10GigE:高带宽易实施的明智选择
随着机器视觉应用的发展,行业需求越来越集中于在保证图像质量和传输稳定的前提下,尽可能地提升带宽,保证高分辨率图像的高帧率传输,各类不同协议的数据接口也随之诞生……

随着机器视觉应用的发展,行业需求越来越集中于在保证图像质量和传输稳定的前提下,尽可能地提升带宽,保证高分辨率图像的高帧率传输。各类不同协议的数据接口也随之诞生,从早期的GigE Vision,到后来的Camera Link、USB 3 Vision,以及时下火热的CoaXPress等。


然而,目前的高带宽接口Camera Link和CoaXPress均有自身的限制,如Camera Link线缆较重,传输距离限制只有10m(80-bit更是只有4m),带宽上限不够高;CoaXPress有多种版本(CXP-1/3/6/12),带宽越高则传输距离越短,超高带宽需要采用多条线缆;两种接口都需要搭配昂贵的采集卡和非标准的软件进行取流,相对来说使用难度比较高,兼容性比较差。因此,高性价比、低复杂度的10GigE也越来越受欢迎。


万兆网相机因其本身具备高带宽以及长距离传输、低架设复杂度、低成本等多种优势,通过更换网卡网线便可由千兆网环境进行升级,操作十分便捷。
本白皮书介绍了万兆网基本概念及其技术特点和优势,并且包含万兆网相机的选型和配件的配置,以及在不同行业中的应用。


1. 主流接口的对比
在工业相机领域中,GigE凭借着100m(无中继,典型电口)的远传输距离和1Gbps带宽、PoE供电等优势,成为高性价比的接口,并连续多年市场占有率达到65%以上,是目前主流的接口之一。自2002年IEEE通过了802.3ae,便出现了带宽为10Gbit/s的以太网,称之为万兆以太网。
 
      图1-1 各数据接口在不同年份的市场份额


相较于Camera Link、CoaXPress等高带宽协议来说,万兆网同样具备无可比拟的优势。Camera Link接口本身的带宽高于GigE,然而顶配模式80-bit带宽也仅为6.8Gbps,且由于线缆较粗,重量较大,长度上限10m,在远距离传输场景中较为受限。CoaXPress能够具备更高的带宽,新版本的CXP-12的单条线缆能够提供12Gbps的传输速度,但相应的传输距离也在30m左右,是兼具高速率和长距离的“优等生”[1]。
 
       图1-2 不同数据接口之间的带宽和传输距离


然而,Camera Link和CoaXPress的采集卡和线缆的价格相较万兆网卡和网线来说,都要更高;此外,Camera Link相机由于其取流需要通过采集卡的SDK,而市面上的采集卡种类较多,相应SDK也不同。如果普通相机图像采集软件集成所有采集卡的SDK,则会造成软件安装包体积过大。因此,大部分标准相机取流软件都无法直接兼容Camera Link相机,需要与采集卡相匹配的软件进行取流。例如,当前版本的MVS(V3.3.0)无法直接取流Camera Link接口相机(通过加载采集卡厂商提供的CTI文件才可以取流),只能进行参数设置等。


与之相比,万兆网相机的优势则在于更远的传输距离、更便捷的安装、更低的成本、更高(较Camera Link)的带宽以及兼容性更好的协议,是超高性价比的高带宽接口。在一些需要高分辨率、高帧率、远距离的场景应用中,万兆网相机则是高性价比的选择。


2. 万兆网的基本概念
1)网络的简要传输原理
网络传输是需要基于各种协议的,而互联网的五层模型当中的每一层都定义了很多协议,这些协议的总称,称之为“互联网协议”,是互联网的核心内容。
遵照以太网的协议要求,图像数据是以数据包的形式进行传输,也称为帧(Frame)。每一帧均分为两个部分:标头(Head)和数据(Data)。其中,标头包含数据包的一些说明项,比如发送者,接受者,数据类型等;数据则是数据包的具体内容。
 
         图2-1 帧的组成


IP协议规定了网络地址。目前工业场景及机器视觉行业广泛采用的是IPV4。其规定了IP地址,子网掩码以及网关。在进行IP到IP之间的数据传输时,若不在同一子网络,则会先把数据包发送给网关,本网关再找另一IP所在网关;如果在同一子网络下,则可以基于TCP、UDP等方式进行同网段内数据传送[4]。

 
2)电口和光口
万兆网分为光口和电口两种形态,分别具备不同的优势和限制,如电口的连接与使用更为简易,普及度更高;而光口则需要配合光纤/光缆使用,才可以进行超远距离传输。
电口
电缆中会将数据包转化成电脉冲的形式进行传输,其内部的电压是在高低状态之间进行变化的。如二进制中的1通过是正电压来传输,0则是通过产生一个负电压来进行传输。如此数字化服务可以比传统的模拟服务提供更高的可靠性。
 
  图2-2 电口示意图


网络电缆的内部线路之间存在电流,并且会产生干扰。在网络信号传输的过程中,线缆本身电阻的影响传输距离的主要因素。理论上,网络信号传输在100米后会出现明显的衰减。此外,限制传输距离的目的也是为了减少外界对网线的干扰,影响网络的传输稳定性。


此外,由于不同材质电缆的电阻值也不尽相同,因此,其传输距离上限也有不同。如常见的铝铁丝电阻高,传输距离大约为60-70米;而铜包银线的电阻小,传输距离可达180米。但在实际使用过程当中,还会跟材质的抗氧化性相结合,目前常用的是厌氧铜芯导线,其传输距离大约为150米(以上均为理论距离),且抗氧化性高。


由于导体的电阻会受到其横截面积的影响,导体横截面积越大,其电阻越小。如超5类网络导线的尺寸约为0.45-0.51mm,6类网络导线尺寸约为0.52-0.58mm。目前千兆网线中整体性能更优的是6类线的改进版,超6类线,在传输频率上与6类网线一样,只是在串扰、衰减和信噪比等方便有较大改善。


7类线(CAT7)是属于ISO 7类/F级标准中新的一种双绞线,旨在更好地适应万兆以太网技术的发展及实际应用,且线缆升级成为屏蔽类的双绞线,传输速率可达10Gbps。在7类线缆中,每一对线都有一个屏蔽层,四对线合在一起还有一个公共大屏蔽层。从物理结构上来看,屏蔽层使整条线缆有一个较大的线径[5]。


光口
光纤接口是以光作为信息的承载介质,使用光纤线缆,原理是利用光从光密介质进入光疏介质从而发生了全反射,接口通常有SC、ST、FC、LC等几种类型。不同的光纤模块可以提供不同的传输速率和传输距离上限。
 
图2-3 光口示意图[1]


就目前来说,光口的传输速率在不断提高,从早期的100Mbps到后来的1.25Gbps、10Gbps、40Gbps,到现在的100Gbps;传输距离范围也提升至1-120km左右,是超远距离和超高速率传输的代表[6]。


目前,机器视觉行业中不断有光口产品推出,同样也有相关的产品布局计划,相信在不久的将来,随着光纤网络技术的成熟和稳定,光口产品也会逐渐普及。


3. 万兆网的技术特点
1)高传输效率
GigE Vision定义了主机如何发现、控制千兆以太网相机以及从一个或多个GigE相机采集图像。同样,10GigE的标准也充分吸收了GigE Vision的几个优点:
(1)采用超6类或7类双绞线,成本低,无中继就可以传输100m,传输带宽高达1280MByte/s
(2)网络化。组建一个网络,可以从多个相机采集图像,所有相机共享同一个带宽;
(3)支持巨帧模式。GigE Vision相机几乎都支持巨帧模式,运行数据包大小为9014个字节,传输大容量数据包效率高[2];


GigE Vision也是万兆网的基础协议,是由AIA制定的通信协议,可在机器视觉领域通过以太网接口实现图像数据的高速传输。同时,GigE Vision标准是基于UDP协议,与普通网络协议的不同点在于应用层协议。GigE Vision的应用层协议采用GVCP(控制协议)来对相机进行配置;采用GVSP(流传输协议)来实现数据流的传输[3]。
因此,为了能够保证传输效率,各类图像采集软件(如MVS)的实现就是基于这两种协议。其主要由四部分构成:
● 基于UDP协议的GigE Vision控制协议:其定义了如何对相机进行控制和组态。规定了相机和PC之间发送图像及配置数据的流通道和机制;
● GigE Vision流控制协议:其定义了传输的数据类型,确定了通过GigE传输图像的方式;
 
                              图3-1 PAUSE帧流控机制


● GigE设备发现机制:该机制提供了获取IP地址的方法;
● 基于GenICam标准的XML描述文件:该数据表单提供了相机控制和图像数据流访问的权限;
 
                      图3-2 GenICam标准运作原理[1]


2)高传输稳定性
GigE Vision会通过GVCP和GVSP两种协议来规避传输风险。其中,GVCP允许应用程序配置和控制GigE相机,应用程序使用UDP协议发送命令,设备响应后,则继续发送下一命令,该机制弥补了UDP协议的面向无连接缺点,保证了数据传输的完整性和可靠性。


GVSP协议则定义了GVSP发射机如何将图像数据和状态等信息发送给GVSP接收机,发射机和接收机则以GVSP数据包的形式进行传输。GVSP的可靠性在于重传机制,而重传机制则是通过GVCP协议发送命令。


此外,GigE Vision还具备心跳包侦测,以及前面提到过的流控协议、丢包重传等数据保护机制,能够全方位地规避网络丢包问题,保证传输的稳定性,同时进一步提升了万兆网方案的易用性。


3)精准时钟协议
在机器视觉的应用场景中,许多情况下都会需要应用多台相机同时进行抓拍,如大型同步场景等。一般来说,只能通过硬触发给多个相机信号进行同步抓拍,或者通过客户端软件进行软触发。


然而硬件方案一般来说都具备较高的布线复杂度,还需要借助其他设备给予信号,但存在微妙级的信号延时(上升沿为几微秒,下降沿则为数十微秒),对于同步性要求极高的应用不适用;普通软件触发方案理论上是基于NTP(网络时间协议)对多台相机按顺序进行触发,信号延时可达毫秒级别(LAN上小于1毫秒,WAN上几十毫秒),同步性较硬件方案更差。


基于网络协议的IEEE1588的精准时钟协议(即PTP)的开发,则确保了多相机联网的可行性,高同步性的多相机方案得以实现。
PTP(Precision Time Protocol)是一种时间同步的协议,用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步(也可被借用于相机等设备之间的拍摄频率同步)。PTP可以以纯软件的方式实现,也可以用能够提供更高精度的时间同步的专门的硬件实现[7]。
 
                   图3-3 PTP架设示意图


PTP同步的基本原理:主时钟和从时钟之间交互同步报文并记录报文的收发时间,通过计算报文往返的时间差来计算主、从时钟之间的往返总延时;若往返两个方向的传输延时相同,则往返总延时的一半就是单向延时,这个单向延时便是主、从时钟之间的时钟偏差。从时钟便可以按照该偏差来调整本地时间,就可以实现其与主时钟的同步[8]。
太网接口工业相机均支持PTP功能, 且MVS客户端、SDK均可提供PTP服务,通过给予同网段内的多台网口相机软触发信号,来实现多相机的同步拍摄应用。


4. 万兆网的优势
1)高数据带宽
目前主流接口当中, GigE是1Gbps,USB 3.0为3.2Gbps,Camera Link为6.8Gbps(80-bit),10GigE为10Gbps,CXP-6为25Gbps(4link)。其中,万兆网的带宽仅次于CoaXPress接口,是高数据带宽的代表接口之一[1]。
 
     图4-1GigE、10GigE接口带宽
 
        图4-2 USB 3.0接口带宽
 
       图4-3 Camera Link接口带宽
 
         图4-4 CoaXPress接口带宽
 
2)性价比高
我们可以对比在不同接口的方案下的1G带宽成本。
 
                                                图4-5 不同接口下的1G带宽成本


单纯从成本价格上来看,U3V与10GigE均具备高性价比优势。然而,U3V的传输距离受限较大,标准无源铜缆仅为3-5m,有源铜缆也只能达到8m左右的距离;此外,U3V由于缺少重发包等数据保护机制,面对丢帧等问题无法进行数据补救。
因此,在面对复杂的视觉应用场景时,U3V往往显得有些力不从心。而10GigE的高数据带宽、100m的长传输距离,高性价比、以及优异的数据保护机制能够保证万兆网系列相机更稳定地运行。
 
3)易实施、易开发
众所周知,以太网协议具备高兼容性,可通过更换网卡和网线便能从GigE轻易地升级为10倍带宽的10GigE,操作难度低,架设复杂度低,能够适应100m内的远距离传输场景;且高带宽配件可向下兼容GigE设备。此外,10GigE还具备易开发的特性,能够基于GigE Vision协议可直接做数据迁移,方案成熟稳定,可利旧。


4)可获得性强
相较于CoaXPress和Camera Link线缆、采集卡等配件的高厂商品牌强限制性(往往可选择性只有寥寥数家),以太网相关配件在全球范围内均具备较高的普及性,市面上供货商可选择性很多,用户可根据使用喜好以及配置需求等进行选择。
同时,得益于以太网配件的易得性,其价格同样要比CoaXPress、Camera Link等低许多,是更多用户的选择。


5. 万兆网方案
作为千兆网的升级,万兆网并非简单地将千兆网的带宽和传输速率提高到10倍,其还需要囊括可拓展性,灵活性、易于安装、稳定性强等多种特性,同时也具备了GigE Vision的各种优势与限制。


但不论如何,万兆网相机仍然是高带宽接口相机中的热门选择。相较于时下其他高带宽接口来说,万兆网系统的线缆、采集卡的价格更低,易得程度也比较高,且市面上软件的兼容度也很高,易用性强,十分适用于机器视觉的各类应用。


万兆网相机有12MP、25MP、31MP和65MP等分辨率选项,在万兆网的10GigE的带宽下,其帧率分别能达到68fps、40fps、17fps(31MP sensor限制帧率)以及18fps。仅仅使用一根网线,万兆网方案便能达到超过Camera Link的带宽和帧率,是便捷性和性价比的优异体现。
除了相机之外,万兆网方案还需配搭万兆网线缆、万兆网卡、以及较高的主机配置。可以提供3m和5m等不同长度的万兆网线缆,单口或双口万兆网卡,以及IPC系列工控机,能够保证万兆网相机的稳定运行。
 
                图5-1 相机连接网卡示意图


相对来说,万兆网方案对于工控机的内存环境要求比较高,且数量越多,对内存要求有明显提高。单口万兆网相机一般至少需要在双通/1600Mhz内存下才能正常运行,但内存不够的话仍然无法进行其他相机取流等操作,否则长时间运行下会有丢包风险;推荐双通/1600Mhz 16G的内存配置,稳定性会有显著提升。
双口万兆网卡同时运行则推荐内存提升至64G,搭配推荐的双口万兆网采集卡,可以保证稳定运行。
因此,在进行万兆网方案布设和选型的时候,需要尤其注意相关内存要求。
 
6. 配件选型
万兆网选型中,分为单相机方案和双相机方案。
当前已发布的有MV-CH120-10TM/C、MV-CH250-25TM、MV-CH250-20TC两种不同分辨率和色彩选项,共4款相机可选。后续还计划发布31MP和65MP两款分辨率相机。
以下为产品配单表,万兆网方案比较需要注意的是单相机方案需要配置2个8G的内存条,内存为16G;而双相机需要8个,总内存为64G。


                                                                      表6-1 产品配单表
 
7. 安装及配置
在确认好主机配置以后,还需要进行安装和软件调试,才能使用万兆网相机。
一般来说,工控机都不会自带万兆网卡,因此需要工控机具备PCI-E x16卡槽,可支持另外外接采集卡。
工控机系统开启后,确认相机上电,且指示灯蓝色常亮,安装MVS软件,并进行以下三步操作:
 
图7-1相机指示灯位置示意图


① 打开开始-程序-MVS目录下的“NIC_Configurator”,将巨型包启用。此动作可以减少PC端网络中数据包的个数,减轻了网络设备处理包头的额外开销,能够大幅减少重发包、丢包的几率和数量。
 


          图7-2 巨帧包启用


②  打开MVS软件,在属性树中,找到传输层控制Transport Layer Control,并在其分支中找到GEV PAUSE Frame Reception,并将其使能。此动作将会开启流控机制,优化网卡端的发包顺序,能够大幅减少重发包、丢包的几率和数量。
 

 
    图7-3 PAUSE帧开启


③  同样在Transport Layer Control中,找到GEV SCPS Packet Size(B),并将其数字改为8164。此动作将会增加相机的包大小,同样可以减少重发包、丢包的几率和数量。
 
               图7-3 设置SCPS


8. 应用场景
如今,在众多检测行业的应用领域中,万兆网相机都是不可缺席的一员。凭借着高带宽、远距离传输以及低复杂度的架设环境的优势,万兆网方案在光伏和PCB相关应用上可以大展手脚。
1)光伏
自20世纪70年代全球爆发石油危机以来,太阳能光伏发电技术在西方发达国家就引起了高度重视,光伏行业在全球范围内得到了迅猛的发展。而中国则是全球较大大的市场,累计装机量为205.7GW,约是欧盟和北美的总和。
光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节,上游为硅料、硅片环节;中游为电池片、电池组件环节;下游为应用系统环节。从全球范围来看,产业链5个环节所涉及企业数量依次大幅增加,光伏市场产业链呈金字塔结构。
太阳能组件主要有电池片、互联网、汇流条、钢化玻璃、EVA、背板、钛合金、硅胶、接线盒这九大核心组成部分。其中,电池片的工艺流程可分为硅片预检、制绒、扩散制结、等离子刻蚀、去磷硅玻璃(PSG)、镀膜(PECVD)、丝网印刷、烧结、测试分选等。
 
          图8-1 太阳能电池片


在这些环节中,均可采用视觉技术进行外观缺陷、划痕等检测。25MP万兆网相机凭借40fps的帧率,满足缺陷检测的高速高分辨率的需求,能够很好地排查出太阳能电池表面的断栅、缺角、色差、脏污、裂纹等缺陷,可以提高太阳能电池片的生产效率。


2)SMT AOI
在3C电子领域中,涉及到机器视觉的应用包括机身外壳加工检测、面板检测、SMT等。其中SMT是PCB制造工艺流程中重要的一环,保证SMT的流程正常进行是PCB AOI高效运行的前提。
随着电子产品不断追求小型化,从前使用的穿孔插件元件已无法缩小。尤其是当下功能更加完整、复杂的电子产品,其具备大规模、高度集成的电路,需要采用表面贴装技术(SMT)来进行贴片。