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      工業連接和智能傳感論壇
      工業以太網

      10GigE:高帶寬易實施的明智選擇(上)

        2021年03月11日  

        隨著機器視覺應用的發展,行業需求越來越集中于在保證圖像質量和傳輸穩定的前提下,盡可能地提升帶寬,保證高分辨率圖像的高幀率傳輸。各類不同協議的數據接口也隨之誕生,從最早的GigE Vision,到后來的Camera Link、USB 3 Vision,以及時下火熱的CoaXPress等。

        目前的高帶寬接口Camera Link和CoaXPress均有自身的限制,如Camera Link線纜較重,傳輸距離限制只有10m(80-bit更是只有4m),帶寬上限不夠高;CoaXPress有多種版本(CXP-1/3/6/12),帶寬越高則傳輸距離越短,超高帶寬需要采用多條線纜;兩種接口都需要搭配昂貴的采集卡和非標準的軟件進行取流,相對來說使用難度較高,兼容性較差。因此,高性價比、低復雜度的10GigE也越來越受歡迎。

        萬兆網相機因其本身具備高帶寬以及長距離傳輸、低架設復雜度、低成本等多種優勢,通過更換網卡網線便可由千兆網環境進行升級,操作十分便捷。本篇文章羅列了萬兆網接口與其他主流接口相比的優劣,并闡述了萬兆網的基本概念及其技術特點。

      01 主流接口的對比

        在工業相機領域中,GigE憑借著100m(無中繼,典型電口)的遠傳輸距離和1Gbps帶寬、PoE供電等優勢,成為性價比最高的接口,并連續多年市場占有率達到65%以上,是目前最主流的接口之一。自2002年IEEE通過了802.3ae,便出現了帶寬為10Gbit/s的以太網,稱之為萬兆以太網。

      圖1-1 各數據接口在不同年份的市場份額

        相較于Camera Link、CoaXPress等高帶寬協議來說,萬兆網同樣具備無可比擬的優勢。Camera Link接口本身的帶寬高于GigE,然而頂配模式80-bit帶寬也僅為6.8Gbps,且由于線纜較粗,重量較大,長度上限10m,在遠距離傳輸場景中較為受限。CoaXPress能夠具備更高的帶寬,最新版本的CXP-12單條線纜能夠提供12Gbps的傳輸速度,但相應的傳輸距離也在30m左右,是兼具高速率和長距離的“優等生”。

      圖1-2 不同數據接口之間的帶寬和傳輸距離

        然而,Camera Link和CoaXPress的采集卡和線纜的價格相較萬兆網卡和網線來說,都更高;此外,Camera Link相機由于其取流需要通過采集卡的SDK,而市面上的采集卡種類較多,相應SDK也不同。如果普通相機圖像采集軟件集成所有采集卡的SDK,則會造成軟件安裝包體積過大。因此,大部分標準相機取流軟件都無法直接兼容Camera Link相機,需要與采集卡相匹配的軟件進行取流。例如,當前版本的MVS(V3.3.0)無法直接取流Camera Link接口相機(通過加載采集卡廠商提供的CTI文件才可以取流),只能進行參數設置等。

        與之相比,萬兆網相機的優勢則在于更遠的傳輸距離、更便捷的安裝、更低的成本、更高(較Camera Link)的帶寬以及兼容性更好的協議,是超高性價比的高帶寬接口。在一些需要高分辨率、高幀率、遠距離的場景應用中,萬兆網相機則是性價比極佳的選擇。

      02 萬兆網的基本概念

        2.1 網絡的簡要傳輸原理

        網絡傳輸是需要基于各種協議的,而互聯網的五層模型當中的每一層都定義了很多協議,這些協議的總稱,稱之為“互聯網協議”,是互聯網的核心內容。

        遵照以太網的協議要求,圖像數據是以數據包的形式進行傳輸,也稱為幀(Frame)。每一幀均分為兩個部分:標頭(Head)和數據(Data)。其中,標頭包含數據包的一些說明項,比如發送者,接受者,數據類型等;數據則是數據包的具體內容。

      圖2-1 幀的組成

        2.2 電口和光口

        萬兆網分為電口和光口兩種形態,分別具備不同的優勢和限制,如電口的連接與使用更為簡易,普及度更高;而光口則需要配合光纖/光纜使用,才可以進行超遠距離傳輸。

        ■ 電口

        電纜中會將數據包轉化成電脈沖的形式進行傳輸,其內部的電壓是在高低狀態之間進行變化的。如二進制中的1通過是正電壓來傳輸,0則是通過產生一個負電壓來進行傳輸。如此數字化服務可比傳統的模擬服務提供更高的可靠性。

      圖2-2 電口示意圖

        網絡電纜的內部線路之間存在電流,并且會產生干擾。在網絡信號傳輸的過程中,線纜本身電阻的影響傳輸距離的主要因素。理論上,網絡信號傳輸在100米后會出現明顯的衰減。此外,限制傳輸距離的目的也是為了減少外界對網線的干擾,影響網絡的傳輸穩定性。

        ■ 光口

        光纖接口是以光作為信息的承載介質,使用光纖線纜,原理是利用光從光密介質進入光疏介質從而發生了全反射,接口通常有SC、ST、FC、LC等幾種類型。不同的光纖模塊可以提供不同的傳輸速率和傳輸距離上限。

      圖2-3 光口示意圖

        就目前來說,光口的傳輸速率在不斷提高,從早期的100Mbps到后來的1.25Gbps、10Gbps、40Gbps,到現在最高的100Gbps;最遠的傳輸距離范圍也提升至1-120km左右,是超遠距離和超高速率傳輸的優秀代表。

        目前,機器視覺行業中不斷涌出光口產品,??禉C器人同樣也有相關的產品布局計劃,相信在不久的將來,隨著光纖網絡技術的成熟和穩定,光口產品會逐漸普及。

      03 萬兆網的技術特點

        3.1 高傳輸效率

        GigE Vision定義了主機如何發現、控制千兆以太網相機以及從一個或多個GigE相機采集圖像。GigE Vision是萬兆網的基礎協議,是由AIA制定的通信協議,可在機器視覺領域通過以太網接口實現圖像數據的高速傳輸。

        同時,GigE Vision標準是基于UDP協議,與普通網絡協議最大的不同點在于應用層協議。GigE Vision的應用層協議采用GVCP(控制協議)來對相機進行配置;采用GVSP(流傳輸協議)來實現數據流的傳輸。

        因此,為保證傳輸效率,各類圖像采集軟件(如MVS)的實現就是基于這兩種協議。其主要由四部分構成:

        ■ 基于UDP協議的GigE Vision控制協議:

        其定義了如何對相機進行控制和組態。規定了相機和PC之間發送圖像及配置數據的流通道和機制;

        ■ GigE Vision流控制協議:

        其定義了傳輸的數據類型,確定了通過GigE傳輸圖像的方式;

        圖3-1 PAUSE幀流控機制

        ■ GigE設備發現機制:

        該機制提供了獲取IP地址的方法;

        ■ 基于GenICam標準的XML描述文件:

        該數據表單提供了相機控制和圖像數據流訪問的權限。

        圖3-2 GenICam標準運作原理

        3.2 高傳輸穩定性

        GigE Vision會通過GVCP和GVSP兩種協議來規避傳輸風險。此外,GigE Vision還具備心跳包偵測,以及前面提到過的流控協議、丟包重傳等數據保護機制,能夠全方位地規避網絡丟包問題,保證傳輸的穩定性,同時進一步提升了萬兆網方案的易用性。

        3.3 精準時鐘協議

        在機器視覺的應用場景中,許多情況下都會需要應用多臺相機同時進行抓拍,如大型同步場景等。一般來說,只能通過硬觸發給多個相機信號進行同步抓拍,或者通過客戶端軟件進行軟觸發。

        然而硬件方案一般來說都具備較高的布線復雜度,還需要借助其他設備給予信號,但存在微妙級的信號延時(上升沿為幾微秒,下降沿則為數十微秒),對于同步性要求極高的應用不適用;普通軟件觸發方案理論上是基于NTP(網絡時間協議)對多臺相機按順序進行觸發,信號延時可達毫秒級別(LAN上小于1毫秒,WAN上幾十毫秒),同步性較硬件方案更差。

        基于網絡協議的IEEE1588的精準時鐘協議(即PTP)的開發,則確保了多相機聯網的可行性,高同步性的多相機方案得以實現。

        PTP(Precision Time Protocol,精確時鐘協議)是一種時間同步的協議,用于對標準以太網或其他采用多播技術的分布式總線系統中的傳感器、執行器以及其他終端設備中的時鐘進行亞微秒級同步(也可被借用于相機等設備之間的拍攝頻率同步)。PTP可以以純軟件的方式實現,也可以用能夠提供更精確的時間同步的專門的硬件實現。

      圖3-3 PTP架設示意圖

        ??禉C器人以太網接口工業相機均支持PTP功能,且MVS客戶端、SDK均可提供PTP服務,通過給予同網段內的多臺網口相機軟觸發信號,來實現多相機的同步拍攝應用。

        下一期我們將繼續具體闡述萬兆網的各方面優勢,并從萬兆網相機的選型和配件配置,以及在不同行業中的應用展開探討,敬請期待!

      標簽:??禉C器人我要反饋
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