机器视觉相机接口标准简介

本文概述并对比了下一代以太网、USB 、Camera Link以及CoaXpress标准，并就Thunderbolt3接口的技术潜力展开探讨今后，这类相机接口将一如既往推动机器视觉产业的发展万兆以太网 ? ?早在1983年将以太网作为IEEE 802.3标准之前的十年，以太网便已存在。

自此，这项技术凭借可靠性、灵活性以及速率改良开始真正普及到2016年，每售出两部机器视觉相机，当中就有一部采用了千兆以太网（GigE）技术 ? ?基于GigE的优势，万兆以太网（10GigE）传输速率超快，而延迟性极低。

在10GB/秒的带宽下，10GigE FLIR Oryx能够在普通电缆上传输未压缩的12位4K60视频，传输距离超过60米FLIR Oryx支持的万兆以太网使用常见的RJ45接头和双绞线铜芯电缆，即可实现10GBASE-T需求。

? ?IT行业已经在网络基础设施中广泛采用10GigE在苹果和华硕等公司的支持下，迅速成为颇具吸引力的消费电器接口10 GigE的广泛应用推动了基于各种低成本、高性能产品组成的强大生态系统的形成 ? ?以太网供电（PoE）标准的修订版本也已适时推出。

IEEE 802.3bt支持万兆链路的以太网供电，不过尚未被广泛采纳目前尚无PoE 10GigE机器视觉相机上市 ? ?10GBASE-T支持IEEE 1588精确时间协议（PTP），使得FLIR Oryx等相机能够自动将其内部时钟彼此同步并同步到其他以太网硬件上，无需用户管理。

USB 3.2 ? ?最近落实的USB 3.2技术规范是这一流行接口下一代的主要版本USB 3.2使用Type-C连接器的两侧来并行支持两个USB 3.1链路，传输速率可达20 GB/秒从USB 3.0演变至USB 3.1导致了第一代与第二代之间的若干差异，而这种差异会延续至USB 3.2中。

第一代和第二代链路之间的主要区别包括信号传输速率、编码效率以及最大电缆长度第二代将信号传输速率从5 GB/秒提高到10 GB/秒，同时以更高效的128/132b编码代替了第一代中使用的8/10b编码降低编码开销意味着第二代链路支持更接近信号传输速率的实际传输速率。

第一代链路提供4 GB/秒的实际吞吐量，而第二代链路则支持高达9.7 GB/秒 ? ?第一代链路的最大电缆长度为五米，而第二代链路则限制在一米在经济实惠的有源光缆出现之前，USB 3.2第二代的较短电缆可能会制约其广泛应用。

? ?USB线路编号和多代技术混合可能会令消费者混淆USB 3.2接口未必比USB 3.1快即使将USB 3.1第一代的低效率编码增加一倍，其连接速率仍然比USB 3.1第二代慢大约20％每一代的电缆最大长度要求方面存在差异，即用户需要视具体接口属于第几代技术来选择适当长度的电缆。

USB支持直接内存访问（Direct Memory Access，DMA），可将图像数据从相机直接传输到系统内存中对于内存带宽以及CPU功率有限的嵌入式应用来说，非常理想Thunderbolt3 ? ?Thunderbolt接口在机器视觉产业尚未出现显著增长，但Thunderbolt3可能会改变这种现状。

因为它同时兼具高达40GB/秒、易于使用以及常见的USB Type-C连接器这一实用组合Thunderbolt3亦将支持USB供电规范，使其能够提供高达100W的功率目前的电缆长度限制为50厘米，在可靠和高性价比的有源光缆面世之前，可能会制约这种接口的采用。

? ?尽管Thunderbolt3电缆的最大信号传输速率为40GB/秒，但实际吞吐量可能会大幅降低主机与设备及其PHY之间的PCIe 3.0 x4连接可提供高达32GB/秒的带宽冗余带宽用于传输HD和UHD监视器的DisplayPort信号。

PHY的PCIe接口在主机端启用DMA ? ?Thunderbolt技术由英特尔开发并维护，该公司最近宣布其所有新芯片组均将支持Thunderbolt3，同时还放宽了许可要求，鼓励第三方制造商采用这种接口。

英特尔努力推动Thunderbolt3的采用，创造出非比寻常的消费者生态系统，其中Thunderbolt3主机广泛普及，但相应设备却不尽然目前仍然没有Thunderbolt3机器视觉相机Cameralink ? ?CameraLink HS标准于2012年出台。

不仅改进了原有的CameraLink接口，速率提升，同时电缆连接的灵活性增强CameraLink HS标准还扩展了对多种电缆连接的支持，用户可以通过改变电缆长度来调整速率上一代那种成本高昂又笨重的电缆淘汰了。

CRC纠错和数据重发进一步改进了传输的可靠性可以自动检测并纠正单比特传输错误针对高速应用的额外带宽，最多可以并行运行八条电缆 ? ?尽管CameraLink HS功能增强，但并不属于消费电器用接口虽然不支持DMA，但其设计用途包含了尽可能快速地将图像数据传输到FPGA中。

在传入的CameraLink HS图像数据传递到用户之前，图像采集卡会接收并汇编这些图像数据，这种要求会增加视觉系统的成本，更复杂对于通过多台计算机使用数据分割拓扑结构的系统来说，这种复杂性会加剧系统老化。

CoaXpress ? ? 2017年年初公布的CoaXpress 2.0，性能和功能均有提升，重点支持高速应用CoaXpress借鉴了通过HD-SDI实现4K60视频的技术，将单通道速率从6.25 GB/秒提高到了12.5 GB/秒。

在12.5 GB/秒速率下，一条4芯电缆能够以每秒四千兆字节的速率从相机向主机传输图像数据最大上行速率增加了一倍，有利于在500kHz以上的速率时触发CoaXpress 2.0支持多目的地传输，因此相机可以将数据发送到多台主机计算机上的图像采集卡。

? ?CoaXpress 2.0保持了标准CoaXpress的40米最大电缆长度尽管单通道同轴电缆的价格实惠，但多通道电缆总成和图像采集卡的成本迅速增加

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