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Highspeed in Überlänge

Kabelkonfektion für USB 3.0 und CameraLink

Vor einigen Wochen wurde der USB3 Vision Standard verabschiedet. Auch wenn die genauen technischen Testbedingungen für die Kabelkonfektionen noch nicht 100% festgelegt sind, wird auch diese Schnittstelle die Kabelkonfektionäre vor neue Herausforderungen stellen. Einen kleinen Einblick in die Entwicklungsarbeit für USB3.0 und CameraLink gibt der folgende Beitrag.
CameraLink (CL) ist bereits seit vielen Jahren im Einsatz und wurde zuletzt durch den Standard CameraLinkHS ergänzt. Passive Kabellängen von 15-20m sind für viele Applikationen gängig. Bereits vor über einem Jahr zeigte sich aber, dass durch die gestiegenen Anforderungen an die CameraLink-Applikationen (Full Configuration, 85MHz…) neue Herausforderungen an das Kabelmaterial entstehen. Bereits bei passiven Kabellängen von 10-12m stiegen die ersten Systeme aus und stellte den Anwender vor bis dato unbekannte Probleme. In einem ersten Schritt wurde daher ein Blick auf die Komponenten geworfen: Ein Wechsel des Framegrabbers bzw. der Kamera führte zu ein einem komplett anderen Verhalten derselben Verkabelung im Feld. Dies sorgte dafür, dass der Weg des ‚Goldenen Musters‘ gegangen wurde, d.h. das Kabel muss den schlimmsten anzunehmenden Zustand überleben. Überstand das Kabel diesen Test, würde es in jeder anderen Umgebung die zugesagten Eigenschaften erreichen. Erste Tests zeigten aber, dass dieser Lösungsweg, die Möglichkeiten zu stark einschränkt. Somit ging man direkt in die Hardware, d.h. man nahm sich die einzelnen Komponenten der Kabelkonfektion vor.

CameraLink mit Twinax-Leitungen

Der erste Blick ging in das Rohkabel. Das bereits vor Jahren eingeführte passive Überlängenrohkabel wurde analysiert und Simulationen durchgeführt, in wie weit man den Kabelaufbau verbessern konnte. Eines der grundsätzlichen Probleme ist der Aufbau der verdrillten Paare. Gerade bei Längen über 10-15m treten Laufzeitunterschiede zwischen den inneren und den äußeren Paaren auf, d.h. bei den Kabel, die sich über die Länge um den Kabelaufbau drehen. Zwar konnte der Effekt durch den Assemblierungsprozess verringert werden, für die Zielsetzung einer stabilen und toleranzarmen Massenproduktion ist dies aber nicht tolerierbar. Daher nutze man die aus dem Telekommunkationssektor bekannten Twinax-Leitungen und legte die Paare um ein Füllmaterial herum. Twinax-Leitungen sind normale Coaxleitungen, jedoch mit zwei statt einem Innenleitern. Durch den neuen Aufbau werden die Laufzeitunterschiede eingegrenzt. Man bewegt sich aktuell auf die zweite Prototypenphase zu. Messungen mit der ersten Generation zeigten bereits ca.10-20% bessere Ergebnisse, die bei den finalen Tests mit der nächsten Generation im 2.Quartal 2013 bestätigt werden sollen. Neben dem eigentlichen Rohkabel nahm man sich auch den Steckverbindern an. In ersten Tests wurden von verschiedenen Zulieferern die verfügbaren Steckverbinderkörper und Kontaktaufbauten angeschaut. Besonders die Lötstellen für die Anbindung der Leitungen wurden untersucht. Durch die Auswahl des optimalen Aufbaus verringerten sich Störeinwirkungen, die z.B. durch das Anlöten der benötigten Leitungsdurchmesser enstehen. Ebenso untersuchte man den Einfluss des bisherigen Umspritzungsverfahrens auf die Verkabelungen. Bei dem Anlegen der inneren Umspritzung um den Assemblierungsbereich bemerkte man minimale Einflüsse auf die Lage der einzelnen Leitungen, welche bereits zu geringen – aber dennoch messbaren – Toleranzen in der Massenproduktion führen. Durch den Einsatz von Die-Cast Gehäusen (Bild 1) wurde der Einfluss ausgemerzt. Trotz der neuen Gehäuseschalen wird im Konfektionsvorgang weiterhin auf die einwandfreie Abschirmung der offenen liegenden Leitungen geachtet und mit einem Kupferband eventuelle Problemstellen abgedeckt. In den nächsten eins bis zwei Monaten erfolgt die Auslieferung der ersten CameraLink-Testkabeln der neuen Generation an die Kunden.

USB3 Vision wirft Fragen auf

Der Anfang 2013 freigegebene USB3 Vision Standard sorgt aktuell zwar im Bereich der mechanischen Standardisierung für die notwendige Aufklärung, jedoch bleibt der eigentlich wichtige Teil bzgl. der elektrischen Eigenschaften der Verkabelungen weiterhin offen. Alysium-Tech sieht die 1:1 Übernahme des USB-IF Standards in diesem Bereich als kritisch, da dadurch die erreichbaren (und bezahlbaren) passiven Kabellängen zwischen USB A und MicroB USB 3.0 Steckverbindern sich nach aktuellen Gesichtspunkten bei ca.3m einpendeln werden, d.h. Kabelmaterial unter diese Länge wäre 100% gemäß Standard, darüber hinaus nicht. Und dies, obwohl z.b. die 8m USB 3.0 Machine Vision Kabelkonfektionen bereits seit einigen Jahren im Markt bekannt sind und erfolgreich zu Zigtausenden verbaut. Bereits jetzt gibt es Aussagen über verschiedenste Testaufbauten im Markt, was die Situation für Hersteller und Kunden nicht einfacher macht. Neben dem Einsatz von Die-Cast Gehäusen (Bild 2) für alle gängigen Schnittstellen (USB A mit und ohne Verschraubung, USB B mit Verschraubung und MicroB mit Verschraubung) wird auch weiter an dem Rohkabelmaterial geforscht. Für das 3. bis 4.Quartal wird ein im Patentantrag befindliches verbessertes Kabelmaterial vorgestellt. Ebenso wird ein Rohkabel für Kabellängen bis 3m nochmals überarbeitet. Dabei wird die vollständige Zertifizierung gemäß dem finalen USB3 Vision Standard angestrebt.

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