CoaXPress 2.1 über Glasfaserkabel ist schneller und stabiler

Bildquelle: BitFlow

Bis zur Veröffentlichung des CoaXPress v2.1-Standards im Jahr 2021 war das einzige physische Medium zwischen Kameras, PCs und Framegrabbern für die CoaXPress (CXP)-Schnittstelle ein 75-Ω-Koaxialkabel. Für die meisten Bildverarbeitungsanwendungen damals und heute eignet sich die CXP 2.1-Schnittstelle – mit ihrer Fähigkeit, Daten mit bis zu 12,5 Gbit/s (Gigabit pro Sekunde) pro Link über ein einziges Koaxialkabel zu übertragen – perfekt für Inspektionssysteme mit hohem Durchsatz, Qualitätskontrolle und Fabrik Automatisierungsanforderungen. CXP 2.1 über Koaxialkabel ist schneller und stabiler als GigE Vision, USB3 oder Camera Link und hat sich als ideale Balance zwischen Kosten und wachsenden Anforderungen an höhere Geschwindigkeiten, längere Kabellängen, Wärmeableitung und Stromversorgung erwiesen.

Wer würde also diese Erfolgsformel ändern wollen?

Es stellte sich heraus, dass dies der Japan Industrial Imaging Association (JIAA) gelungen ist, zusammen mit der European Machine Vision Association, der Association for Advancing Automation und einem Konsortium von Bildverarbeitungsunternehmen, die das CoaXPress-Standardkomitee bilden. Das Komitee erkannte, dass sich die Bandbreitenübertragung schnell in Richtung 100, 200 und sogar 400 Gbit/s weiterentwickelt, also Geschwindigkeiten, die weit über die Möglichkeiten bloßer Koaxialkabel hinausgehen. Es ergänzte CXP v2.1 mit einer leichten Ergänzung, die es Glasfaserverbindungen ermöglichte, mit dem CoaXPress-Protokoll zu arbeiten. Mit diesem mutigen Schritt stellten sie der Bildverarbeitungsbranche CoaXPress Over Fiber oder CXPoF vor.

Für diejenigen, die mit CoaXPress nicht vertraut sind: Es wurde erstmals 2007 als asymmetrische serielle Punkt-zu-Punkt-Kommunikation eingeführt, die auf Bildverarbeitungsanwendungen abzielte, die einen hohen Durchsatz und eine schnelle Datenübertragung erfordern. Die ursprüngliche Version (CXP-6) ermöglichte die Übertragung von Daten mit Raten von bis zu 6,25 Gbit/s über ein Standard-Koaxialkabel mit Push-Pull-DIN-Anschlüssen, wobei die effektive Datenrate aufgrund des 8b10b-Codierungsaufwands 5,0 Gbit/s betrug. Bei der Aggregation über zwei oder vier Verbindungen unterstützt CXP-6 eine Bandbreite von bis zu 25 Gbit/s von der Kamera bis zum Framegrabber. CXP erfordert im Gegensatz zu GigE Vision-Anwendungen, die Standard-Netzwerkschnittstellenkarten (NIC) verwenden, einen Framegrabber. Da GigE Vision auf einer NIC-Karte basiert, wird die Datenpaketverwaltung von einem Treiber durchgeführt, während gleichzeitig die Host-CPU erheblich belastet wird.

Wenn man bedenkt, dass die Schnittstellen Camera Link und GigE damals die Obergrenze für die Systemgeschwindigkeit darstellten, war CXP eine sehr willkommene Innovation. Die Branche lobte darüber hinaus eine Reihe weiterer Vorteile, wie z. B. eine präzisere Auslösung, längere Kabellängen und die Integration von Daten, Steuerung, Stromversorgung (PoCXP) und Kommunikation über ein einziges Kabel. PoCXP vereinfachte die Komplexität des Bildgebungssystems, da keine zusätzlichen Stromkabel rund um die Projektfläche verlegt werden mussten.

CoaXPress ist eine Schnittstelle mit geringer Latenz und geringem Rauschen, die in industriellen und medizinischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. So unterschiedliche Branchen wie Halbleiter- und OLED-Hersteller, intelligente Verkehrssysteme und biomedizinische Forschung haben den CXP-Standard schnell angenommen. Ältere Bildgebungssysteme, wie sie beispielsweise in älteren Militärflugzeugen zu finden sind, verfügten bereits über Koaxialkabel zum Anschluss analoger Kameras. Die Ingenieure fanden es einfach, analog auf CXP aufzurüsten, indem sie Framegrabber austauschten und neue CXP-Kameras installierten.

Wenn man bedenkt, dass die Schnittstellen Camera Link und GigE damals die Obergrenze für die Systemgeschwindigkeit darstellten, war CXP eine sehr willkommene Innovation.

Der CXP v2.1-Standard beschleunigte die Geschwindigkeit noch weiter. Es wurden zwei rasend schnelle neue Geschwindigkeiten eingeführt: 10 Gbit/s (CXP-10) und 12,5 Gbit/s (CXP-12), wodurch die Bandbreite der Originalversion effektiv verdoppelt wurde. Da CXP von einem (einzelnen) auf zwei (dual) oder vier (quad) Kabel pro Kamera skalierbar ist, kann das CXP 2.1-Protokoll bei Verwendung von vier Kabeln zuverlässig Bandbreiten von bis zu 50 Gbit/s von einer Quad-Link-Kamera erreichen. CXP-12 liegt vor 10GigE und USB 3.1 Gen 2, die 10 Gbit/s übertragen können.

Darüber hinaus bietet CXP v2.1 Unterstützung für die generische Programmierschnittstelle GenICam und GenDC (Generic Data Container). GenDC ist ein Modul, das zur Darstellung, Übertragung oder zum Empfang verschiedener Arten von Daten verwendet wird. GenDC zielt auf Bilddaten im Zusammenhang mit maschinellem Sehen ab, beispielsweise 2D, 3D und multispektral, sowie auf Metadaten wie zusätzliche Informationen, Histogramme und Statistiken.

Die Uplink-Geschwindigkeit wurde auf 42 Mbit/s verdoppelt, sodass nun Triggerraten über 500 kHz möglich sind. Der einzige Nachteil bei Koaxialkabelkonfigurationen besteht darin, dass die maximale Kabellänge 35 Meter oder 115 Fuß beträgt, was die 50-Gbit/s-Übertragung auf etwas kürzere Entfernungen beschränkt. Ein neuer Steckertyp, der Micro-BNC (HD-BNC), ersetzt den im CXP-6-Standard spezifizierten Push-Pull-DIN-Stecker.

Bei all der Aufregung über diese Upgrades wurde das Add-on, das das CoaXPress-Protokoll unverändert über eine Standard-Ethernet-Verbindung, einschließlich Glasfaser, laufen lassen soll, etwas übersehen. Aber nicht lange. Die Branche erkannte schnell, dass CXPoF praktisch alle oben diskutierten Vorteile von CoaXPress nutzt und sie mit den Leistungsvorteilen der Glasfaserverkabelung kombiniert.

Was Sie über CXPoF wissen sollten, ist, dass es Ethernet Layer 1 verwendet. Auf dieser Ebene werden Daten physisch über eine Netzwerkschnittstelle verschoben. Layer-1-Technologien befinden sich auf der untersten Ebene eines Netzwerks. Schicht 1 ist für die Kodierungs- und Signalisierungsfunktionen verantwortlich, die Daten aus Bits, die sich in einem Gerät befinden, in Signale umwandeln, die über das Netzwerk übertragen werden können. Es definiert Hardwarespezifikationen wie Kabel, Anschlüsse und Netzwerkschnittstellenkarten. Daher kommt CXPoF bei jedem Upgrade einer Layer-1-Komponente direkt zugute, unabhängig davon, ob dieses Upgrade zu mehr Bandbreite oder niedrigeren Preisen führt. Im Vergleich zur maschinellen Bildverarbeitung erzielen Ethernet-basierte Computernetzwerke enorme Verkaufsmengen, was zu einem Rückgang der Komponentenpreise geführt hat. Kostengünstigere Komponenten wie Kabel und Anschlüsse senken den Gesamtpreis eines CXPoF-Vision-Systems.

Die Nettobandbreite von CXPoF entspricht der von CXP-12 – etwa 40 Gbit/s. Anstatt jedoch vier CXP-12-Links und vier Koaxialverbindungen zu benötigen, überträgt CXPoF 40 Gbit/s über ein einziges QSFP+-Transceivermodul (Quad Small Form Factor Pluggable) und ein einziges Glasfaserkabel. Dies führt zu einer weitaus weniger komplexen Verkabelungsstruktur und einem geringeren Platzbedarf. Da die Geschwindigkeiten von 12,5 Gbit/s weiter auf die vom JIIA erwarteten 25 Gbit/s über QSFP28 und 50 Gbit/s über QSFP56 pro Spur steigen, scheint CXPoF der Weg mit dem geringsten Widerstand zu sein.

Glasfasern übertragen Daten als Lichtimpulse durch Glasfaserstränge aus Glas oder Kunststoff. Wenn das resultierende Glasfaserkabel mit Hunderten anderer Stränge gebündelt wird, überträgt es mehr Daten mit schnelleren Geschwindigkeiten und über viel größere Entfernungen als hochwertige Kupferkabel. Außerdem sind Glasfasern elektrisch isoliert. Dementsprechend strahlt es nicht und ist nicht anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI), die die Übertragungsgeschwindigkeit verlangsamen oder Übersprechen verursachen können. Die Isolierung von Glasfaserkabeln eliminiert auch Probleme im Zusammenhang mit der Erdung.

Glasfaserkabel bieten mehrere weitere Vorteile. Zum einen stellen Glasfaserkabel keine Brandgefahr dar, da die Wärme nicht abgeleitet wird. Zweitens können die Kabel im Vergleich zu Kupferkabeln auf langen Strecken erheblichen Zugkräften standhalten, ohne dass sie brechen. Drittens werden Glasfaserkabel nicht im gleichen Maße durch schlechtes Wetter, Feuchtigkeit oder extreme Temperaturen beschädigt wie Koaxial- oder Ethernet-Kabel. Da Glasfaserkabel leichter und kleiner im Durchmesser als andere Kabeltypen sind, können sie problemlos in Maschinen, Roboter, Flugzeuge und Bodenfahrzeuge eingefädelt werden.

Es gibt zwei Arten von Glasfaserkabeln: Singlemode-Faser (SMF) und Multimode-Faser (MMF), wobei der Unterschied in der Größe des Kerns besteht. MMF hat einen viel breiteren Kern, der die Ausbreitung mehrerer Lichtmodi oder „Lichtstrahlen“ ermöglicht. SMF hat einen sehr schmalen Kern, der nur die Ausbreitung eines einzigen Lichtmodus ermöglicht. Im Allgemeinen eignen sich SMF-Kabel für die Signalübertragung über extrem große Entfernungen, während Anwendungen, bei denen ein größeres Datenvolumen über eine kürzere Strecke gesendet werden muss, eher MMF-Kabel verwenden. Es wird erwartet, dass CXPoF Entfernungen von bis zu 80 km (ca. 49,71 mi) im Single-Mode und 300 m (ca. 984,25 ft) im Multi-Mode ohne den Einsatz fehleranfälliger Extender erreichen kann.

Der einzige Nachteil von CXPoF ist möglicherweise der Verlust der Fähigkeit, Strom zu senden. Ungeachtet von PoCXP behält CXPoF alle Vorteile des CXP-Protokolls bei und baut darauf auf.

Als Erweiterung des CoaXPress-Protokolls stellt CXPoF die generische GenICam-Programmierschnittstelle für Hardware und Software bereit und ist außerdem unabhängig von jedem Betriebssystem, was ein einfaches Upgrade von Koaxial- auf Glasfaser ermöglicht. Für die Aufrüstung sind CXPoF-kompatible Kameras und Framegrabber sowie Glasfaserkabel, Transceiver und Anschlüsse erforderlich. Anbieter beginnen, das Marktpotenzial von CXPoF zu erkennen. Folglich ist die Auswahl an Hardware derzeit begrenzt, wird aber voraussichtlich exponentiell zunehmen, wie dies bei früheren CXP-Upgrades der Fall war.

Ein CXPoF-Framegrabber verfügt über einen Glasfaser-Transceiver-Steckplatz, der QFSP+-kompatible Glasfaserkabelbaugruppen unterstützt. Die Baugruppe bietet bis zu vier Anschlüsse zur Unterstützung einer Quad-Link-Kamera, zwei Dual-Link-Kameras oder vier Single-Link-Kameras. CXPoF-Framegrabber nutzen die gleiche halbgroße x8-PCI-Express-Gen-3.0-Plattform wie CXP-Framegrabber und ermöglichen so einen einfachen Austausch im Host-PC. Das optische Transceivermodul besteht aus einem Empfangsende und einem Sendeende. Der Empfangsteil realisiert eine fotoelektrische Umwandlung und der Sendeteil realisiert eine elektrooptische Umwandlung.

Mit einem einzigen Glasfaserkabel können Geschwindigkeiten von 40 Gbit/s erreicht werden. Dies bedeutet, dass für die Datenübertragung weniger Kabel erforderlich sind, was die Komplexität der Kabelführung verringert, die Systemkosten senkt und potenzielle Fehlerquellen minimiert, insbesondere wenn bisher Glasfaserverlängerungen erforderlich waren.

CXPoF eröffnet ein neues Reich an Möglichkeiten. Es ist wahrscheinlich, dass die ersten Anwendungen, die CXPoF nutzen, in Situationen auftreten werden, die außergewöhnlich lange Kabel erfordern, wie z. B. ITS- oder Ballistiktests, oder wenn eine elektrische Isolierung zwischen der Kamera und dem PC erforderlich ist, wie dies in lauten Industriestandorten und in sensiblen medizinischen Bereichen der Fall ist Umgebungen.

Darüber hinaus werden, wie bereits erwähnt, wirtschaftliche Aspekte eine Rolle bei der Geschwindigkeit spielen, mit der CXPoF eingeführt wird. CXPoF bietet Kostenvorteile gegenüber herkömmlichem Koaxialkabel, da Ethernet-Netzwerkkomponenten verwendet werden können, insbesondere was die Kabelkosten betrifft. Beispielsweise kostet ein 30 m langes Quad-CXP-12-Koaxialkabel über 600 US-Dollar, während ein 30 m langes QSFP+ AOC (aktives optisches Kabel) etwa 125 US-Dollar kostet. In Kombination mit den anderen Vorteilen könnte diese Kosteneffizienz ausreichen, um Systemintegratoren von der Migration auf CXPoF zu überzeugen.

Die Roadmap für CXP-over-Fiber ist spannend. Abgesehen davon, dass es heute einen extrem hohen Durchsatz unterstützt, ist es in einzigartiger Weise für künftige Bandbreitensteigerungen gerüstet, und das alles unter Verwendung gängiger, kostengünstiger Komponenten.

Donal Waide ist Vertriebsleiter bei BitFlow Inc, einem Framegrabber-Hersteller in Woburn, MA. Seit den 1990er Jahren ist er in der Bildverarbeitungsbranche tätig. Für weitere Informationen rufen Sie (781) 921-2900 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.bitflow.com.