Hochleistungskameras direkt am PCI-Bus des PCs
Highspeed an der langen Leine
Die Kameraserie xiB nutzt den PCIe-Bus und dessen neueste PCIe-x4 Gen2 Technologie. Die Kameras integrieren sich in den PC wie eine interne Komponente, d.h. zusätzliche Controller-Bausteine – wie sie z.B. bei USB3.0 nötig sind – entfallen. Zwei Modelle stehen bereits zur Verfügung: eine 20MP Version mit 32fps bei 12Bit Auflösung sowie eine 12MP-Kamera mit 100fps bei 12Bit Auflösung.
Die verschiedenen Anschlusstechniken zwischen Bildverarbeitungskameras und den PCs sind in letzter Zeit intensiv diskutiert worden. USB3 Vision konnte mit einer Bandbreite von bis zu 5GBit/s eine Lücke zwischen den langsameren Standards wie USB2.0, Firewire und GigE auf der einen, und den schnellen Schnittstellen wie Camera Link HS, HSLink CX4 und CoaXPress auf der anderen Seite schließen. Mittlerweile sind verschiedene aktive – aber teilweise auch recht teure – Lösungen für größere Kabellängen erhältlich. USB3.1 ist bereits angekündigt. Erste Beispiel-Implementierungen, mit der dann verfügbaren Übertragungsrate von 10GBit/s, werden gegen Ende des Jahres erwartet. Es ist aber davon auszugehen, dass sich die damaligen Hürden bei der Einführung von USB3.0 wiederholen werden, wie z.B. die Verfügbarkeit stabiler USB3.1-Chipsätze (inkl. Treiber) sowie guter Kabel in ausreichender Länge. Die noch vor zwei Jahren, auch vom Autor dieses Beitrages, mit Spannung erwartete Schnittstelle Thunderbolt ist bis heute nicht für industrielle Anwendungen verfügbar. Sie hätte allerdings auch wegen der mangelnden Verfügbarkeit längerer Kabel mit Akzeptanzvorbehalten zu kämpfen. Die Anwender, die auf die genannten sehr schnellen Schnittstellen angewiesen sind, müssen heute in der Regel höhere Infrastrukturkosten für Framegrabber und Kabel in Kauf nehmen. Bildinformationen, die über Framegrabber eingezogen werden, müssen zur Weiterverarbeitung im Hauptspeicher des Rechners (zusätzlich noch einmal) übertragen werden. Modere CMOS-Sensoren können hohe Pixelraten liefern, z.B. der Cmosis Sensor CMV4000 mit 180 Bilder pro Sekunde (fps) mit 8bit Auflösung. USB3.0-Kameras übertragen dagegen ´nur´ 90fps. Der 12MP Sensor CMV12000 kann laut Datenblatt bis zu 150fps bei 10Bit Auflösung bereitstellen, das entspricht ca.19Gbit/s. Dieses Leistungspotential kann weder von USB3.0, USB3.1 noch 10GigE verarbeitet werden.
Extrem schneller PCIe-Bus als Alternative
Bisher von Kamera-Herstellern unbeachtet, existiert seit mehreren Jahren ein etablierter, schneller Standard zur Kommunikation von PC-Komponenten. In normalen PCs und Servern wird der PCIe-Bus für Einsteckkarten (z.B. Grafik- oder Schnittstellenkarten) verwendet. Im Rahmen der Standardisierung dieses Busses, wurden Verbindungen zur Verlängerung des PCIe-Busses nach außen definiert. Sowohl die PCIe-Steckkarten zur Herausführung der Bussignale, als auch die Kabel zur Verbindung externer Geräte sind als Standardprodukte erhältlich. Derartige Bus-Verlängerungen werden bisher hauptsächlich für die Bereitstellung weiterer PCIe-Steckplätze in externen Gehäusen eingesetzt. Der Vorteil besteht darin, dass der PCIe-Bus ohne Zwischenspeicherung und Latenzzeiten mit unbeschränkter Geschwindigkeit arbeitet und der direkte Zugriff auf den Chipsatz und Hauptspeicher des Rechners somit gegeben ist. In PC-Mother-board Datenblättern sind zur Beschreibung der PCIe-Steckplätze Hinweise wie z.B. ‚PCIe-x4 Gen2‘ zu finden. Solche Angaben können leicht entschlüsselt werden: PCIe bezeichnet die grundsätzliche Technik, also den PCIe-Bus (PCI-Express). Der PCIe-Bus ist in mehrere Leitungen (Lanes) unterteilt, wobei insgesamt an einem Steckplatz maximal 16 Lanes zur Verfügung stehen. Jede Lane besitzt eine Übertragungsbandbreite von 5GBit/s. Die Angabe ‚PCIe-x4‘ bedeutet, dass der Steckplatz bzw. die Steckkarte vier Lanes anbietet bzw. verwendet, also eine Bandbreite von 20GBit/s genutzt werden kann. Die Angabe ‚Gen.2‘ sagt aus, dass ein PCIe-Bus der zweiten Generation verwendet wird. Ältere PCIe-Systeme der ersten Generation stellen nur die halbe Bandbreite, also 2.5GBit/s pro Lane bereit. Sowohl die Einsteckkarten, um den PCIe-Bus nach außen zu führen, als auch die Kabel sind als Standard-Produkte am Markt verfügbar. Kabel auf Kupferbasis werden bis ca. 7m angeboten. Glasfaserverbindungen sind bis zu 300m verfügbar, dabei bis mindestens 100m Länge mit ungebremster Bandbreite.
PCIe-Kamera mit zukünftig 40GBit/s
Ximea nutzt die PCIe-x4 Gen2 Technologie für ihre neue Kameraserie xiB und bietet damit erhebliche Vorteile für die Bildverarbeitung. Die Kamera integriert sich in den PC wie eine interne Komponente mit schnellstmöglichem DMA-Datentransfer (direct memory access). Zusätzliche Controllerbausteine, wie sie z.B. bei USB3.0 nötig sind, entfallen. Das bedeutet auch, dass keine Abhängigkeiten von Treiberversionen zu möglichen Inkompatibilitäten führen. Die Kameraserie wird zu Beginn mit zwei Auflösungen angeboten: a) 20MP auf Basis des Cmosis CMV20000 mit 32fps bei 12Bit Auflösung und b) 12MP auf Basis des Cmosis CMV12000 Rev.2 mit 100fps bei 12Bit Auflösung. Die neue Technik produziert nur eine geringe Verlustleistung, so dass die Kameramodelle ca. 4,5 bzw. 5W verbrauchen. Die Kameras bieten über Optokoppler getrennte GPIOs (Trigger-Ein- und Strobe-Ausgänge) sowie eine Canon-EF-kompatible Objektivsteuerung – und das bei Außenmassen von nur 60x60x38mm. Bei Bedarf kann die Bandbreite zukünftig auf 40GBit/s gesteigert werden. Mit diesen Daten erschließt sich ein breites Spektrum möglicher Anwendungsbereiche: Mikroskopie, Life&Material Sciences, Halbleiter-Wafer Untersuchung, Medizin-/Biotechnik, Industrieautomation, Robotics, Astronomie, Logistik oder Verkehr.
