为视觉传感器提供带宽的工业网络

随着互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器越来越大，速度和分辨率不断提高，出现了两个带宽接口，能够充分最大化其机器视觉性能:CoaXPress 2.0 (CXP 2.0)和10GigE vision (10 GigE)。CXP标准由日本工业成像协会(JIIA)管理G3，全球视觉标准化倡议．10gige由IEEE 802.3工作组它是IEEE 802局域网/城域网标准委员会的一部分。
CXP 2.0和10GigE都承诺在高要求的视觉应用中提供高速、可靠的结果。然而，当与机器视觉的真实世界进行正面比较时，CXP 2.0已经成为主导玩家。在未来，10GigE将是重要的，但却是次要的。

关于机器视觉的CXP 2.0的信息

CXP在德国斯图加特的Vision 2008上首次展示。最初的版本CXP 1.0支持6.25 Gb/s的最大数据速率，比GigE Vision (1GigE)快6倍，比USB3 Vision (USB3)快40%，立即引起了轰动。2019年，CXP 2.0推出了两个额外的层:CXP-10 (10 Gbps)和CXP-12 (12.5 Gbps)，使其能够在四车道上达到惊人的50 Gb/s。CXP 2.0使得一个10位1200万像素的区域扫描传感器能够以每秒300帧以上的速度捕获全分辨率图像，或者一个8位16k的行扫描传感器能够以每秒30万行的速度捕获全分辨率图像。1个CXP-12连接的传输速率相当于2个CXP-6连接的传输速率，因此可以将电缆数量从2个减少到1个，并且需要的中继器和分箱数量更少。

虽然它几乎超过了目前的任何成像需求，但100gb /s的数据速率可以通过一个8通道帧抓取器或两个4通道帧抓取器实现，这在不久的将来可能需要，例如在深度学习或非常复杂的触发中。

一旦引入，系统建造者发现，将一个CXP帧抓取器与多个CXP摄像机连接起来，可以实现高度精确的同步，几乎没有延迟。同步是通过帧抓取器执行的，不需要像USB3和GigE那样额外的触发信号。与最初的CXP 1.0版本一样，CXP 2.0使用标准的75欧姆同轴电缆来传输视频、摄像机控制和触发以及电源。

关于机器视觉10GigE接口的信息

与此同时，10GigE接口诞生于2010年的网络世界。它提供了许多与1GigE相同的优点，但10GigE接口的可用带宽为9.6 Gbps，比1GigE提高了10倍。它的最大传输带宽受到网络中最慢组件的限制，无论是路由器、交换机、电缆、适配器还是摄像机。当正确联网时，10GigE的速度可以将延迟降低到5-50µs。

10GigE Vision的支持者强调它的简单性和使用标准以太网电缆和符合GigE Vision的设备的成本效益，以实现更好的可伸缩性和灵活性。10GBASE-T已经在IT行业中被广泛采用，在设计成像系统时可以利用多个符合10GBASE-T标准的产品。另一个经常被提及的优点是，7类电缆的最大长度为100米，6类电缆的最大长度为55米。

10GigE的支持者想象着这样一个世界:曾经需要多台主机电脑、帧抓取器、中继器、数据和电源线的应用程序将被交换到10GigE以太网上。每台摄像机都连接到一台交换机，使用一台主机电脑，通过低成本的以太网电缆提供数据和电源。只需从一个位置更新所有摄像头的固件，或通过一台PC配置多个摄像头，就可以减少维护。

更多的任务，更多的问题:CPU限制，解决方法

尽管10GigE具有潜在的优势，但由于10GigE所依赖的主机pc，它并没有增长。cpu没有跟上速度，所以它们经常不能自己处理带宽，这是有道理的。如果10GigE从相机发送的数据比1GigE多10倍，主机的处理能力就会增加10倍。因此，计算机计算和重建图像需要更长的时间。由于数据解封装是在CPU中执行的，因此15%到20%的CPU容量可能会被消耗在数据包的解封装上，而不是应用程序上。

硬件缓存或交换机或网卡上的缓冲区由于传入数据包的激增而短暂过满是很常见的，这种情况会导致图像损坏、数据包丢失、帧丢失，以及延迟和抖动增加。10GigE的数据包重传选项是可用的，但与带宽相比，由于周转时间延长，这是不完全可行的。
系统构建人员通过10GigE网络接口卡(nic)来管理CPU使用情况，并通过10GigE帧抓取器来卸载或预处理数据，解决了CPU限制问题。问题是，它们消除了10GigE Vision承诺的经济效益或简单性。虽然网卡在一定程度上降低了CPU的稳定性，但它们现在基本上是这个接口的帧抓取器，而这个接口不需要帧抓取器。

CXP框架抓取器通常具有板载处理

CXP框架抓取器通常具有附加的功能，如板载处理或输入/输出(I/O)接口，这些功能可以增强它们的功能。CXP帧抓取器的另一个优点是能够使用GPU direct或DirectGMA，其中数据从抓取器到GPU用于处理复杂的算法。该特性在几乎所有网卡上都是有限的或不可用的。除此之外，NIC帧抓取器只能达到9.6 Gbps的最高速度，但在繁忙的网络中，它们提供的速度要低得多。虽然网卡适合PCIe插槽，但并非所有主板都能向PCIe插槽提供全带宽。PCIe插槽可能会与其他外设(如USB端口或其他PCIe插槽)共享带宽，从而降低处理速度。

10GigE视觉网络的可靠性:IEEE 1588

可靠性可能由于10GigE接口的不确定性而受到影响。相反，10GigE依赖于IEEE 1588精确定时协议用于与多个设备和摄像机同步计时，但PTP需要注意细节，并不是原生集成的。

黑客攻击PTP也被证明很容易执行，这是一个问题，针对制造商的网络攻击越来越多。此外，只有集成商或其他具有专业知识的人员才能实现10GigE可靠性，精确地将内存带宽、CPU、PCIe和NIC卡配置到最佳设置。在受24/7生产运行需求影响的工业环境中，如果没有专门的信息技术(IT)人员，精度可能是难以维持的标准。

高速机器视觉的电缆和电源

对于10GigE来说，能够运行100米的以太网电缆(Cat6A, Cat7)并不是必要的优势，因为绝大多数视觉应用程序的运行长度远远小于CXP 2.0的最大40米。在需要超过40米的距离时，可以在光纤上使用CXP扩展器，而不会产生任何有害影响。值得注意的是，同轴电缆的价格现在与以太网电缆(Cat6或Cat7)一致。同轴电缆也更容易在现场处理和组装。在UTP上运行10GigE会带来一些问题，例如串扰和信号噪声，其中一个线对上的电信号与其他线对上的电信号相互作用，并且很难克服。

自推出以来，CXP已被证明在改装应用中很受欢迎，在航空航天和交通监控中，运行在同轴电缆上的过时模拟摄像机已被CXP摄像机和帧捕获器取代。在这些安装中，现有的布线基础设施完全支持CXP。此外，CXP只需要一根电缆来传输数据、命令和电源。理论上，10GigE相机也能做到这一点。然而，大多数集成商只是简单地选择了双线方法，第二个连接用于电源和I/O。

10GigE接口的功耗是其他接口的两倍，运行所需功率高达7w，这还不包括摄像头的功耗要求。这会导致产生过多的热量。由于传感器是温度敏感的，随之而来的噪声会产生图像质量的显著下降。温度越高，产生的噪音就越多。

高速、高分辨率的机器视觉应用

CoaXPress比10GigE Vision更广泛地应用于要求高速、高分辨率的应用。除了新系统外，使用同轴电缆的老式模拟摄像机系统也正在用CoaXPress摄像机和框架抓取器进行改造，而无需重新布线的额外成本。Camera Link系统也可以轻松升级到CXP 2.0，因为它具有类似的基于帧抓取的基础设施，同时提供更快的速度、更高的带宽、灵活性和更长的电缆长度。

CoaXPress 2.0还为基于当今最强大的CMOS传感器的新应用提供了可能性。虽然10GigE在IT世界中得到了应用，尽管1GigE已经取得了成功，但10GigE标准仍在向工业机器视觉的需求发展。在此之前，CXP 2.0仍将是更好的选择，5BaseT更有可能成为下一个大型GigE接口，因为它可以与全球估计安装的超过7000万英里的5e电缆一起使用，并且消耗10BaseT一半的功率。

住Waide,销售总监BitFlow公司．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

关键词:cmos, CoaXPress, 10GigE

CoaXPress 2.0和10GigE是机器视觉应用中最流行的两种接口。

从长远来看，10GigE有更大的潜力，但受制于与核心个人电脑的联系，这是CXP 2.0不必面对的问题。

CXP 2.0也有可能比10GigE更容易应用于未来的机器视觉应用。

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