工业相机之接口与协议 视觉硬件篇

Posted 2023-05-09

参考技术A 工业相机的本质就是将光信号转换为电信号，这样就涉及到了电信号的转换与传输，转换与传输就需要各种物理接口与传输协议来承担，下面就将最常见的几种工业相机接口与协议介绍给大家。

1394接口也被称为FireWire接口，在工业领域应用非常广泛，其协议和编码都很不错，传输比较稳定，1394接口的传输距离为4.5m，单根线缆最长可达到17.5m；加中继可达70m，光纤传输则可达100m；有标准DCAM协议, CPU占用低；支持热插拔，可通过1394总线供电。

1394接口主要分为速率为400Mb的1394A接口和800Mb的1394B接口，如下图：

1394A单根4.5m(S400)，加中继可达70m，如果调整到S100或S200，则传输距离可达25m，甚至更长，其相关参数如下：

1394B单根10m(S800)，转网络传输，用Cat5线可达到100m(S100)；使用Cat6线，在S400情况下可达60m；转光纤传输，可达500m(S400/S800)，其相关参数如下：

由于早期1394接口并没有得到很好的普及，所以现有PC机端并没有相应的接口存在，如果想要连接对应的相机时，需要配合1394接口的采集卡。目前1394接口已逐渐被市场所淘汰。

USB2.0接口是最早数字接口之一，基本所有的电脑主机都配置有USB接口，无需额外采集卡，即可插拔使用。USB2.0的带宽为：480 Mbit/s，支持热插拔，使用便捷，相机可通过USB线缆供电，但USB2.0没有标准的协议，主从结构导致CPU占用率高，带宽无法得到保证。单根最长传输距离为5m，加中继可达30米，传输距离近，信号衰减比较严重。

USB3.0接口是在USB2.0接口的基础上增加了俩组数据总线，除了支持传统的BOT协议外，还新增了USB Attached SCSI Protocol（USAP）协议，这样USB3.0的传输带宽可以到达5Gbps, 采用了全双工传输方式，支持同时双向数据传输；主机主导的异步方式的传输流量控制，使得设备在数据传输准备就绪时可以通知主机；突出的实时兼容性，高可靠性。但USB3.0在传输距离上并没有得到改进。

由于GigE千兆网协议稳定，是目前比较主推的相机接口。视频信号可以通过网络进行长距离传输，且网线价格低廉，即使是不同厂家的硬件和软件，只要符合GigE Vision标准，也可以实现无缝的千兆网连接。

GigE千兆网接口有效带宽为100MB/s，单根网线传输100米的距离；标准的Gigabit Ethernet硬件允许单个/多个相机连接到一台/多台电脑。目前10GigE接口也慢慢成为了快速连接的主流接口。

CameraLink接口是由AIA协会推出的数字图像信号通讯接口协议，是一种串行通讯协议；用LVDS接口标准，该标准速度快、抗干扰能力强、功耗低；协议使用MDR-26针连接器；是在NSM（National Semiconductor 美国国家半导体制造商）的接口协议Channel Link基础上发展而来的。

CameraLink使用28位Channel Link芯片；4个数据流、1个时钟信号，通过5组LVDS线对传输；传输24位图像数据和4位同步视频信号，包括：Frame Valid、Line Valid 、Data Valid、Spare。CameraLink接口大概分为了3种结构配置，分别为Base接口、Medium接口和Full接口。

Base接口：Channel Link芯片数量为1 ，线缆数量为1，数据带宽为 2.04 Gbit/s (255 MB/s)

Medium接口：Channel Link芯片数量为2，线缆数量为2，数据带宽为 4.08 Gbit/s (510 MB/s)

Full接口：Channel Link芯片数量为3，线缆数量为2，数据带宽为5.44Gbit/s (680 MB/s)

CoaXPress (CXP)标准原本是由工业图像处理领域的多家公司共同推出的，目的是开发一种快速的数据接口，并实现对大量数据进行更长距离的传输。CXP 1.0在2011年以新接口标准的身份正式发布。自此之后，这种标准就在工业图像处理领域中占得一席之地。后来更进一步发展，成为CoaXPress 2.0。

采用CoaXPress 1.0/1.1标准的接口所支持的数据率最高可达6.25 Gbps，而CoaXPress 2.0标准的传输速度比它快两倍，最高可达12.5 Gbps。相比其他高效的标准，CoaXPress 2.0的分辨率和帧速率更胜一筹。

工业镜头选型方法

对于工业镜头选型，是一个非常重要和关键的环节。因为工业镜头选型是否合适与好坏直接影响着机器视觉成像质量。下面POMEAS工程师将结合经过多年的实际案例，分享下工业镜头选型方法和计算公式，仅供大家参考。

 

方法/步骤

 

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   首先，要确定工业相机的接口、靶面尺寸和分辨率大小。打比方是2/3" 工业相机，C接口，5百万像素；那么我们可以先确定需要的工业镜头是C接口，最少支持2/3", 5百万像素以上，或者线对在160LP.

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   其次，确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD)，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业镜头的焦距(f)。其计算公式为：

   　　焦距f ＝ WD × 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)

   　　视场FOV ( H or V) ＝ WD × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f

   　　视场FOV( H or V) ＝ 靶面尺寸( H or V) / 光学倍率

   　　工作距离WD = f(焦距）× 靶面尺寸/FOV( H or V)

   　　光学倍率 ＝ 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)

   
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   打比方视野是100*100mm, WD.是500mm; 那么我们先从工作距离确定工业镜头的焦距要在50mm以下（工业镜头的命名方式PMS-5018M, 前面字母表示POMEAS品牌，50表示焦距50mm, 18表示最大光圈值），市场上工业镜头焦距一般是12mm, 16mm, 20mm, 25mm, 35mm, 50mm, 75mm。再结合相机靶面的大小来确定哪个型号，工业镜头的焦距越小，视场角就越大，视野也就相应的更大。

    

   　　如果靶面为2/3" 可以选择35mm焦距的工业镜头；靶面1/2" 则需要25mm焦距的工业镜头，或者更小....以此类推。

   　　在工业镜头选型过程中，为了方便各位朋友计算工业镜头参数，现提供靶面尺寸表供参考。

   　　1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm*高12mm，对角线17mm

   　　1英寸 ——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm

   　　2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm

   　　1/1.8英寸——靶面尺寸为宽7.2mm*高5.4mm，对角线9mm

   　　1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm

   　　1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm

   　　1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm