• Schnittstellen

    Schnittstellen

    Sichere Datenübertragung über längere Strecken

USB 2.0

Schon im Jahr 1996 wurde die USB-Schnittstelle von Intel entwickelt und im Markt als USB 1.0 eingeführt. Die Zielsetzung dabei war, die verschiedenen Schnittstellen des PCs für Peripheriegeräte (Maus, Tastatur, Modem, Drucker, Scanner...) zu vereinheitlichen und zu vereinfachen.  Wegen der maximalen Datenrate von 12 MBit/s war an eine Verwendung in der industriellen Bildverarbeitung nicht zu denken.

Die USB 2.0-Schnittstelle wurde im  Jahr 2000 spezifiziert und kurze Zeit danach in Mainboard-Chipsätze integriert. Seit etlichen Jahren sind standardmäßig an jedem PC mehrere USB-2.0 Ports zu finden. USB 2.0 verspricht dem Anwender eine Datenrate von 480 MBit/s (ca. 40 MByte/s netto), was für viele Applikationen ausreichend ist. Die Spannungsversorgung ist dabei mit in das Kabel integriert. Auch bei industriellen Kameras ist diese Schnittstelle heute fest am Markt etabliert und bedient dort vorwiegend preisgünstige Applikationen.

Im Jahr 2009 wurden bereits erste Chipsätze für die nächste Generation von USB dem Fachpublikum vorgestellt. USB 3.0, das auch SuperSpeed USB genannt wird, soll die Übertragungsgeschwindigkeit auf bis zu 4,8 Gbit/s steigern. Eine breite Markteinführung wird für das Jahr 2010 erwartet. Inwieweit sich USB 3.0 für industrielle Kameras durchsetzen wird, ist heute noch nicht klar. Aufgrund der hohen Datenrate sind trotz aufwändigeren Kabeln (für beide Transferrichtungen je ein separat geschirmtes Adernpaar (Shielded Differential Pair, SDP) sowie eine gemeinsame Abschirmung des gesamten Kabels) noch kürzere Kabellängen zu erwarten.

 

Vorteile von USB 2.0 gegenüber analogen Systemen

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. Alle PCs bieten schon seit dem Jahr 2003 mehrere integrierte USB-Schnittstellen.
  • Extrem preiswerte, standardisierte Kabel- und Stecker-Technik mit integrierter Spannungsversorgung der Kamera. Sie sind deutlich preiswerter als analoge Hirose-Kabel, allerdings im Normalfall nicht verrastbar.

 

Eigenschaften von USB 2.0

  • USB 2.0 bietet eine Bandbreite von 480 MBit/s, was einer effektiven Bilddatenrate von 40MByte/s entspricht. Dies ist genügend Performance, um auch mehrere Kameras mit Standardauflösung oder höher an einem Rechner zu betreiben und mehrere Teile pro Sekunde zu inspizieren.
  • Die Technologie bietet hot plug / hot unplug: Geräte können im laufenden Betrieb angeschlossen und erkannt werden.
  • Integrierte Spannungsversorgung (5VDC) für Geräte im 4-poligen Kabel integriert. Der USB-Spezifikation entsprechende Geräte dürfen insgesamt bis zu 500 mA aus dem Bus beziehen. Geräte mit einer Leistung von bis zu 2,5 W können also über den Bus mitversorgt werden.
  • Laut Spezifikation darf ein USB-Kabel nur 4,5m lang sein. Durch die Verwendung von sehr hochwertigen Kabeln können aber auch hier Längen um die 10m realisiert werden. Müssen größere Strecken überbrückt werden, können Hubs dazwischengeschaltet werden.
  • Die dünnen flexiblen 4-poligen Kabel sind einfach aufgebaut. Neben zwei Adern zur Spannungsversorgung werden noch zwei weitere Adern (D+/ D-) benötigt, die miteinander verdrillt sind. Die Datenübertragung erfolgt stets symmetrisch, die eine überträgt das Datensignal, die andere stets das invertierte Signal. Am Signalempfänger wird die Differenzspannung beider Signale ausgewertet. Der Signal-Pegel wird dadurch zwischen 1- und 0-Pegeln doppelt so groß wird,  können Störungen weitgehend eliminiert werden. USB-Kabel sind dadurch 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.
  • Die Bus-Spezifikation sieht einen zentralen Host-Controller vor, Dieser Master übernimmt die Koordination der angeschlossenen Peripherie-Geräte, die als Slaves bezeichnet werden. Am USB-Bus können theoretisch bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden: Dies erfolgt in Form einer sternförmigen Topologie. Da an einer USB-Buchse immer nur ein USB-Gerät angeschlossen werden kann, müssen Verteiler (Hubs) eingesetzt werden. Bis zu sechs Ebenen tief kann die Netzwerkstruktur geschachtelt werden. Ein Daisy-Chain-Betrieb wie bei FireWire ist nicht erlaubt.
  • Praxis-Erfahrungen mit USB-Kamerasystemen in industriellen Anlagen zeigen jedoch, dass beim Betrieb mehrerer Kameras, die zeitgleich Bilder aufnehmen und versenden, es zu  Störungen oder Probleme mit Gesamtkabellängen etc. auftreten können. Zwar kann einer USB-Kamera am Bus eine gewisse Bandbreite exklusiv zugewiesen und garantiert werden. Diese steht dann allerdings weiteren angeschlossenen Geräten nicht mehr zur Verfügung. Für echte Multikamerasysteme schließen Sie daher im Idealfall nur eine Kamera an einen USB-Bus an. Zusätzliche USB-Einsteckkarten sind preiswert und schnell nachgerüstet.

 

Nachteile von USB

  • Durch das Master-Slave-Konzept des USB-Busses ist die Kamera immer ein Slave-Device und der Host-PC ist das Master-Device, der den Datenverkehr auf dem Bus kontrollieren muss. Bei getriggertem Betrieb der Kamera muss der Rechner Bilder anfordern, was zu Performance-Problemen bei mehreren angeschlossenen Kameras mit synchroner Bilderfassung führt.
  • Kabel und Stecker sind wenig industriell. Schleppketten- und Robotertaugliche Kabel sind kaum zu erhalten. Die erreichbaren Kabellängen von 5 bis 10m ohne Repeater sind bei größeren Anlagen oftmals nicht ausreichend.
  • USB als Standard definiert den Datenverkehr, Stecker, Signalpegel etc. unterstützt aber nicht nativ ein standardisiertes, herstellerübergreifendes Protokoll zur Bildübertragung und Steuerung der Kamera. Es müssen also immer proprietäre USB-Kameratreiber installiert werden, die den Anwender an einen Hardware-Lieferanten binden.

 

Fazit:
Mit USB 2.0 steht dem Anwender eine praktische Schnittstelle zur Verfügung, die für einfache Anwendungen mit nicht zu vielen Kameras die preiswerteste Lösung zur nicht standardisierten Bildübertragung darstellt. Leider ist diese nicht standardisiert, so dass jeder Hersteller seine eigenen USB-Treiber benötigt. Ideal für den Betrieb an Laptop, PC und Embedded Devices (wie z.B. Raspberry Pie Gen.3), weniger für raue industrielle Umgebungen oder komplexe Applikationen mit vielen Kameras. Die Kabellängen sind limitiert.
Moderne Kameras werden zunehmend auf Basis des USB3-Interfaces entwickelt, die meistens als USB3 Vision-Geräte verfügbar und damit kompatibel zu vielen Kameras anderer Hersteller sind.

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