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   陳文吉




    摘  要：所有的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)設(shè)備都需要依賴圖像數(shù)據(jù)傳輸與電源供應(yīng)，而且大多數(shù)的工業(yè)相機(jī)都需要使用兩條纜線，一條用于傳輸數(shù)據(jù)，另一條則是電源線，這意味著使用者必須多花一倍安裝與維護(hù)纜線的成本，同時(shí)纜線故障的機(jī)率也增加一倍。隨著工業(yè)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)從模擬跨入數(shù)字相機(jī)后，如何通過(guò)“Power over Cable”供電型接口簡(jiǎn)化安裝、節(jié)省空間以及降低成本，成為工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中最新的話題。

    關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；線纜供電；圖像采集

    Abstract: All industrial vision appliances require both image data and a power supply, and most of the industrial cameras require two cables—one for image data transmission and the other for power. Two cables mean double the installing and maintaining wiring cost, and two times the opportunity for failure.

     In the early years, analog cameras almost dominated the industrial vision market; however one of the shortcomings associated with analog cameras is electromagnetic interference, or EMI. Although analog cameras use a shielded coaxial cable for signal transport, EMI can still adversely affect the 1 volt, peak-to-peak video signal contained within it. Thus, the combination of power, and image data into a single cable was not the mainstream. Technological advances such at the introduction of digital camera standards that use Camera Link, ireWire, and Gigabit Ethernet eliminate this issue as data transmission in digital camera exists in only two voltage states, and therefore is not as susceptible to EMI as analog is. After the move from analog to digital cameras, the focus in the industrial vision market became simplifying installations, reducing space, and reducing costs.

    Key words: Vision; Power On Cable; Frame Grabber

    所有的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)設(shè)備都需要依賴圖像數(shù)據(jù)傳輸與電源供應(yīng)，而且大多數(shù)的工業(yè)相機(jī)都需要使用兩條纜線，一條用于傳輸數(shù)據(jù)，另一條則是電源線，這意味著使用者必須多花一倍安裝與維護(hù)纜線的成本，同時(shí)纜線故障的機(jī)率也增加一倍。隨著工業(yè)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)從模擬跨入數(shù)字相機(jī)后，如何通過(guò)“Power over Cable”供電型接口簡(jiǎn)化安裝、節(jié)省空間以及降低成本，成為工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中最新的話題。

    1 滿足客戶需求

    早期的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)幾乎都是由模擬相機(jī)主宰，但模擬相機(jī)有一項(xiàng)缺點(diǎn)，就是電磁干擾，或稱 EMI，這是因?yàn)槟M相機(jī)雖然是使用屏蔽的銅軸線纜提供信號(hào)傳輸，但 EMI 仍可能會(huì)對(duì)其中包含的1伏特峰對(duì)峰（peak-to-peak）視頻信號(hào)造成影響，而此時(shí)將電源與圖像數(shù)據(jù)結(jié)合成單一纜線的解決方案也不普及。不過(guò)，隨著科技的不斷進(jìn)步，使用 Camera Link、FireWire 以及 Gigabit 以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字相機(jī)紛紛問(wèn)世，上述問(wèn)題皆已迎刃而解。由于數(shù)字相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸僅存在于兩種電壓狀態(tài)中，因此不會(huì)像模擬相機(jī)一樣會(huì)受到 EMI的影響。因此當(dāng)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用從模擬跨入數(shù)字相機(jī)后，其焦點(diǎn)即開始轉(zhuǎn)向如何簡(jiǎn)化安裝、節(jié)省空間以及降低成本。

     2 “Power over Cable”供電型接口

     通過(guò)整合信號(hào)線及電源線成為單一纜線已經(jīng)是各種數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的共同趨勢(shì)。

    2.1 PoCL（Power over Camera Link?，供電型Camera Link?）

    Camera Link? 是針對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的相機(jī)以及圖像采集卡而開發(fā)的開放式規(guī)格。Camera Link 接口規(guī)格是在 2000 年由 AIA 協(xié)會(huì) (Automate Imaging Association) 所定義，AIA 協(xié)會(huì)是一個(gè)產(chǎn)業(yè)團(tuán)體，成員包括工業(yè)用相機(jī)、纜線以及圖像采集卡制造商，而Camera Link 則是運(yùn)用低電壓差分信號(hào) (LVDS) 技術(shù)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

     PoCL (Power over Camer Link) 是近期才加入 Camera Link 規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)，可為 Camera Link 數(shù)字接口以及相機(jī)電源提供單一纜線解決方案。PoCL 能與目前的 Camera Link 標(biāo)準(zhǔn)兼容，在不慎連接不兼容產(chǎn)品時(shí)，SafePower模式可以避免因兼容性導(dǎo)致的相機(jī)和圖像采集卡損壞。SafePower 在圖像采集卡上結(jié)合了相機(jī)感應(yīng)電路，能在確認(rèn)連接的相機(jī)是否能與 PoCL 兼容后，再行供電，因此能夠與現(xiàn)有的 Camera Link 標(biāo)準(zhǔn)兼容。

    PoCL 系統(tǒng)與設(shè)備除了都必須維持標(biāo)準(zhǔn)的 Camera Link 數(shù)據(jù)與控制接口外，每一部 PoCL 設(shè)備還需要具備 Camera Link 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格以外的功能，如下所示。

    （1）PoCL 纜線：含電源線的 Camera Link 纜線；

    （2）PoCL 圖像采集卡：具供電能力的 Camera Link 圖像采集卡；

    （3）PoCL 相機(jī)：可通過(guò) Camera Link 接頭供電的 Camera Link 工業(yè)相機(jī)；

    PoCL 纜線為了保證與舊版標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，而使用與標(biāo)準(zhǔn) Camera Link 纜線相同的接頭與纜線結(jié)構(gòu)。表1說(shuō)明PoCL 纜線與一般 Camera Link 纜線的差異，其中連接 pin 腳1及 26 的電線已進(jìn)行絕緣處理，可作為 +12V 電源線使用，而連接 pin 腳 13 跟 14 的電線為相同的地線，可作為回流與電源線使用。

              表1   PoCL 及 Camera Link 纜線 pin 腳說(shuō)明

              

    2.2 IEEE 1394 (FireWire)

    IEEE 1394（由 Apple, Inc. 登記為 FireWire 商標(biāo)）接口為序列總線接口標(biāo)準(zhǔn)，可用于傳輸高速通訊與等時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，最高可提供 45W 的功率。目前 IEEE 1394 除了由 1394 貿(mào)易協(xié)會(huì) (1394 Trade Association) 開發(fā)的相關(guān)的 IIDC (DCAM) 通訊協(xié)議規(guī)格外，也常見于圖像采集應(yīng)用部署，但是更優(yōu)異的圖像采集應(yīng)用接口是可提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸、最小化 CPU 負(fù)載以及單一纜線連接的IEEE 1394b。圖 1 為 9 pin 腳 IEEE 1394b 接頭的 pin 腳定義，VG 與 VP 為電源傳輸?shù)碾娫唇幽_。

                       

                      圖1   9 pin 腳 IEEE1394b 接頭的 pin 腳定義

    2.3 PoE（Power over Etherne，以太網(wǎng)絡(luò)供電）

    Gigabit Ethernet（以太網(wǎng)絡(luò)）相機(jī)可通過(guò)現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，提供圖像采集應(yīng)用。PoE 擁有許多以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，如遠(yuǎn)距離傳輸與高帶寬，但除了數(shù)據(jù)傳輸線外，Gigibit Ethernet 相機(jī)通常還需要使用另一條獨(dú)立的纜線供電。

    IEEE協(xié)會(huì)發(fā)表 IEEE 802.3a 以太網(wǎng)絡(luò)供電 (PoE) 標(biāo)準(zhǔn)，用以定義如何通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)絡(luò)線供電，使得可通過(guò)八線的 Cat 5 及 Cat 6 纜線，為 PoE 兼容設(shè)備提供最高達(dá) 48V 的 DC 電源。

    標(biāo)準(zhǔn)的 CAT5 以太網(wǎng)絡(luò)線共有四條雙絞線，但只有兩條是作為 10BASE-T 和 100BASE-T 使用。此規(guī)格提供了兩種使用此類纜線供電的選擇：

    （1）使用備用線對(duì)。圖 2 說(shuō)明 pin 腳 4 與 5 上的雙絞線連接后，可構(gòu)成正端供電電源，而pin 腳 7 與 8 連接后，則會(huì)構(gòu)成負(fù)端供電電源。

                         
 
                         圖2   備用線對(duì)供電 (Power over spare pairs)

    （2）使用數(shù)據(jù)線對(duì)。 由于以太網(wǎng)絡(luò)線對(duì)的兩端是以變壓器耦合，因此可將 DC 電源套連接至絕緣變壓器的中心分接，而不會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，在此操作模式下，pin 腳3與6的線對(duì)，以及 pin 腳1與2的線對(duì)都可以是正負(fù)任一極。說(shuō)明如圖3。

                        

                                   圖3   數(shù)據(jù)線對(duì)供電

    此規(guī)格無(wú)法使用兩組纜線，一定要從中選擇一種，之后電源供應(yīng)設(shè)備 (PSE) 會(huì)將電源供應(yīng)至選擇使用的一組纜線上，受電設(shè)備 (PD) 也必須能接受兩組線纜中之任一組的供電。

    額定電壓為 48V，受電裝置約可獲得 15.4W 的功率。絕緣的 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器可以將 48V 變壓為較低的電壓，以符合受電裝置的電子配置，并維持 1500V 的絕緣電壓，以保證安全。

    明確規(guī)格要求是為了避免損害現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而供電設(shè)備執(zhí)行的搜尋程序 (discovery process) 也會(huì)檢測(cè)以太網(wǎng)絡(luò)線，尋找符合該規(guī)格的裝置。供電設(shè)備會(huì)將小電流限制電壓套用至纜線，以確認(rèn)遠(yuǎn)程裝置是否具備可完成搜尋的 25 kΩ 電阻器，并會(huì)在確認(rèn)遠(yuǎn)程裝置確實(shí)具備電阻器后，才套用完整的 48V，但是此一電壓仍有電流限制，以免在故障時(shí)損壞纜線與設(shè)備。表 2 為提供單一纜線解決方案的工業(yè)數(shù)字相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照。

                  表2   工業(yè)數(shù)字相機(jī)接口對(duì)照

       

    3 減少整體成本

    設(shè)計(jì)、安裝與維護(hù)纜線一向是工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的主要成本之一，因此單一纜線的解決方案在工業(yè)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)上都具有非常實(shí)用的功能。工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在使用單一纜線解決方案后，便可提供更簡(jiǎn)化的安裝、更低的維護(hù)需求，以及減少整體成本，新一代的數(shù)字相機(jī)，甚至可更進(jìn)一步地減少使用電線的需求。

   4 凌華科技支持Power over Cable圖像采集卡解決方案

   凌華科技提供一系列適用于工業(yè)圖像采集用途的產(chǎn)品，并支持完整Power over Cable接口，包含多種圖像采集卡：

   4.1 PoCL (Power over Camera Link?)    

        PCIe-CPL64




    PoCL 標(biāo)準(zhǔn)可在完全不會(huì)與舊版的 Camera Link 標(biāo)準(zhǔn)沖突下，使相機(jī)能夠通過(guò)Camera Link 接頭連結(jié)并供電至相機(jī)，此解決方案最適合小型相機(jī)使用。

   4.2 IEEE 1394.b    

    PCIe-FIW64/PCIe-FIW62  






   （1）即插即用的操作、維護(hù)方便；

   （2）纜線供電(Power over cable)，減少電線數(shù)量。

   




     4.3 Gigabit Ethernet for Vision




    PCIe-GIE62+  

    （1）長(zhǎng)距離纜線：Gigabit 以太網(wǎng)絡(luò)線最長(zhǎng)可達(dá) 100 米；

    （2）纜線供電(Power over Ethernet)，減少電線數(shù)量；

    （3）低接線成本：RJ-45 Cat-5e 纜線可為圖像采集應(yīng)用提供具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的價(jià)格。



                                                              ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》