陳文吉




    摘  要：所有的工業(yè)機器視覺(jué)設備都需要依賴(lài)圖像數據傳輸與電源供應，而且大多數的工業(yè)相機都需要使用兩條纜線(xiàn)，一條用于傳輸數據，另一條則是電源線(xiàn)，這意味著(zhù)使用者必須多花一倍安裝與維護纜線(xiàn)的成本，同時(shí)纜線(xiàn)故障的機率也增加一倍。隨著(zhù)工業(yè)機器視覺(jué)市場(chǎng)從模擬跨入數字相機后，如何通過(guò)“Power over Cable”供電型接口簡(jiǎn)化安裝、節省空間以及降低成本，成為工業(yè)機器視覺(jué)應用中最新的話(huà)題。

    關(guān)鍵詞：機器視覺(jué)；線(xiàn)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)機器視覺(jué)設備都需要依賴(lài)圖像數據傳輸與電源供應，而且大多數的工業(yè)相機都需要使用兩條纜線(xiàn)，一條用于傳輸數據，另一條則是電源線(xiàn)，這意味著(zhù)使用者必須多花一倍安裝與維護纜線(xiàn)的成本，同時(shí)纜線(xiàn)故障的機率也增加一倍。隨著(zhù)工業(yè)機器視覺(jué)市場(chǎng)從模擬跨入數字相機后，如何通過(guò)“Power over Cable”供電型接口簡(jiǎn)化安裝、節省空間以及降低成本，成為工業(yè)機器視覺(jué)應用中最新的話(huà)題。

    1 滿(mǎn)足客戶(hù)需求

    早期的工業(yè)機器視覺(jué)市場(chǎng)幾乎都是由模擬相機主宰，但模擬相機有一項缺點(diǎn)，就是電磁干擾，或稱(chēng) EMI，這是因為模擬相機雖然是使用屏蔽的銅軸線(xiàn)纜提供信號傳輸，但 EMI 仍可能會(huì )對其中包含的1伏特峰對峰（peak-to-peak）視頻信號造成影響，而此時(shí)將電源與圖像數據結合成單一纜線(xiàn)的解決方案也不普及。不過(guò)，隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，使用 Camera Link、FireWire 以及 Gigabit 以太網(wǎng)絡(luò )的數字相機紛紛問(wèn)世，上述問(wèn)題皆已迎刃而解。由于數字相機的數據傳輸僅存在于兩種電壓狀態(tài)中，因此不會(huì )像模擬相機一樣會(huì )受到 EMI的影響。因此當工業(yè)機器視覺(jué)應用從模擬跨入數字相機后，其焦點(diǎn)即開(kāi)始轉向如何簡(jiǎn)化安裝、節省空間以及降低成本。

     2 “Power over Cable”供電型接口

     通過(guò)整合信號線(xiàn)及電源線(xiàn)成為單一纜線(xiàn)已經(jīng)是各種數字圖像標準發(fā)展的共同趨勢。

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

    Camera Link? 是針對機器視覺(jué)應用的相機以及圖像采集卡而開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式規格。Camera Link 接口規格是在 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)團體，成員包括工業(yè)用相機、纜線(xiàn)以及圖像采集卡制造商，而Camera Link 則是運用低電壓差分信號 (LVDS) 技術(shù)傳輸數字數據。

     PoCL (Power over Camer Link) 是近期才加入 Camera Link 規格的標準，可為 Camera Link 數字接口以及相機電源提供單一纜線(xiàn)解決方案。PoCL 能與目前的 Camera Link 標準兼容，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致的相機和圖像采集卡損壞。SafePower 在圖像采集卡上結合了相機感應電路，能在確認連接的相機是否能與 PoCL 兼容后，再行供電，因此能夠與現有的 Camera Link 標準兼容。

    PoCL 系統與設備除了都必須維持標準的 Camera Link 數據與控制接口外，每一部 PoCL 設備還需要具備 Camera Link 標準規格以外的功能，如下所示。

    （1）PoCL 纜線(xiàn)：含電源線(xiàn)的 Camera Link 纜線(xiàn)；

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

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

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

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

              

    2.2 IEEE 1394 (FireWire)

    IEEE 1394（由 Apple, Inc. 登記為 FireWire 商標）接口為序列總線(xiàn)接口標準，可用于傳輸高速通訊與等時(shí)的實(shí)時(shí)數據，最高可提供 45W 的功率。目前 IEEE 1394 除了由 1394 貿易協(xié)會(huì ) (1394 Trade Association) 開(kāi)發(fā)的相關(guān)的 IIDC (DCAM) 通訊協(xié)議規格外，也常見(jiàn)于圖像采集應用部署，但是更優(yōu)異的圖像采集應用接口是可提供可靠的數據傳輸、最小化 CPU 負載以及單一纜線(xiàn)連接的IEEE 1394b。圖 1 為 9 pin 腳 IEEE 1394b 接頭的 pin 腳定義，VG 與 VP 為電源傳輸的電源接腳。

                       

                      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 )）相機可通過(guò)現有的以太網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與計算機進(jìn)行通訊，提供圖像采集應用。PoE 擁有許多以太網(wǎng)絡(luò )傳輸的優(yōu)勢，如遠距離傳輸與高帶寬，但除了數據傳輸線(xiàn)外，Gigibit Ethernet 相機通常還需要使用另一條獨立的纜線(xiàn)供電。

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

    標準的 CAT5 以太網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)共有四條雙絞線(xiàn)，但只有兩條是作為 10BASE-T 和 100BASE-T 使用。此規格提供了兩種使用此類(lèi)纜線(xiàn)供電的選擇：

    （1）使用備用線(xiàn)對。圖 2 說(shuō)明 pin 腳 4 與 5 上的雙絞線(xiàn)連接后，可構成正端供電電源，而pin 腳 7 與 8 連接后，則會(huì )構成負端供電電源。

                         
 
                         圖2   備用線(xiàn)對供電 (Power over spare pairs)

    （2）使用數據線(xiàn)對。 由于以太網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)對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 )影響數據傳輸，在此操作模式下，pin 腳3與6的線(xiàn)對，以及 pin 腳1與2的線(xiàn)對都可以是正負任一極。說(shuō)明如圖3。

                        

                                   圖3   數據線(xiàn)對供電

    此規格無(wú)法使用兩組纜線(xiàn)，一定要從中選擇一種，之后電源供應設備 (PSE) 會(huì )將電源供應至選擇使用的一組纜線(xiàn)上，受電設備 (PD) 也必須能接受兩組線(xiàn)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。

    明確規格要求是為了避免損害現有的以太網(wǎng)絡(luò )設備，而供電設備執行的搜尋程序 (discovery process) 也會(huì )檢測以太網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)，尋找符合該規格的裝置。供電設備會(huì )將小電流限制電壓套用至纜線(xiàn)，以確認遠程裝置是否具備可完成搜尋的 25 kΩ 電阻器，并會(huì )在確認遠程裝置確實(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(xiàn)與設備。表 2 為提供單一纜線(xiàn)解決方案的工業(yè)數字相機接口標準對照。

                  表2   工業(yè)數字相機接口對照

       

    3 減少整體成本

    設計、安裝與維護纜線(xiàn)一向是工業(yè)機器視覺(jué)系統的主要成本之一，因此單一纜線(xiàn)的解決方案在工業(yè)機器視覺(jué)市場(chǎng)上都具有非常實(shí)用的功能。工業(yè)機器視覺(jué)系統在使用單一纜線(xiàn)解決方案后，便可提供更簡(jiǎn)化的安裝、更低的維護需求，以及減少整體成本，新一代的數字相機，甚至可更進(jìn)一步地減少使用電線(xiàn)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 標準可在完全不會(huì )與舊版的 Camera Link 標準沖突下，使相機能夠通過(guò)Camera Link 接頭連結并供電至相機，此解決方案最適合小型相機使用。

   4.2 IEEE 1394.b    

    PCIe-FIW64/PCIe-FIW62  






   （1）即插即用的操作、維護方便；

   （2）纜線(xiàn)供電(Power over cable)，減少電線(xiàn)數量。

   




     4.3 Gigabit Ethernet for Vision




    PCIe-GIE62+  

    （1）長(cháng)距離纜線(xiàn)：Gigabit 以太網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)最長(cháng)可達 100 米；

    （2）纜線(xiàn)供電(Power over Ethernet)，減少電線(xiàn)數量；

    （3）低接線(xiàn)成本：RJ-45 Cat-5e 纜線(xiàn)可為圖像采集應用提供具競爭優(yōu)勢的價(jià)格。



                                                              ——轉自《自動(dòng)化博覽》