Interfaces para visão de máquina

Escolher a interface certa para o seu aplicativo de visão de máquina é uma decisão crucial no seu processo de seleção da câmera. As seções a seguir oferecem uma visão geral dos diferentes tipos de cabos e conectores disponíveis para aplicativos de visão de máquina e seus respectivos prós e contras.

As interfaces de visão de máquina costumam ser de dois tipos: dedicadas e para consumidor.

Interfaces dedicadas

Úteis para aplicativos nos quais velocidades extremamente altas ou resolução ultra-alta exigem o uso de tais interfaces; por exemplo: câmeras de varredura de linha usadas para inspecionar processos com fluxo contínuo como a produção de papel ou filme plástico, nos quais as câmeras geralmente funcionam no intervalo de kHz. Porém, essas interfaces costumam ser muito mais caras, menos flexíveis e aumentam a complexidade do sistema. A CarmeraLink (compatível com até 6,8 Gbit/s de dados) e a CoaXPress (compatível com até 12 Gbit/s) são interfaces dedicadas de visão de máquina tipicamente usadas em tais aplicativos. Além das câmeras, os sistemas que usam tais interfaces precisam de placas de captura. São placas adaptadoras especializadas para receber dados de imagens e montá-los em imagens utilizáveis. Interfaces dedicadas de visão de máquina também usam cabos exclusivos, tornando um pouco mais desafiadora a integração com outros periféricos.

CoaXPress (CXP)

A interface CoaXpress foi lançada em 2008 para oferecer suporte a aplicativos de imagens de alta velocidade. As interfaces CXP usam cabos coaxiais de 75 ohm e oferecem suporte a velocidades de transferência de dados de até 6,25 Gbit/s por canal, com a capacidade de usar vários canais para oferecer suporte a taxas de transferência de dados ainda mais rápidas. Um cabo CXP é capaz de fornecer até 13 W de potência por cabo e exige que tanto o "dispositivo" quanto o "host" sejam compatíveis com a interface de programação da câmera GenICam. Embora os cabos coaxiais de uma via sejam baratos, a montagem de conjuntos de cabos de várias vias e placas de captura de imagens faz os custos se elevarem rapidamente.

CameraLink

O padrão CameraLink foi lançado no ano 2000 pela Associação de Imagem Automatizada (Automated Imaging Association, AIA) e tem sido aprimorado progressivamente para oferecer suporte a taxas de dados mais altas, sendo que algumas versões precisam de dois cabos para transmissão. As três principais configurações disponíveis são: Básica (2,04 Gbit/s), Média (5,44 Gbit/s) e Deca/Estendida (6,8 Gbit/s). A configuração básica usa o conector MDR ("Mini D Ribbon") de 26 pinos, enquanto a configuração média/completa duplica a capacidade usando um segundo cabo. As versões Deca/Estendida vão além dos limites impostos pelo CameraLink, transportando até 6,8 Gbit/s de dados. Assim como as interfaces CXP, o padrão CameraLink exige placas de captura de imagens que também precisam ser compatíveis com o padrão PoCL (Power over Camera Link) para poder fornecer energia. Faltam no padrão CameraLink recursos de correção de erros e de reenvio, o que requer a instalação cara e trabalhosa de cabos para tentar eliminar as perdas de imagem aumentando ao máximo a integridade do sinal.

Interfaces para consumidor

Essas interfaces possibilitam que as câmeras de visão de máquina se conectem a sistemas host usando padrões USB e Ethernet largamente disponíveis. Para a maioria dos aplicativos de visão de máquina, as interfaces para consumidor USB 3.1 Gen 1 e Gigabit Ethernet oferecem uma combinação vitoriosa de praticidade, velocidade, simplicidade e preço acessível. Além disso, as interfaces para consumidor oferecem suporte a hardware e periféricos amplamente disponíveis para a implementação da visão de máquina. Hubs USB e Ethernet, switches, cabos e placas de interface podem ser comprados em qualquer lugar, seja na Amazon ou na lojinha local de computadores e eletrônicos, em uma faixa de preços que atenda exatamente aos seus requisitos. A maioria dos PCs, notebooks e sistemas integrados inclui pelo menos uma porta cada de Gigabit Ethernet e USB 3.1 Gen 1.

A diferença mais óbvia entre essas categorias de interfaces é a largura de banda delas. Interfaces mais rápidas possibilitam taxas mais altas de quadros (Fig. 1) para determinada resolução. Uma interface mais rápida possibilita que você capture mais imagens a cada segundo, ou que capture imagens com resolução mais alta sem sacrificar a taxa de transferência.  

Por exemplo: um sistema de inspeção de semicondutor wafer que esteja sendo atualizado de wafers de 8” para 12”, exigindo câmeras de resolução mais alta. Nesse caso, o projetista do sistema terá que optar entre manter a interface já existente e trocar a resolução mais alta por uma taxa de transferência reduzida, ou fazer um upgrade para uma interface mais rápida para manter ou melhorar a taxa de transferência.

Fig. 1. Largura de banda disponível para cada interface vs. resolução do sensor e a taxa de quadros resultante.

Seus requisitos para resolução, taxa de quadros, comprimento do cabo e configuração do sistema host devem todos ser considerados para garantir o desempenho que você precisa sem gastar mais do que o necessário. As câmeras de visão de máquina da FLIR são compatíveis com todas as três interfaces confiáveis e amplamente disponíveis.

USB (Barramento Serial Universal)

O USB está em toda parte. Olhe em volta e conte o número de dispositivos e acessórios USB ao seu redor. Está vendo o que nós queremos dizer? A maioria das câmeras de visão de máquina USB usa a interface USB 3.1 Gen 1. A interface fornece até 4 Gibt/s de largura de banda de dados de imagem entre a câmera e o sistema host. O padrão USB3 Vision ajuda a garantir compatibilidade entre uma ampla gama de câmeras e softwares, definindo um conjunto comum de protocolos de detecção de dispositivos, transferência de imagens e controle da câmera.

Fig. 2. Cabo USB 3.1 Gen1 (USB a travamento USB)

O USB é compatível com DMA (acesso direto à memória). Com esse recurso de DMA, os dados da imagem podem ser transferidos pelo USB diretamente para a memória, onde fica disponível para uso pelo software. O DMA combinado com o amplo suporte a USB e disponibilidade de drivers para controladores USB em praticamente qualquer plataforma de hardware faz com que o USB seja ideal para uso em sistemas integrados. O comprimento máximo de cabo de 5m do USB 3.1 Gen 1 não costuma ser problema para sistemas integrados. O USB 3.1 Gen 1 pode simplificar o desenho do sistema fornecendo até 4,5 W de energia para a câmera. A especificação USB Power Delivery (Distribuição de energia via USB), desenvolvida recentemente, possibilita que alguns hosts forneçam mais energia para dispositivos como telefones celulares de carga rápida; essa especificação é independente do padrão básico USB 3.1 Gen 1 e não foi adotada pelos fabricantes de câmeras de visão de máquina.

Fig. 3. Diferentes tipos de conectores USB

Cabos USB de alta flexibilidade ajudam a aumentar ao máximo a vida útil dos cabos em sistemas nos quais a câmera precisa ser movimentada repetidamente. Cabos ópticos ativos (AOCs) podem ser usados para estender bem a distância de operação e oferecer resistência a interferência eletromagnética (EMI). O desempenho dos cabos ópticos ativos depende dos requisitos de taxa de transferência e da configuração do sistema host. Quando for usar cabos ópticos, mesmo aqueles que fornecem energia através do cabo, a FLIR recomenda fornecer energia para as câmeras externamente via GPIO. Além disso, cabos de travamento USB oferecem uma conexão segura entre os cabos, as câmeras e os sistemas host. Antes de comprar os cabos de travamento, a FLIR recomenda verificar a compatibilidade da posição do parafuso de travamento e do espaçamento, já que existem diversas opções disponíveis.

O USB 3.1 Gen 1 está disponível nas versões FLIR Blackfly S - em caixa e Nível de placa, e na pequenina Firefly S.

Gigabit Ethernet (GigE)

O GigE fornece até 1 Gbit/s de largura de banda para dados de imagem. A combinação de simplicidade com velocidade, comprimento máximo do cabo de 100m e capacidade de fornecer energia para câmeras com um único cabo fazem essa interface de câmera ser extremamente popular. Os cabos Ethernet estão disponíveis com blindagem robusta. São ideais para ambientes com alta interferência eletromagnética causada pela proximidade com motores potentes encontrados em alguns robôs e equipamentos de metrologia. As câmeras com GigE da FLIR também são compatíveis com uma função de reenvio de pacote que incrementa ainda mais a confiabilidade da transmissão.

Diferente de USB, GigE não é compatível com DMA. Os pacotes que contêm dados de imagens são transmitidos para o host, onde devem ser remontados em quadros de imagens antes de serem copiados para uma memória acessível por software. Esse processo é trivial para os PCs modernos, embora possa resultar em latência para alguns sistemas integrados de baixa potência com recursos limitados de sistema.

Fig. 4. Cabo Gigabit Ethernet / GigE (RJ45 para RJ45)

A ampla adoção de Gigabit Ethernet significa que existe uma ampla gama inacreditável de produtos compatíveis, de cabos a switches, prontos para atender às exigências de qualquer projeto. As câmeras GigE aceitam o protocolo IEEE1588 PTP de sincronização de tempo, habilitando câmeras e outros dispositivos ativados por Ethernet, como atuadores e controladores lógicos programáveis industriais a operar em uma base de tempo comum precisamente sincronizado.

A grande adoção de Ethernet em muitos setores possibilitou a disponibilidade de muitos cabos e conectores especializados para uma ampla gama de usos. Por exemplo: existem cabos Ethernet projetados para proteger contra EMI (interferência eletromagnética), alta temperatura e resistência química, enquanto outros atendem a exigências de alta flexibilidade e assim por diante.

Os cabos Ethernet vêm com um número de categoria, dependendo da respectiva estrutura. CAT5e é o mais comum para GigE, enquanto CAT6A, CAT7 e CAT8 podem ser usados para resistência adicional contra EMI às custas de despesas mais altas e maior diâmetro do cabo. Alguns dispositivos industriais usam um conector M12 com código X (Fig. 3, direita) para fornecer maior blindagem; no entanto, para a maioria das aplicações, o conhecido conector RJ-45 é bom o suficiente e convence mais por um custo menor. Além disso, os conectores RJ45 com trava de parafuso facilmente reforçam a segurança dos cabos RJ45.

Fig. 5. O conector RJ45, encontrado em todo lugar (esquerda) e o conector M12 com código X menos comum (direita)

Obs.: É fácil conectar e desconectar o conector RJ45. O conector M12 com código X (direita) é mais lento para conectar, mas é mais parrudo e disponível em versões com grau de proteção IP.

O GigE está disponível nas câmeras FLIR Blackfly S - em caixa e FLIR Blackfly S - nível de placa.

10Gigabit Ethernet (10GigE)

O 10GigE amplia os pontos fortes do GigE, aumentando a largura de banda para 10Gbit/s. O 10GigE é a interface ideal para varredura 3D em alta resolução, captura volumétrica e metrologia de precisão. O GigE e o 10GigE podem ser combinados de diversas formas. Várias câmeras GigE podem ser conectadas a um switch 10GigE para oferecer suporte a diversas câmeras GigE em velocidade total usando uma única porta 10GigE em um sistema host. Embora cabos CAT5e funcionem com câmeras 10GigE em distâncias menores que 30m, recomenda-se o uso de cabos CAT6A ou superiores.

10Gbit/sec é muita quantidade de dados! Os sistemas modernos de PC com CPUs de alta velocidade, PCIe 3.0 e memória de dois canais podem aguentar bem, enquanto os sistemas de desempenho mais alto são capazes de aguentar várias câmeras 10GigE. Em geral, sistemas integrados com recursos reduzidos do sistema não têm a largura de banda da memória e a velocidade do processador necessárias para acompanhar o ritmo dos dados de imagens que entram.

10GgiE está disponível nas câmeras FLIR Oryx.

Resumo

As interfaces dedicadas e para consumidor são usadas em muitos aplicativos de visão de máquina. Os prós e os contras mencionados nas seções anteriores acabam determinando a adequação de uma ou outra, conforme o caso específico. No entanto, a combinação de desempenho, facilidade de uso, ampla disponibilidade e baixo custo tornam as interfaces para consumidor uma opção atraente para a maioria dos aplicativos de visão de máquina.