揭示相机接口CoaXPress 2.0可能被忽略的优势

除了达到12.5 Gbps的速度外，CXP 2.0还为机器视觉系统带来了新的特性和功能。

图1：一个基于CoaXPress 2.0的基本机器视觉系统，包括一个带有Microchip Technology收发器SoC的摄像头，该芯片具有集成的高速均衡器，重时钟器和电缆驱动器。

CoaXPress 2.0引入了几项新功能，但是对于普通的机器视觉受众来说，除了速度更高以外的某些功能可能鲜为人知。下面探讨了CoaXPress 2.0的优势以及它们如何使当今和将来的机器视觉系统受益。

CoaXPress是由日本工业成像协会（JIIA）在全球范围内托管的开放标准，并得到了支持AIA和EMVA。主要应用包括在工业检查，医学成像，交通监控和视频监控等领域中需要高速，低延迟，长电缆和低功耗的应用。

CoaXPress使用标准的75欧姆同轴电缆作为带有BNC，micro BNC或HD-BNC连接器的传输介质，是唯一允许视频，摄像机控制和通过单根同轴电缆触发以及13 W直流电源的标准。在24 VDC下 CoaXPress 2.0系统（图1）包括一个摄像头，该摄像头以小封装形式集成了Microchip Technology收发器片上系统（SoC）和集成的高速均衡器，时钟恢复器和电缆驱动器。它在12.5 Gb / s的全速下消耗约125 mW，在较慢的速度下消耗较少的功率。在链路的另一端，通常使用同一SoC的帧采集器包括用于图像处理的FPGA，它向摄像机发送功率以及控制和触发信号。

表1：添加了CoaXPress 2.0的CXP-10（10 Gb / s）和CXP-12（12.5 Gb / s Gb / s），两者的范围都大于65CoaXPress 1.0支持的最大数据速率为6.25 Gb / s，比GigE Vision快大约六倍，比USB3 Vision快40％。数据速率分为几层，从CXP-1（1.25 Gb / s，最高210m）到CXP-6（6.25 Gb / s，最高90m）。在2019年推出CoaXPress 2.0之前，CoaXPress 1.0几乎保持不变，该版本增加了两层：CXP-10（10 Gbps）和CXP-12（12.5 Gbps），两者的范围都大于65m（基于Belden 4731R的使用）电缆）和使用中继器的更大距离（表1）。

图2：这种配置的中继器使以12.5 Gb / s运行的CoaXPress 2.0的最大距离扩展了原来的40m（使用Belden 1694A电缆）超过了35m或更多。

中继器的数量仅受距离最远的中继器上可用的直流电源的限制，该距离会随着距离的增加而减小。

与GigE Vision的10 Gbps相比，四链路CoaXPress 2.0帧捕获器以50 Gbps的速度传输数据。使用八通道帧采集卡或两个四通道帧采集卡可以实现超过100 Gbps的更高数据速率。目前，这种性能几乎超出了所有要求，但将来可能会需要。此外，中继器可以与CoaXPress 2.0一起使用，可以达到数百米的距离（图2）。

将CoaXPress 2.0中的最大数据速率提高一倍还可以将实现给定数据速率所需的电缆数量减少一半。可以在不更换所有电缆基础设施的情况下完成从层到层的升级。同轴电缆固有地被其外部导体屏蔽，从而使其对许多操作环境中存在的外部电磁干扰（EMI）高度耐受，特别是在嘈杂的工厂环境中。这使CoaXPress可以用于医学成像等应用，其中出于安全和EMI的角度，故意将成像系统放置在远离处理系统的位置。

CoaXPress还支持GenICam（行业标准的应用程序编程接口，可简化应用程序开发或升级组件）以及新的通用数据容器标准（GenDC），使CoaXPress可以发送更复杂的图像，包括1D，2D，3D，多光谱和元数据。

在CoaXPress 2.0中，用于摄像机控制和触发的上行链路路径从CoaXPress 1.0的20.8 Mbps增加到41.6 Mbps，增加了一倍，从而进一步减少了延迟，提高了触发率，并允许高速摄像机处理更多数据，而无需专用的高速接口。上行链路。速度的提高使主机可以以更高的速率发送触发消息-在单触发消息模式下接近600 kHz，在双触发消息模式下接近300 kHz。

摄像头和图像采集卡中使用的芯片组（例如Microchip的EQCO125X40收发器SoC）可在运行之前和运行期间实时执行链路信号完整性和电缆裕量测试，从而易于检测磨损的电缆和连接器的不连续性。CoaXPress的采用者认为此功能是关键区别因素。

CoaXPress 2.0要求使用图像采集卡，而10 Gbps的GigE Vision则不需要，因此在成本上不利，尤其是在多相机系统中。但是，如果没有帧采集卡，则主机PC的CPU将执行所有数据解封装。在照相机可以以300 fps或更高的速度捕获图像的机器视觉系统中，CPU过载会带来严重的问题。当给CPU附加功能任务时，它可能过载并开始丢弃数据包。CoaXPress 2.0通过确定性界面同步摄影机结果，而GigE Vision则不会。结果，GigE Vision在增加节点或共享带宽的情况下可能会遇到不稳定和相对较高的延迟。

使用性能更高的网络接口卡（NIC）可以缓解一些基于GigE Vision的系统难题。但是，在需要更高速度处理的情况下，NIC可能占帧采集卡成本的50％到80％，并且图像处理能力比帧采集卡低。简而言之，尽管抓帧器在系统中添加了其他组件，但其减轻PC负载的能力弥补了成本。为了与CoaXPress 2.0相提并论，GigE Vision需要更强大的处理器和更强大的NIC。

在工业检查中常见的多摄像机系统中，问题变得更加严重。例如，四摄像头系统同时捕获物体的两个侧视图和顶部和底部，这需要每个通道上的图像采集卡非常精确地触发。即使以不同的速度或分辨率运行时，这些摄像机实际上也可以充当一个摄像机。应用软件和处理器对数据执行用户定义的检查程序。实例存在于同时使用多达32个摄像机的复杂系统中。

GigE Vision系统为预定义的采集提供了相当精确的同步，因为所有摄像机都可以通过精确时间协议（PTP）在给定的时间捕获图像。但是，GigE Vision无法支持从PC系统到摄像机的实时触发。CoaXPress 2.0允许多个摄像机通过长距离的坚固同轴电缆链接到单个图像采集卡。具有不同分辨率和帧速率的相机可以链接到单个图像采集卡，每个图像采集卡执行不同的检查任务。将单个摄像机连接到一个以上的图像采集卡（也可以在不同的PC中）的能力进一步提高了图像采集卡的贡献。功耗是另一个被忽略的问题。

为了适应GigE Vision要求的高水平电源，需要具有较大组件的电源，这些组件会产生热量，有可能使相机发热。由于相机传感器对温度非常敏感，因此产生的噪声会导致图像质量显着下降。

CoaXPress 2.0添加了其他功能，例如改进的时间戳，错误报告和数据共享。统一时间戳将来自摄像机，主机和软件的报告事件集成到一个统一的时间参考中，以帮助跟踪事件的发生时间，新的事件通道添加了一条数据路径，使摄像机可以在特定内部事件发生时准确地通知应用程序发生，例如开始曝光。

新标准还使用户可以清晰地了解操作过程中的链路质量，并且通过在控制数据包中添加标签字段来增强控制通道，从而使主机和摄像机能够始终如一地从错误情况中恢复过来。

最后，CoaXPress 2.0定义了数据共享规则，其中摄像机同时将数据流传输到多个主机。机器视觉每年都将其应用范围扩展到更多的应用程序中，随着深度学习在视觉检查中扮演更加重要的角色，这种趋势可能会在未来进一步扩展。CoaXPress 2.0可能是其主要推动力之一。

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