Eltec Elektronik hat auf dem Gebiet der Bildverarbeitung und Computertechnik ein innovatives Kamerakonzept entwickelt, das modular aufgebaut ist und vielfältige Applikationen adressiert. Dabei wird die gesamte Anwendungsbreite der Embedded-Technologien genutzt.
Die skalierbare Multichannel-Lösung kann bis zu 32 Kameras an einer Basiseinheit verarbeiten, während mit Ethernet-Patchkabeln eine industrietaugliche, kostengünstige Verkabelung gewährleistet ist. Von ELTEC werden so komplette Lösungen rund um dieses intelligente Kamerakonzept bis hin zum Auswerterechner unterstützt. Damit können vielfältige Applikationen adressiert werden, von der Elektronikfertigung, Automatisierung und Prozesssteuerung über Transport- und Logistik-Aufgaben bis hin zu Sicherheitsanwendungen. Die Basiskomponenten der Kameralösung sind:
- Kameraköpfe mit CCD- und CMOS-Sensoren
- COM Express- und ETX-CPU-Module
- Framegrabber mit bis zu 32 Kameraanschlüssen
- Rechnerinterfaces mit FPGA-Technologie
- Applikationsbezogene I/O
- Linux- und Windows-Software
Wenn Objekte aus verschiedenen Blickwinkeln überprüft oder sehr große Bildfelder beobachtet werden müssen, steigt die Bandbreite von der Kamera zum Rechner signifikant an. Daher gibt es immer mehr Applikationen, die viele Kameras mit großen Sensoren an einem Rechner erfordern. Die Zielsetzung war daher eine Lösung mit intelligenten, abgesetzten Kameraköpfen, einem industrietauglichen und kosteneffektiven Kabelkonzept zur digitalen Bildübertragung und eine modulare, skalierbare Architektur. Darüber hinaus sollte das Kamerasystem die hohe Bandbreite modernster Server-Chipsätze nutzbar machen und auch noch in ein kompaktes Wetterschutzgehäuse passen.
CMOS-Sensoren mit hoher Ausleserate
In den Kameras kommen bevorzugt CMOS-Sensorchips zum Einsatz, da sie eine hohe Ausleserate bieten und bei hoher Auflösung relativ kostengünstig sind. Kamera-Varianten mit einem Full-Frame-Shutter waren gefordert, damit die ovalen Verzerrungen durch einen Rolling-Shutter nicht mehr stören. CMOS-Sensoren bieten sich hier für kompakte Aufbauten an, es gibt allerdings nur wenige mit dem gewünschten Verschluss, der ein ganzes Bild auf einen Impuls hin „einfriert“.
Die von Eltec eingesetzten CMOS-Sensoren mit Wide-VGA-Auflösung und einer Frame-Rate von 50 Hz verfügen über einen Freeze-Frame-Shutter zur formgetreuen Aufnahme bewegter Objekte und ermöglichen die Übertragung per LVDS mit bis zu 700 Mbit pro Kanal. Für besondere Anforderungen, zum Beispiel an ein reduziertes Rauschen, sind auch Implementierungen mit CCD-Sensoren möglich. Die Kameraköpfe mit den Sensoren sind klein und leicht (die CCD-Version misst 47 x 40 x 40 mm), trotzdem kann ein Standard-C-Mount-Objektiv verwendet werden.
Daten kommen digitalisiert vom Sensor
Die Daten kommen vom Sensor bereits in digitaler Form, sodass die Umsetzung auf ein serielles LVDS-Format relativ einfach ist. Durch geeignete Auswahl der Übertragungsfrequenzen können günstige Patchkabel für Gigabit-Ethernet verwendet werden. Diese Kabel können zwischen 20 cm und 15 Meter lang sein, was sehr flexible Aufbauten ermöglicht.
Die Steuerung der Kameras erfolgt unabhängig von der Pixel-Schnittstelle über eine störsichere RS-485-Verbindung. Das Pixel-Interface ist bei den Kameras und Framegrabbern komplett in FPGAs implementiert. Damit können mehrere Kabel flexibel parallelisiert werden. Durch die in den FPGAs implementierte Fehlererkennung ist eine Überprüfung der Datenkonsistenz einfach durchführbar.
Das Übertragungsformat wurde so gewählt, dass bei reduzierten Verkabelungskosten maximale Übertragungsraten erreicht werden. Für die Verkabelung boten sich die kostengünstigen Patch-Kabel der Kategorie CAT 5e an, wie sie in großen Stückzahlen für Gigabit-Ethernet eingesetzt werden. Die elektrische Übertragung der Bilddaten erfolgt über eine LVDS-Schnittstelle.
Für die erforderliche Rechenleistung kommen in den intelligenten Kameraeinheiten schnelle und dennoch Strom sparende ETX- oder COM Express CPU-Module zum Einsatz. Diese CPU-Module bieten die komplette Funktionalität eines PCs auf einer Karte. Mit einem entsprechenden Grafikausgang kann ein volles Betriebssystem mit grafischer Oberfläche genutzt werden.
Die CPU-Module sitzen auf Trägerkarten, die projekt-spezifische I/Os tragen. Auch hier kommen wieder die Flexibilitäts-Vorteile eines FPGAs zum Tragen. Für die Steuerungs-Ausgaben wird eine Feldbus-Schnittstelle genutzt, denn hier gibt es fertige Interfaces, die die anspruchsvolle Echtzeit-Kommunikation beherrschen und die über Dual-Port-RAMs gut ansprechbar sind.
Was von den Kameras übertragen wird, muss natürlich auch im Rechner verarbeitet werden können. Hier kommt ein Standard-PC mit seinen drei Erweiterungssteckplätzen schnell an seine Grenzen. Bei Kameras mit hoher Bildrate oder mehreren Kameras bietet hier die Servertechnik mit ihrer Bandbreite wesentliche Vorteile. Damit können bis zu 32 Kameras, die alle ihre Daten gleichzeitig übertragen, an ein System angeschlossen werden. Darüber hinaus werden auch Netzwerk-Interfaces für einen direkten Anschluss an Gigabit-Ethernet angeboten. Als Software-Unterstützung steht das Eltec-Toolkit zur Verfügung, das es in einer Linux- und Windows-Ausführung gibt. Die Steuerung der Kameras über RS-485 wird mit Beispielroutinen im Quellcode unterstützt.
Eltec Elektronik, Mainz
QE 525
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