen ausgelegt, so dass kein klassischer Framegrabber verwendet wird. Stattdessen kann die Kamera, z.B. mit einem FPGA (oder SoC mit FPGA) verbunden werden, der die Bilddaten verarbeitet, d.h. die Bilder zusammenfügt. Man kann also von einer eher software-basierten Grabbing-Lösung sprechen. Da es keine LVDS-Protokollstandards gibt und die Logikhardware üblicherweise von einem Hersteller zum anderen variiert, ist kein generischer Treiber oder eine allgemeingültige Grabbing-Logik verfügbar. Daher muss der Anwender eine eigene Implementierung für die Bilddatenübertragung entwickeln. Basler bietet als Ausgangspunkt ein Entwicklungskit als Referenzimplementierung mit Beispielcode an. Optional kann die Camera Link-Kabel Kamerakonfiguration Der Camera Link-Standard enthält zwei LVDS-Leitungspaare für die asynchrone serielle Kommunikation. Alle Camera Link-kompatiblen Framegrabber verfügen über eine serielle Schnittstelle für die Kommunikation zwischen dem PC und der Kamera über die Camera Link- Schnittstelle. Mit der Basler pylon Camera Software Suite wird diese Verbindung zur Kamerakonfiguration genutzt. Auch mit der BCON-Schnittstelle kann die pylon-Software ohne weitere Integrationsarbeiten direkt für die Kamera-Konfiguration verwendet werden. Dafür verwendet BCON eine standardisierte I²C-Schnittstelle des Prozessor-Chips, also den I²C- Bus des Systems. Für die Konfiguration ist die Basler pylon Camera Software Suite ab Version 5.0.5 erforderlich. Zusammenfassung Baslers BCON for LVDS-Schnittstelle und Camera Link sind sehr ähnlich in Bezug auf die Verwendung von LVDS als elektrischen Standard, basierend auf Channel Link. Die Anordnung der Bits ist etwas anders, insbesondere die der Steuerbits. Aber beide Schnittstellen haben 24 Datenbits pro Taktzyklus, was zu einer gleichen Bandbreite bei gleicher Taktfrequenz führt. Die spezifizierten Anschlüsse, Kabel und Anforderungen an PC & Industrie 5/2017 51

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel