Acerca del USB3 Vision…

USB3 Vision se ha convertido en un estándar industrial gracias a su conectividad y amplio ancho de banda. ¿A qué es debido dicha aceptación e implantación como uno de los protocolos de referencia en visión artificial?

En los últimos años, USB3 Vision se ha convertido en un estándar industrial gracias a su conectividad y amplio ancho de banda, alcanzando velocidades de hasta 350 MB/s. Hablamos ya de este estándar como el sucesor de Firewire y USB 2.0.

 

 

Pero, ¿A qué es debido dicha aceptación e implantación como uno de los protocolos de referencia en visión artificial?

Un poco de historia y buenas prácticas a la hora de su uso…

 

USB 2.0 vs USB 3.0

USB 3.0 fue lanzado en noviembre del 2008, unos 8 años luego del lanzamiento de USB 2.0. Un largo tiempo para incorporar mejoras y no defraudar con el resultado…

  • Velocidad de transferencia: USB 2.0 ofrece una velocidad de 480 Mb/s mientras que USB 3.0 ofrece una velocidad de 4.8 Gb/s, 10 veces más rápido en manejo de data.

 

  • Añade otro “bus” físico: La cantidad de vías en el USB 3.0 se incrementa, subiendo de 4 a 9. Estos pines adicionales requieren más espacio en cables y conectores, así que aparecen nuevos tipos de conectores.

 

 

  • El USB 2.0 es capaz de entregar hasta 500 mA mientras que el USB 3.0 proporciona hasta 900 mA. Los puertos USB 3.0 son capaces de entregar más energía pero a su vez de forma mucho más eficiente.

USB 3.0 soporta un acceso directo a memoria (Direct Memory Access, DMA) que minimiza la carga de la CPU. Este es un aspecto crítico a tener en cuenta en aplicaciones que requieren un amplio ancho de banda

 

  • Más ancho de banda: USB 2.0 implementa una conexión unilateral, mientras USB 3.0 hace uso de una comunicación bilateral, uno para transmitir y otro para recibir los datos.

 

  • Verdadera conectividad plug-and-play. El dispositivo de USB 3.0 notifica sin demora que está listo para usarse.

 

Este interface convive con otros estándares como GigE Vision o CameraLink y la elección de este irá ligado a los requisitos de nuestra aplicación. USB 3 presenta una inmediata conectividad plug-and-play y un amplio ancho de banda mientras que GigE permite una versátil configuración en sistemas multi-cámara.

 

¿USB 3.0 o USB3 Vision?

¿Hablamos de lo mismo? No, no hablamos de lo mismo.

USB3 Vision corresponde al estándar para la visión artificial industrial. Toma de base el interface USB 3.0 pero sujeto a una estandarización para “eliminar cualquier problema” en la interconexión de cámaras y controladores.

Tal y como sucedió con el interface GigE, definido como parte del estándar GigE Vision, USB3 Vision se apoya en el interfaz de programación más común hoy en día para las cámaras industriales: GenICam.

USB3 Vision y GenICam aportan la estabilidad y mínima latencia necesaria durante una transferencia de imagen y control de las cámaras.

 

El estándar fue oficialmente publicado en 2013 por la AIA (Automated Imaging Association) y proporciona el estándar oficial para el interfaz USB 3.0 en la visión artificial industrial.

 

 

Antes de la aparición del estándar del estándar USB3 Vision, no existía una norma para USB en la industria de la visión artificial. Hasta entonces, varios fabricantes de cámaras lanzaban sus propios desarrollos y soluciones basadas en USB 2.0. Normalmente esto no era suficiente para asegurar la estabilidad de la solución completa con los niveles requeridos por una aplicación industrial.

El estándar USB3 define sus propias capas de transporte, adaptadas a las necesidades de la visión artificial. Incluye la capa de Control, la capa de Eventos para transferir eventos de forma asíncrona, y la capa de Datos que asegura que la información se transporte de forma rápida y fiable.

 

Conexión de cámaras USB3 a un PC o controlador.

Aunque los puertos USB 3.0 puedan ser compatibles con USB 2.0 a nivel de conexión, un puerto USB 3.0 es diseñado para proporcionar 4.5W de potencia mientras que la mayoría de USB 2.0 entregan 500mA a 5V, 2.5W.

Existen variaciones según las distintas placas madre utilizadas, la distribución de los componentes en la placa o bien el chip utilizado. Son puntos a tener en cuenta dependiendo de las exigencias de ancho de banda o la potencia consumida por nuestra/s cámara/s por ejemplo.

 

 

 

Optimización del ancho de banda

Las placas madre que comúnmente ofrecen múltiples puertos USB 3.0 suelen tratarse de hubs, por el ahorro de costes de fabricación y componentes. Por ejemplo, no es raro encontrar placas con 8 conexiones USB 3.0 pero que solo disponen de dos o un único chip.

Esto significa que todas las conexiones son direccionadas a un solo canal físico y el ancho de banda distribuido a las distintas cámaras conectadas.

Si bien el uso de hubs (en placa o externos) es una solución muy económica, idealmente, el ancho de banda de cada cámara necesita ser gestionado individualmente para evitar pérdida de frames o saturar el bus. Aunque la cámara sea capaz de entregar 350 MB/s de data de entrada, de poco nos sirve si no aseguramos que el PC o controlador es capaz de gestionarlo eficientemente.

Debido a esto, la solución óptima es el uso de tarjetas de adquisición (o framegrabbers) con un chip dedicado a cada puerto, “true USB 3.0 port connectivity”.

En el caso de las tarjetas PCIe, encontramos de vías simples x1 pero estas no soportan el ancho de banda completo del USB 3.0.

Utilizaremos tarjetas con vías x4 o superior, siendo capaces de gestionar 1GB/s en la versión PCIe 1.0,  500 MB/s per línea en la 2.0, o 985 MB/s por línea en la 3.0.

 

Cableado USB 3.0

Debido a todo lo comentado, algunas veces es recomendable utilizar cableado especial pero, en muchas otras, es garantía de funcionamiento.

Las cámaras y el controlador no siempre podrán estar cerca, pues el USB 3.0 presenta una limitación de 5m de longitud en el cableado. A partir de esta longitud, la extensión de cableado mediante cables pasivos deriva en pérdida de señal, afectando significantemente al funcionamiento del sistema.

Muchas aplicaciones requieren de mayor longitud de los cables para la interconexión de los dispositivos. Existen para ello diferentes soluciones como cables pasivos, cables activos o extensores de fibra.

 

 

En el momento en que las distancias se incrementan, los fabricantes integran chips de silicio para mantener la calidad de la señal. Son los cables activos.

A 20m o más, la solución fiable pasa por ya no utilizar cableado de cobre sino dispositivos basados en fibra óptica. Un extensor de fibra consiste en dos transceptores que convierten la señal eléctrica a una señal óptica y viceversa.

Otra solución que debemos considerar inicialmente si nuestra aplicación requiere de largas distancias entre cámaras y controlador, es la de la utilizar GigE Vision y no USB3 Vision.

 

Autor: Jaume Fontanella

 

 

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