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    Schnittstellen

    Sichere Datenübertragung über längere Strecken

FireWire IEEE 1394 a/b

FireWire, auch bekannt als i.Link oder IEEE 1394, ist ein von Apple entwickeltes serielles Bussystem als Nachfolger für den SCSII-Bus. Der lange Zeit nur auf Macintosh-Computern von Apple zu findende Markenname FireWire wurde erst mit der Einführung der i.Link-Schnittstelle von Sony als Teil des IEEE 1394a Standards für Consumerprodukte, wie Camcorder populär.  Dieser im Jahr 2000 eingeführte Standard 1394a ermöglicht  einen schnellen Datenaustausch zwischen Computer und Multimedia- oder anderen Peripheriegeräte. FireWire stand mehrere Jahre im Wettbewerb zum weit verbreiteten USB 2.0-Bus, konnte jedoch schon einige Jahre früher bis zu 400 MBit/s Datenrate aufweisen.

Moderne BV-Systeme werden heute jedoch bei ähnlichen Rahmenbedingungen mit Hilfe von GigE-Vision-oder USB 3.x Kameras umgesetzt.

 

Vorteile von FireWire IEEE 1394a/b gegenüber analogen Systeme

WireWire wie USB 2.0 sind die letzten Jahre über eine Konkurrenz und Bereicherung besonders zur analogen Bildschnittstelle geworden.

Vorteile:

  • Die digitale Bildübertragung bietet eine verlustfreie Signalübertragung und damit ein besseres Bild als die analoge Signalübertragung.
  • Wegfall der kostspieligen Frame Grabber-Karte. Viele PCs bieten schon eine integrierte FireWire-Schnittstelle. (Trotzdem wird empfohlen, für BV-Systeme eine IEEE 1394-PCI-Karte zu verwenden, die allerdings sehr preiswert im Vergleich zum Frame Grabber ist).
  • Preiswerte, standardisierte Kabel- und Stecker-Technik. Selbst hochwertige, robuste FireWire-Kabel mit verrastbaren Steckern sind deutlich preiswerter als analoge Hirose-Kabel (von einfachen analogen Koaxial-Kabeln einmal abgesehen...)
  • Hot plug, peer-to-peer-Kommunikation, integrierte Spannungsversorgung im Kabel sorgen für ein ausgereiftes Betreiben auch von mehreren Kameras am Bus.

 

Eigenschaften von FireWire 400 - IEEE 1394

  • 100, 200 oder 400 Mbit/s Übertragungsbandbreite (12, 25 oder 50 Megabyte pro Sekunde brutto), im Kamerabetrieb können somit netto ca. 38 MByte pro Sekunde Bilddaten transportiert werden.
  • Die Technologie bietet hot plug / hot unplug: Geräte können im laufenden Betrieb angeschlossen und erkannt werden.
  • Integrierte Spannungsversorgung (8 bis 33 VDC, 1,5 A, max. 48 W) für Geräte im 6-poligen Kabel integriert. Firewire-400 verwendet 6-polige Kabel, vier Datenleitungen und zwei Leitungen für Bus-Power. Die 4-polige Variante ("i.Link" von Sony) liefert keine Spannungsversorgung und wird für industrielle BV-Kameras eigentlich nicht verwendet.
  • Die dünnen flexiblen 6-poligen Kabel sind Shielded Twisted Pair (STP), recht störsicher, dünn im Querschnitt und leicht in der industriellen Umgebung verlegbar.
  • Eine Datenübertragung ist in beide Richtungen möglich: eine Kamerasteuerung, Triggern, Parametrisierung ist ebenso im laufenden Betrieb möglich.
  • Offiziell spezifiziert sind 4,5 m max. Entfernung zwischen zwei Geräten (bei 400 Mbit/s), allerdings können dies in der Praxis auch Strecken bis zu maximal 10m sein. Begrenzt man die Geschwindigkeit auf 200 MBit/s, können maximal 14m überbrückt werden. Die maximale Übertragungslänge ist stark abhängig von der Qualität der integrierten Busbausteine in Kamera und PC und der Qualität des Kabels.
  • Längere Strecken erfordern Inline-Repeater oder FireWire-Hubs, die dazwischen geschaltet werden.
  • Theoretisch können an einem Bus bis zu 63 Geräte betrieben werden, von denen 16 Geräte Kameras sein können. Mit dem Begriff "daisy chain" wird ein Verkabelungs-Schema bezeichnet, bei dem ein Gerät mit dem nächsten nacheinander verbunden wird; also z.B. von A nach B, von B nach C und von C nach D. IEEE-1394-Geräte haben in der Regel zwei Anschlüsse, so dass die hier angesprochene Verkettung realisiert werden kann. Kabellängen können so maximiert werden.
  • Praxis-Erfahrungen mit IEEE-Kamerasystemen in industriellen Anlagen zeigen jedoch, dass bis zu 3 Kameras an einem Bus jederzeit stabil und vernünftig funktionieren, darüber hinaus aber Störungen, Probleme mit Gesamtkabellängen etc. auftreten können. Setzen Sie daher lieber eine oder mehrere Dual-FireWire-Karten ein, wenn Sie mehr Kameras vor allem synchron und mit hoher Last betreiben wollen.

 

Eigenschaften von FireWire 800 - IEEE 1394b

  • Durch eine andere Signalkodierung und Signalpegel können l800 Mbit/s Übertragungsbandbreite (100 Megabyte pro Sekunde) erreicht werden, im Kamerabetrieb können somit netto ca. 75 MByte pro Sekunde Bilddaten transportiert werden.
  • Das Kabel wurde verändert und ist nun neunadrig und hat neue Stecker, allerdings ist eine Abwärtskompatibilität zu 1394a durch bilinguale Controller-Chips ermöglicht worden. An einer FireWire-134b-Schnittstelle lassen sich daher mit geeigneten Adapter-Kabeln auch FireWire-a-Geräte betreiben.
  • FireWire-1394b erlaubt den Einsatz verschiedener Kabelmaterialien, wie z.B. auch Glasfaser. Damit sind Kabellängen bis zu 100m kein Problem mehr. Moderne Kameraanbieter  bieten dazu passende Kameras an, die nicht nur Kupferkabel, sondern auch Glasfaser-Kabel anschließen können.
  • Der Nachfolger IEEE-1394b ist mit einer effektiven Netto-Bildübertragungsbandbreite von ca. 75 MByte/s deutlich schneller als USB 2.0 (ca. 40 MByte/s netto).

 

Der DCAM-Standard und IIDC

DCAM steht für „1394-based Digital Camera Specification“ und spezifiziert das Verhalten von 1394-Devices mit unkomprimierter Bilddatenübertragung (ohne Audio). Der DCAM-Standard wird nur von Geräten unterstützt, die eine FireWire (IEEE-1394) Schnittstelle bieten. Die dafür zuständige Arbeitsgruppe ist die IIDC (Instrumentation and Industrial Control Working Group), daher wird der Standard in neueren Spezifikationen IIDC genannt. In der Regel sind dies FireWire-Kameras mit industriellen Eigenschaften, wie sie für Inspektionsanwendungen verwendet werden. Im DCAM-Standard sind auch die Standard-Auflösungen und Bildwiederholraten der Kameras in verschiedenen Formaten festgelegt. Eine besondere Rolle für die industriellen Kameras ist jedoch das "Format 7", das beliebige Auflösungen und Frameraten erlaubt.
Der Standard definiert aber nicht nur die Struktur des von der Kamera erzeugten Bild-Datenstroms, sondern auch die grundsätzliche Parametrierung der Kamera (also z.B. Belichtungszeit, Gain, Weißabgleich, usw.) und wie die Kamera mitteilt, wie dieser zu parametrisieren ist.

Für die Kommunikation mit einer DCAM-Kamera muss der Rechner DCAM unterstützen. Dazu benötigt das Betriebssystem einen DCAM-Treiber, der bereits in Windows 2000, XP und Vista enthalten ist. Er unterstützt allerdings nur die wichtigsten Kamera-Parameter.
Hier helfen wiederum spezielle Treiber der einzelnen Kamera-Hersteller, die natürlich interessiert sind, sich durch spezielle Kamera-Features (LUT, Shading Korrektur, spezielle Triggermodi etc.) von der Konkurrenz abzuheben. Durch den Einsatz dieser Treiber wird erst der volle Funktionsumfang und Performance der Hardware ansprechbar, allerdings ist ab diesem Augenblick das das Kamerasystem proprietär und an bestimmte Hersteller gebunden. Abhilfe kann hier  hier der Gigabit Ethernet/ GenICam-Standard schaffen.

 

Fazit:
Heute sind moderne Kamera-Familien auf Basis von FireWire a/b erhältlich, die viele Anwendungsgebiete von 0,3 bis 16 Megapixel, monochrom oder Farbe, CCD oder CMOS abdecken können. Trotz DCAM/IIDC-Standard sind leider Kameras verschiedener Hersteller nicht wirklich untereinander 100% Plug & Play, spezielle Features sind nur in Hersteller-spezifischen Treibern abgebildet. Ohne die Verwendung von Glasfaser-Übertragung sind auch hier die Kabellängen limitiert.
Neue Kameramodelle werden nicht mehr für diese Schnittstelle entwickelt, Kameras mit GigE Vision oder USB3 Vision Interface ersetzen zunehmend diese Geräte.

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