在机器视觉应用中使用USB 3.0

　　近期，世界最大的机器视觉行业展会VISION迎来了25周年庆典，共吸引32个国家的372家展商，展商数量创下历史新高。在图像传感器技术的不断进步的推动下，机器视觉行业蓬勃发展，不断深入到工业、医疗、监视、科研、制造等众多应用中。

　　机器视觉摄像头使用的现有接口标准，包括千兆位以太网、IEEE 1394b和 Camera Link，都具备独到的功能，但由于带宽、尺寸、成本和功耗方面的取舍，都不能提供一种完全通用的解决方案。虽然计算和消费类产品市场上最普遍使用的通用接口标准USB 2.0也在机器视觉市场上占有一席之地，但从带宽的角度衡量，它远远落后于其它标准。然而，USB 3.0的问世改变了这一切。

　　本文将探讨在机器视觉应用中使用USB 3.0的优势，以及构建基于USB 3.0的摄像头应注意的主要设计考虑事项。

　　USB 3.0的优势

　　♦ 相对USB 2.0、IEEE 1394b和GigE，带宽更高
　　♦ 用一根线缆传输电力和数据
　　♦ 实现成本低于Camera Link
　　♦ 即插即用，相对千兆位以太网更易于设置
　　♦ 已作为USB3Vision标准被国际自动成像协会(AIA)采用

　　提高带宽

　　今天的机器视觉设计人员面临的主要挑战之一就是满足图像传感器分辨率和帧速不断提升带来的不断增大的数据速率需求。设计人员竭尽全力在接口标准提供的有限带宽中实现所需的帧尺寸和帧速。以使用千兆位以太网的机器视觉摄像头设计为例，由于可用带宽的限制，分辨率限制在VGA水平，帧速不超过120fps。如果使用5百万像素的传感器，帧速就要降到可怜的5-10 fps。

　　某些系统使用压缩来克服带宽不足问题，以便用速度较慢的接口传输分辨率较高、帧速较大的数据。但是压缩并非首选方案，对机器视觉应用来说尤为如此。它存在着两大缺陷：画质和设计尺寸。现代压缩算法就是通过从图像中逐步删除细节来达到要求的比特率。在消费类应用中，即便丢失大部分细节也不会被人眼察觉，然而机器视觉应用则不同，机器视觉系统采集的图像要经精确计算处理，用于图像分析。因此采集到、保留每比特图像细节的原始数据至关重要。此外，微型化已经成为机器视觉产品的主流。大多数机器视觉摄像头采用超紧凑的“冰块”外形，还不到1立方英寸大小。但是要支持压缩就需要更多的硬件，比如用于编码的FPGA、用于帧缓存的更多存储器，这样会增大PCB占位面积和最终产品尺寸。另外采用更多压缩用组件会增加系统的材料清单成本(BOM)，让设计变得更加复杂，造成工程工作和设计时间明显增加。

　　采用USB 3.0，设计人员现在有更多带宽可供使用。USB 3.0可提供5Gbps的数据速率，相对USB 2.0的480 Mbps提高近10倍。在8b/10b编码后，USB 3.0可为数据提供4Gbps的可用带宽。USB 3.0传承USB 2.0的批量传输和同步传输机制，分别保证数据交付和带宽需求。就同步传输而言，USB 3.0有明显的升级。USB 3.0的同步传输速率为384 MB/s，相比USB 2.0的24 MB/s，提升了16倍。依赖于实时数据的应用可从这项改进中大受裨益。

　　USB 3.0提供有更高可用带宽，因此无需压缩就能传输质量无损的高分辨率、高帧速视频内容。这样USB 3.0不会影响画质，有助于推动机器视觉摄像头的微型化。图1显示了USB 3.0提供的可用带宽与机器视觉摄像头中使用的其它接口标准提供的可用带宽的对比情况。USB 3.0的数据速率达到5 Gbps，能支持更大范围的帧大小和帧速，从而成为一种支持众多不同应用的更具通用性的技术。

　　机器视觉质量和消费者成本

　　实现USB 3.0机器视觉系统的总体系统成本远远低于使用千兆位以太网、IEEE 1394b，尤其是Camera Link实现的系统的成本。由于消费者对USB 3.0的追捧，这个成本还在不断下降。如今出售的PC机中，有90%内置有USB 3.0，消费者无需为之支付额外费用。USB 3.0连接器和线缆等组件一应俱全。此外USB 3.0还能提供4.5W的电源，足以为机器视觉摄像头供电，无需额外电源。