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Grenzen verschieben

10Gbit/s Datenübertragung mit 10GigE und USB3.1

Die nächste Generation von Hochleistungs-CMOS-Sensoren wird die Tür zu neuen Bildverarbeitungsanwendungen öffnen. Aber ob sie diese auch nutzen können, hängt von der Leistung der Schnittstellen ab. Die Übertragungsraten von Ethernet- und USB-Schnittstellen erhöhen sich auf 10Gbit/s. Was zeichnet aber diese neuen Technologien aus und sind sie wirklich auch bereit für den Machine-Vision-Einsatz?

Bild 1 | Überblick über die Bandbreiten und maximale Kabellängen verschiedener Bildverarbeitungsschnittstellen (Bild: Flir Systems, Inc.)

10GigE wird auf verschiedene Art und Weise implementiert. Die 10Gbase-T-Implementierung kann mit RJ45-Steckern und günstigen Cat6A-Kupferkabeln bereitgestellt werden. Sie wird am häufigsten verwendet, zeigt die höchste Wachstumsrate und ist ideal für Bildverarbeitungsanwendungen. Die Oryx-Kamera basiert auf 10Gbase-T und wird mit 10Gbit/s über Cat6A-Kabel mit einer Länge von bis zu 100m betrieben. Die vollständige Kompatibilität von 10GigE mit dem GigE-Vision-Standard gewährleistet, dass 10GigE-Kameras nahtlos mit Drittanbieter-Bibliotheken funktionieren. Durch die Rückwärtskompatibilität mit bestehender GigE-Hardware funktionieren 10GigE-Kameras mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 1Gbit/s auch mit standardmäßigen Laptops und Netzwerk-Switches. GigE-Kameras werden in einer 10GigE-Infrastruktur mit ihrer normalen Übertragungsgeschwindigkeit von 1Gbit/s betrieben. Für industrielle Anwendungen werden diverse Kabel angeboten, u.a. mit erweiterter Temperaturfestigkeit, hoher Flexibilität und verriegelbaren Cat 6A- und Cat5e-Modellen. Cat6A-Kabel für eine Übertragungsgeschwindigkeit von 10Gbit/s werden mit Längen bis zu 100m angeboten, sind feldkonfektionierbar und kosten weniger als 1Euro/m. Cat5e-Kabel sind für Kabellängen bis zu 40m geeignet. Die Oryx-10GigE-Kameras verwenden das IEEE-1588 Precision Time Protocol (PTP) zur Synchronisierung mit anderen Ethernet-Geräten und bieten präzise Eingänge mit Zeitstempel für industrielle Bildverarbeitungssysteme. Da immer mehr Geräte zum industriellen Internet der Dinge (IIOT) hinzukommen, wird IEEE-1588 PTP-Unterstützung zukünftig zu einer Schlüsselspezifikation.

Keine Kühlung nötig

Die ersten physikalischen 10Gbase-T-Schichten (PHYs) zeigten eine enorme Verlustleistung. Nach zehn Jahren Entwicklung konnte die PHY-Effizienz erhöht und die Verlustleistung pro Anschluss von 10 auf 3W gesenkt werden. Auf Grundlage dieser neuen PHYs wurde die Oryx entwickelt, deren Dauerbetrieb bei ruhender Luft und einer Umgebungstemperatur von 50°C möglich ist. Sie erfordert weder Kühlkörper noch aktive Kühlung. Als der GigE-Vision-Standard im Jahr 2006 eingeführt wurde, erforderte die Paket-Reassemblierung noch enorme Host-Ressourcen. Seither ist die Leistung von PCs und integrierten Systemen so schnell gewachsen, dass die Host-Ressourcen für die Paket-Reassemblierung vernachlässigbar sind. Von Flir durchgeführte Tests haben gezeigt, dass eine einfache Anwendung, die mit einer Auflösung von 4K bei 60BpS aufnimmt, weniger als ein Prozent der verfügbaren Leistung einer Intel i7 CPU beansprucht.

USB3.1 Generation 2

Bild 2 | Die Oryx basiert auf 10Gbase-T und wird mit 10Gbit/s über Cat6A-Kabel mit einer Länge von bis zu 100m betrieben. (Bild: Flir Systems, Inc.)

Die Einführung zweier unterschiedlicher Generationen ergab sich aus dem USB3.1-Standard, der USB3.0 ersetzte. USB3.1 Generation 1 (Gen 1) entspricht in seiner Funktion USB3.0, und verschiedene Anbieter kennzeichnen ihre Produkte bereits als USB3.1 (Gen 1)-kompatibel. Generation 2 (Gen 2), oder SuperSpeed USB 10Gbps, erhöht die maximale Übertragungsrate der USB-Schnittstelle auf 10Gbit/s. Zwar bietet USB3.1 Gen 2 viele spannende Möglichkeiten für Bildverarbeitungsanwendungen, allerdings müssen noch einige Herausforderungen gemeistert werden, bevor die Schnittstelle auf breiter Ebene in der Industrie eingesetzt werden kann. Die maximale Kabellänge bei USB3.1 Gen 2 beträgt z.B. lediglich 1m, und ein standardmäßiger Gen 2-Stecker wurde noch nicht festgelegt. Möglicherweise wird der USB Typ-C-Stecker zum Standard für Gen 2-Produkte, obwohl er nicht Teil der USB3.1-Spezifikation ist. Mit der Weiterentwicklung der USB3.1 Gen 2-Spezifikation wird sich auch deren Verwendung im Bereich der Bildverarbeitung weiterentwickeln.

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