原标题:CoaXPress: 带宽的增加让CoaXPress更受青睐

CoaXPress(CXP)接口技术于十年前在德国斯图加特的VISION展上首次亮相,目前CXP已经发展成为机器视觉相机和图像采集卡的主流高速接口。最初,CXP标准是由Adimec、Eqcologic(现为Microchip)、Active Silicon、Aval
Data、Nippon Electro-Sensory Devices和Components Express这几家公司组成的一个小型团体所共同开发的。

到现在为止,已经有超过50家电缆、连接器、知识产权(IP)、收发器、相机、图像采集卡、模拟器、延展器和软件供应商支持CXP标准。其中许多供应商都可以在日本工业成像协会(JIIA,http://jiia.org)和CXP(www.coaxpress.com)的网站上找到。

原始数据率

作为一种点对点的串行相机到计算机的接口,CXP标准的原始版本(和2015年12月修订的1.1.1版本标准JIA CXP-001-2015可在网址:http://bit.ly/VSD-CXP中找到)支持从相机到图像采集卡为6.25Gbps的数据率,使用的是单根75Ω同轴电缆。由于CXP是可扩展的,因此可以使用多跟电缆来增加相机到计算机的带宽,每个通道的增量为6.25Gbps。

高速通道用于将数据从相机传送到PC,一个串行20.83Mbps的图像采集卡到相机的通道,用于I/O(如相机触发)和相机控制。也可以通过电缆提供高达13W的功率,用于从图像采集卡、主PC机或外部电源为相机供电。用于触发和设备控制的6.25Gbps数据通道和20.83Mbps通道,都使用8b/10b编码来实现DC平衡的信号。“对于CXP-6,”Active
Silicon公司首席技术官Chris Beynon说,“6.25Gbps的位速率等于1/6.25Gbps或160ps的位周期。因此,既然8b/10b编码需要10位来发送一个字节,需要1.6ns,因此数据速率变为1/1.6ns或625MBytes/s。

“协议开销减少了该数据带宽,但并不显著。其中1%的开销用于空闲字、以保持链路锁定,分组报头和预告器增加了1.5%的典型分组开销,并且图像报头也增加了一部分开销用于提供图像大小和格式。因此,在实际应用中,至少可以使用95%的带宽或大约594MBytes/s的数据率用于图像数据传输是安全的。

“对于控制信道上行连接,很少发送数据。最重要的数字是相机可以被触发的速率。如果只发送触发事件,或者仅在150kHz以下,如果使用交替的上升和下降触发器来控制触发率和脉冲宽度以设置相机的曝光时间,那么300kHz以下即可。”Beynon解释说。

新数据率

CXP标准的2.0版本将添加两个新的数据率——CXP-10(10Gbps)和CXP-12(12.5Gbps),并将上行连接的数据率翻倍增加到41.67Mbps的。“因此,对于一个单一的具有FEC和4k分组的CXP-12链路,大约可提供1.188GBytes/s的数据率,”Beynon解释说,“如果仅发送触发事件,触发率会增加到仅低于600kHz;如果使用上升和下降交替触发,触发率在300kHz以下。”

“对于一个没有FEC的2k分组,分组开销为1.5%,”Silicon Software公司的Martin Cassel说,“而对于一个4k分组,开销为0.8%。如果使用FEC,两种分组的开销将分别增加到3.3%和1.8%。”

“FEC在CXP
V2.0中是可选的,特别是因为CXP采用了8b/10b编码,进而拥有非常低的比特误码率。FEC可以在‘校正误码对于满足规格必不可少’时建立系统;当采用光接口时(这通常被认为具有较高的误码率),它可能变得各加重要。”Active Silicon公司的Beynon如是说。

连接相机

相机厂商Vieworks已经展示了八通道(CXP6)VC-12MX2-M/C 330,这是一款基于CMOSIS CMV 12000图像传感器的分辨率为4096×3072、帧率为330fps的相机产品,现在需要一个八通道(CXP-6)图像采集卡,如Kaya Instruments公司的Komodo CXP图像采集卡与之配合使用。

另外,Vieworks公司也展示了来自Euresys公司的两个quad CXP-6图像采集卡,其与VC-12MX2-M/C 330相机配合全速运行。

随着CXP
V2.0标准的推出,这样的相机只需要四个通道,从而减少了相机和图像采集卡方面的成本。Euresys公司还宣布了一个八通道CXP-6图像采集卡Coaxlink Octo,可支持1-8台CoaXPress相机,产品在今年第二季度上市(见图1)。

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图1:Euresys公司推出了一款八通道CXP-6图像采集卡CoaxlinkOcto,其支持1-8台CoaXPress相机。

虽然一些图像采集卡公司已经宣布了他们想要基于CXP V2.0标准开发产品的意愿,但这些产品的最终完成还需要数月时间。例如,Active Silicon公司目前正在开发一款采用PCIe Gen3x8接口的四通道CXP-12产品,并且也将提供使用更小的micro-BNC连接器的单通道和双通道版本(见图2)。

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图2:目前Silicon Software公司的microEnable 5 marathon VCX-QP图像采集卡支持CXP V.1.0,其下一代图像采集卡将通过同轴电缆和一个CXP光纤接口支持CXP-12的数据率。

所有这些都将支持用于触发和相机控制的高速上行连接,尽管几乎600kHz的标准触发率就能满足大多数应用需求。目前Silicon Software公司的microEnable 5 marathon VCX-QP图像采集卡支持CXP V.1.0,其下一代图像采集卡将通过同轴电缆和一个CXP光纤接口支持CXP-12的数据率。

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Instruments公司虽然还没有最终确定其图像采集卡的规格,但是其推出的第一款产品将是采用PCIe Gen2 x4 PC接口的单通道CXP-12产品。Euresys公司首席执行官Marc Damhaut也透露,Euresys公司将在2018年推出四通道Coaxlink CXP-12图像采集卡。

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图3:CXP
V1.0和CXP V2.0标准可以使用许多不同类型的电缆配置,可以包括micro-BNC连接器,(a)标准BNC连接器,和(b)CXP多电缆连接器。

为了支持12.5Gbps(CXP-12)的数据率和42Mbps的上行链路信道,图像采集卡和相机设计人员可以从两家均衡器和驱动电路供应商——Microchip和MACOM
Technology Solutions中选择。

相同的设备既可以作为相机中的电缆驱动器,也可以作为图像采集卡中的均衡器。迄今为止,数据是在非公开协议(NDA)下发布的,许多公司已经评估过,而且似乎将要使用这些产品。

也是在NDA下,MACOM公司为使用“其M23428G-33 12G-SDI电缆驱动器和M23544G-14 12G SDI均衡器”的相机和图像采集卡,提供了一个CXP-12参考设计。针对相机接口的参考设计使用M23428G-33 12G电缆驱动器,而针对图像采集卡的参考设计则以M23544G-14 12G均衡器和低速驱动器为中心。为了加快开发,MACOM公司还提供了一个评估板,其中包括CXP-12图像采集卡和相机接口的参考设计。

对于望使用FPGA来实施CXP协议、以实现序列化和去序列化等功能的开发人员,也有好消息。虽然许多设计者将为此目的开发定制的FPGA代码,但是诸如Demand Creation、Easii
IC、Kaya Instruments和Sensor
to Image等公司,都为开发者提供CXP兼容的内核来实现这样的功能。Sensor to Image公司(去年11月被Euresys收购)正致力于为图像采集卡和相机提供CoaXPress V2.0 FPGA内核,并将继续提供给第三方。

相机到电脑

为了将相机连接到图像采集卡,可以使用许多不同的终端连接器。这些连接器包括micro-BNC连接器(它是CXP-10和CXP-12的首选连接器)、BNC连接器(图3a)、CoaXPress DIN 1.0/2.3连接器和CXP多电缆连接器,例如CEI公司的一款连接器,就使用了四个数据通道和一个高速上行链路通道(图3b)。

对于要求高挠度CoaXPress电缆组件的移动应用,Intercon 1公司提供JIIA认证的CoaXPress兼容电缆

使用同轴电缆,并且根据图像数据的速度,CXP标准可以支持较长的相机到计算机之间的传输距离。在6.25Gbps(CXP-6)的速率下,使用柔性细电缆的最大传输距离约为25m;在1.25Gbps的速率下,使用粗电缆的传输距离可超过200m。

传输距离取决于所使用的电缆类型。例如,Microchip表示,使用Belden公司的733A串行数字同轴电缆,可以实现58~194m的传输距离,具体根据使用的数据率是CXP6(6.25Gbps)或CXP-1(1.25Gbps)而定。

其他制造商如Gepco也表示,使用Gepco公司的VHD1100高清视频同轴电缆,在CXP-6和CXP-1的数据率下,可以实现68~212m的传输距离。

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图4:GenICam(一个允许工业相机接口与开发者的应用程序编程接口API分离的标准)将允许来自相机的兼容GenICam标准的事件分组(例如何时曝光完成)被发送到PC。

毫无疑问,较长的电缆距离将导致信号噪声、失真和抖动的增加。在CXP V2.0标准中,增加到10Gbps(CXP-10)和12.5Gbps(CXP-12)的数据率,将意味着电缆长度的缩短,尽管最近在电缆均衡器方面的改进会消除一些影响因素。

Benyon说:“长度为5~25m的电缆已经可以覆盖非常高比例的视觉应用,针对这些应用,同轴电缆在成本、功耗和尺寸方面实现了极好的平衡。”

为了实现更长的传输距离,必须使用光纤接口。然而,不同于Camera Link HS标准明确规定使用具有SFP和SFP+连接器的光纤接口来实现超过300m的传输距离,CXP V1.0和CXP
V2.0标准对于使用什么样的光纤接口,目前仍在讨论中。同时,对于那些可能要求更长的相机到计算机连接距离的应用,则需要使用外部光纤中继器。

幸运的是,Kaya Instruments和Phrontier Technologies等公司正在制造这样的中继器。来自Kaya Instruments公司的CoaXPress中继器(SFP+)目前可支持多达四个6.25Gbps(CXP-6)通道,最大传输距离可达10km;Phrontier Technologies公司的PHORTE 4通道光纤扩展器,也支持四个6.25Gbps(CXP-6)通道,可以实现80km的最大传输距离。

当然,CXP
V2.0标准的引入,对于那些开发中继器以适应更快的12.5Gbps(CXP-12)数据率的供应商而言,将迎来更多机会。

虽然CXP
V2.0目前尚未采用固定的光纤接口标准,但是它同Camera Link HS标准一样,具备将图像从单个相机发送到多个图像采集卡的能力。这样的配置便于实现多重处理,实现在多台PC上处理同一幅图像。

Euresys公司的Coaxlink Quad G3 DF图像采集卡就能实现这样的功能,该产品具有四路CoaXPress CXP-6输入和四路数据输出;来自Bitflow公司的CoaXPress分配器,可以从相机中获取CoaXPress信号,并将其发送到多达四个不同的系统进行处理和/或显示。

软件支持

CXP
V2.0包括对GenICam的增强支持,这个针对机器视觉相机的工业标准通用编程相机接口,由欧洲机器视觉协会(EMVA)管理。CXP V2.0将增加对从相机发送到PC的、GenICam兼容的事件分组的支持(见图4)。

随后,应用软件可以使用这些相关的数据,以便更容易地执行图像处理任务,例如增加在不同时间曝光的图像序列的动态范围。开发图像处理和机器视觉软件的公司,如MVTec Software、Norpix和Stemmer
Imaging公司,很可能在他们的软件包中利用这种能力。

“例如,Stemmer Imaging公司的Common Vision Blox(CVB),使用标准的GenICam Transport Layer(GenTL)接口来操作相机和图像采集卡。”Stemmer Imaging公司企业市场发展总监Mark Williamson解释说,“GenTL接口提供了一种称为‘通过相机将Events发送到GenTL Consumers(例如库和软件包)’的机制。由于CVB依赖于图像采集卡和相机厂商的GenTL Producer实施,所以这些公司必须支持这种新特性。使用这种Event的一种常见情况是通知相机的曝光已经结束,以便于机器人或其他机制移动被成像对象,继续处理过程。

“然而,对于三维数据的支持将不会添加到CXP V2.0中,因为称为GenDC的新GenICam模块——一个通用数据容器(以前称为GenSP),它被设计为允许任何传输层支持从传统2D数据到3D数据的任何数据格式,以实现压缩格式。”Active Silicon公司的Beynon说。

“然而,这项工作正在进行中,并且还没有最终确定。”Stemmer Imaging公司的Williamson说。GenDC的意图是描述一种常用的容器格式,可以被各种传输层技术,如CXP和‘可以包含2D图像、2-1/2D数据或3D点云数据的’USB3 Vision等技术所应用。附加信息,例如用于产生3D数据的坐标系统,可以通过相机的GenICam节点映射来处理。

“虽然GenDC在CXP
2.0发布时还没有准备好,但它将在CXP 2.1发布时做好。那时,通过支持GenDC数据,任何未来的图像格式都将自动包含其中。”Beynon总结说。返回搜狐,查看更多

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