机器视觉电缆和连接器需要坚固

在十到二十年前，指定机器视觉电缆更容易，当时工业图像传感器更小，产生的数据更少，安装在机械臂等移动平台末端的频率也更低。

视觉传感器和软件已经变得更加复杂，它们的应用也更加多样化，这为那些制造机器视觉电缆的人带来了机会。但这种演变也增加了对电缆的需求，电缆可以在更远的距离上传输更多的数据，这带来了新的挑战。

“现在最大的挑战是速度(带宽)和距离，”元器件快递公司(CEI)总裁雷·伯斯特(Ray Berst)说。“我的客户希望电缆更长、更快、更便宜。但这是一个很难确定的组合。也许会更长更快。更长、更快、更便宜不是那么容易的事。”

实现“更长”和“更快”是一个挑战，因为延长电缆长度会对信号强度产生不利影响，并导致数据丢失。然而，业界对更高吞吐量的永无止境的追求，继续使带宽成为机器视觉集成商和电缆制造商的优先考虑。新兴标准证明了这一优先级，例如最近推出的CoaXPress (CXP) 2.0，其数据速率是之前标准的两倍，达到12.5 Gbps /电缆芯。在一个典型的四核系统(CXP12)中，这意味着原始比特率为50 Gbps，或者可持续的图像数据速率约为4.8 GB/s。

与此同时，Alysium的业务、产品开发和品牌营销主管Thomas Detjen表示，Camera Link HS (CLHS)等通用标准已经将电缆转向光纤技术，这为外径从3毫米开始的电缆提供了更大的带宽、稳定性和灵活性。

目前，CLHS在其7个车道中支持10.3 Gbps，提供了任何视觉标准中最高的数据密度;CLHS 1.2版预计将提供每车道高达15.9 Gbps的电缆速度。这样的带宽使Detjen预测光纤的应用最终将扩展到所有机器视觉布线应用和接口技术，包括以太网、USB甚至同轴电缆。

行业诀窍

集成商通常需要更长的时间、更快的速度和最具成本效益。(“更便宜”这个词太宽泛了，不太实际。)例如，USB3消费级接口提供高达20 Gbps的理论数据速率，使其相当快。它是为消费市场设计的，按照工业电缆标准，它也更便宜。这满足了有线电视三件套中的两件。

然而，在其应用中试用消费级USB3产品的工业用户很快发现，廉价的现货电缆在材料、屏蔽、灵活性、带宽，特别是长度方面都不可靠。消费类USB3电缆设计用于个人电子产品的充电或交换数据，对于工业视觉应用来说往往太短。

Detjen说:“如果你必须将5到8米或更长电缆的工业摄像机安装到系统中有很多噪音的机械臂上，那么消费型USB3电缆将无法工作。”

USB3技术的速度和几乎与任何PC机的普遍兼容性使得视觉用户很难放弃电缆。因此，Alysium等电缆制造商保留了接口，但应用了一些行业技巧，比如使用更大的线规来防止较长长度的电压下降。具有讽刺意味的是，这样的解决方案已不再符合消费者的标准。

Detjen说:“我们的电缆不一定能满足USB-IF测试，这可能听起来很奇怪，但只有通过这种测试，我们才能让电缆达到8米甚至10米，而不会产生过度的应力和噪音。”“对于长度超过10米或非常关键的应用，我们提供的有源光学组件在工业设计中结合了两个世界的优点:即插即用操作和通过非常灵活的4毫米厚电缆提供50米的功率。”

有源电缆的典型噪声来自于其结构中嵌入的放大器和其他电子设备。控制这种噪声的技巧包括只操纵信号位的开始部分(预强调)，以使数字接收器更容易识别它们。在接收端应用类似的技术，如去强调和均衡，可以进一步维持电缆在更长的长度下的性能。

这些技巧帮助CEI为其客户Applied vision开发了20米有源USB3视觉电缆，可以在70°C下传输1亿张图像，且帧数为零。该设计非常可靠，目前该电缆已成为应用视觉公司针对食品和饮料行业的猎户座G6和火山自动检测系统的组成部分。这两种系统的开发都是为了最大限度地减少由于丢失帧而导致的代价高昂的错误拒绝。

速度测试

严格的验证测试是CEI为Applied Vision设计的USB3电缆成功的关键，随着视觉电缆变得越来越长，数据速率越来越快，这一功能变得越来越有价值。但高速电缆的验证既不是一件小事，也不是一件便宜的事情。

贝斯特说:“在如今速度大大提高的情况下，工艺和工艺变得更加重要。”“如果我发现客户计划购买一些75欧姆电缆和一些BNC连接器来为CXP6制作电缆，我会觉得他们能够做到这一点而不会遇到太多问题。对于CXP12，我在这里告诉你，你需要一个6万美元的示波器和一个7万美元的剥线器，以及使用这两者的经验，只是为了验证电缆。”

测试的挑战之一是，仅仅淘汰坏电缆是不够的。误码率测试可以提供一个简单的通过/失败的结果，但它不会透露为什么电缆坏了。是衰减、插入损耗或阻抗的问题吗?电缆供应商需要隔离和纠正产品设计、材料和制造方面的问题，这有助于解释为什么“更便宜”是“更长”和“更快”之外的一个问题。

建立更好的联系

连接器之于电缆，就像电缆之于视觉系统:一个经常被忽视但却至关重要的组件。连接器作为电缆与摄像机之间的终端链路，必须保持可靠的电气和物理链路。和电缆一样，在十到二十年前，这要容易得多，当时摄像机一般都固定在生产线旁边。许多应用程序可以通过使用消费者接口标准，如USB或与以太网电缆一起使用的RJ45锁夹来实现。

随着视觉技术越来越多地在更具移动性的工业环境中运行，RJ45连接器尤其显得格格不入，最终用户正在转向更工业化的替代品，如M12接口。这些连接器具有锁定机制，其机械性能比RJ45同类产品更坚固，并且具有ip67级的防尘性能和临时浸入水中的性能。它们还与工厂车间的布线基础设施更加兼容。

Berst说:“我们看到许多公司希望将现有的工厂电缆基础设施扩展到生产线。”“因此，我们现在有一系列工业相机外壳，我们将相机上的RJ45接口转换为M12X-code连接器，因为人们也想要更坚固的连接器。”

Detjen表示，M8和M12电缆也常用于欧洲的生产设施，多年来一直是IEC标准。“相机制造商正在转型，”他说。“M12是过度设计的标准应用，你不需要防尘或防水。但对于有灰尘、水或高振动的工业应用来说，没有什么比这更好的了。”

然而，有选择是件好事。对于其许多电缆，Alysium指定了具有更严格的内部设计的定制连接器，以提高其对机械运动的容忍度。该公司还将触点定型为连接器，以提高可靠性和稳健性。Detjen说:“此外，对于RJ45、USB3和CLHS，我们在连接器周围指定了压铸铝外壳，因为它是金属的，所以可以提供更好的屏蔽，并且允许更可控的机械公差。”

精细的(工业化的)生产线

机器视觉工程师总是在性能和成本之间走钢丝。他们的系统必须在不过度设计的情况下提供可靠一致的准确性。许多应用程序的参数通常清楚地定义了相机、光学和照明的基线阈值，这可能会诱使人们假设在电缆和连接器规格方面有一些回旋空间。但是电缆和连接器不仅必须支持视觉系统的性能参数，还必须能够承受工业环境的物理苛刻条件。此外，当电缆和连接器出现故障时，很难识别问题并确保不会再次发生。

这些因素不必使布线成为视觉系统设计师的另一个头痛问题。他们强调，电缆和连接器不能成为机器视觉系统最薄弱的环节。

丹·麦卡锡是特约编辑友邦保险．本文最初发表于视觉在线．AIA是先进自动化协会(A3)的一部分，是CFE媒体的内容合作伙伴。由CFE媒体制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，cvavra@cfemedia.com．

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