Verkabelungen für USB3.0 Machine Vision
Mit der Bandbreite steigen die Anforderungen
Als 2009 die erste USB3.0-Kamera vorgestellt wurde, wuchsen die Erwartungen an diese Schnittstelle ins Unermessliche. Unterstützt durch den von der AIA vorangetriebenen VisionUSB3-Standard wächst der Markt an verfügbaren Kamerasystemen und den zugehörigen Komponenten stetig. Jedoch – aktuell noch fast unbemerkt – steigen auch die Herausforderungen an USB3.0. Durch den Einsatz von neuen Sensoren wachsen auch die Anforderungen an alle Komponenten, insbesondere an der Verkabelung.
Im passiven Bereich sind seit längerem Kabellängen bis 10m realisierbar. Im aktiven Bereich arbeitet man sowohl an kurzen, aktiven kupferbasierenden Lösungen, um z.B. eine 3m Schleppkettenlösung zu erweitern, als auch an smarten Hybrid-Lösungen, basierend auf einer Kupfer/Glasfaserhybridleitung, welche bis zu 20m volle USB3 Kompatibilität gewährleisten. Jedoch gerade der (preislich attraktivere) passive Verkabelungsbereich bis 8m steht verstärkt unter Beobachtung: Während die ersten Kameragenerationen noch nicht die volle Bandbreite des USB3-Standards ausnutzten, steigen durch den Einsatz von CMOS-Sensoren die Anforderungen an alle Komponenten. Neben einem verstärkten Augenmerk auf das Thema Voltage-Drop wird auch die volle Bereitstellung der USB3.0-Bandbreite immer wichtiger. Während im Konsumerbereich das ganze durch die Vorgaben des USB-IF- Standards recht ‚einfach‘ ist, ist die 100%-Umsetzung des Standards in der Bildverarbeitung leider realitätsfern. Gerade passive Verkabelungen mit einem MicroB-Steckverbinder wären dadurch auf maximale Kabellängen von ca. einem bis drei Meter begrenzt. Dies würde zwar sämtliche Probleme aus der Welt schaffen, aber zeitgleich auch die möglichen Applikationen und somit die Marktdurchdringung des USB3.0-Interfaces stark einschränken. Aktive Lösungen sind dagegen meist teurer bzw. bestehen aus mehreren Komponenten, was wiederum die Fehleranfälligkeit erhöht.
Nadelöhr MicroB-Steckverbinder
Dies bedeutet für die Lösungsanbieter, den goldenen Mittelweg zu finden, das heißt sich möglichst weit an die bestehenden Standards anzulehnen, aber trotzdem Grenzwerte zu überschreiten und Kabellängen von 5m und mehr zu ermöglichen. Bedingt durch die Vielzahl an USB3.0-Kameras, deren interner Aufbau ebenso einen Einfluss auf die möglichen maximalen Kabellängen hat, wie die Anzahl an USB3.0-Hubs, -Ports und -Rechner, stellt das Kabel immer stärker ein Bindeglied dar, was simpel gesprochen einfach ‚funktionieren‘ muss. Bei Tests zeigte sich, dass gerade der MicroB-Steckverbinder ein Nadelöhr darstellt. Die für die Industrie nötigen Kabelquerschnitte lassen sich bei einer Vielzahl von möglichen MicroB-Steckverbindern nur bedingt anlöten. Hier kann die falsche Auswahl des Steckerkörpers – neben einem immensen Einfluss auf Laufzeitunterschiede – zu mechanischen Problemen führen. Bei Tests führten stellenweise schon vertikale Zugwirkungen am Kabel zu Kontaktunterbrechungen zwischen Steckverbinder und Kamera, obwohl der Steckverbinder fest mit der Kamera verschraubt war. Hintergrund sind die stellenweise am Markt eingesetzten Umspritzungen. Trotz Verschraubung geben diese leicht nach und unterbrechen so die Verbindung. Daher setzt man zukünftig auf ein neuartiges Die-Cast-Gehäuse (Bild 2), welches neben einer Reduzierung des oben genannten Effektes, ebenso die Einhaltung der mechanischen Vorgaben des VisionUSB3-Standards vereinfacht und über die Serie garantiert. Erste Muster sind bereits verfügbar, die Serienverfügbarkeit der 3, 5 und 8m- Varianten ist für September 2013 geplant.
Laufzeitunterschiede und Bandbreite als K.-o.-Kriterium
Im nächsten Schritt wird das Augenmerk auf eventuelle Laufzeitunterschiede und die Bandbreite gelegt. Das Thema Voltage Drop lässt sich durch eine Erhöhung des Kabelquerschnittes der stromführenden Leitung erledigen, wobei auch hier das Thema MicroB-Steckverbinderanbindung nicht unterschätzt werden darf. Laufzeitunterschiede entstehen größtenteils im bzw. am MicroB-Steckverbinder und können nur durch eine extreme Sorgfalt bei der Konfektionierung eingegrenzt werden. Alysium-Tech hält sich weiter vor, gegebenenfalls einen neuen Steckverbinderkörper zu entwickeln, der dieses Problem weiter reduziert. Um die volle Bandbreite der USB3.0-Verkabelung zu gewährleisten, wird verstärkt in verschiedenen Testaufbauten investiert. Ein optimales Augendiagramm (Bild 1) weist darauf hin, dass die Verkabelung in der Lage ist, die volle Bandbreite zu unterstützen. Dies muss noch in ausführlichen Tests mit verschiedenen Kameras, Hubs, USB3-Karten und Rechnern bewiesen werden. Hier arbeitet man mit den verschiedenen Kameraherstellern zusammen, um einen Testaufbau auch für die Serie zu standardisieren. Gerade bei Überlängen sind diese Testaufbauten notwendig, da man stellenweise am Limit arbeitet. Nach Einschätzung von Alysium-Tech wird u.a. dieses Thema über die Zukunft von USB3.0 im Industriebereich entscheiden.
