Bildverarbeitungssysteme werden immer leistungsfähiger. Die wachsende Zahl installierter Systeme für verschiedenste Applikationen belegt das. Immer mehr Prozesse in der industriellen Fertigung werden mit optischen Komponenten überwacht und Online ausgewertet. Ob es um Leiterplattenbestückung, Überprüfung von Schweißnähten oder um Partikeldetektion bei Kunststoffen geht, Bildverarbeitungssysteme helfen Produktionsschritte zu optimieren und Qualität zu sichern.
Dr. Rainer Vetter, Vertrieb, Kappa opto-electronics, Gleichen
Die immer größer werdenden Anforderungen müssen durch sehr gut aufeinander abgestimmte Komponenten erfüllt werden. Eines der zentralen Komponenten ist das Kamerasystem. Es muss für die industrielle Bildverarbeitung höchste Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum bieten und mit hohem Tempo hochaufgelöste, brillante Bilder mit 10 oder 12 Bit Digitalisierungstiefe liefern, häufig auch unter extremen Bedingungen. Eine weitere Schlüsselkomponente ist die Rechnereinheit mit der automatischen Bildverarbeitungssoftware. Nicht nur die Bildverarbeitung im Rechner muss rasend schnell geschehen, sondern auch der Transport der Bilddaten vom Kamerasystem in den Rechner und letztendlich auch die Steuerung weiterer Komponenten (z.B. Roboter, Weichen). Um diese Komponenten ideal zu verknüpfen und eine schnelle Datenübertragung zu ermöglichen, ist eine Schnittstelle mit ausreichender Bandbreite erforderlich. Sie sollte auch über beste physikalische Übertragungseigenschaften verfügen, um die Bildsignalqualität zu schützen. Kamerasysteme im professionellen Bereich besitzen häufig proprietäre Schnittstellen. Die Systemhersteller waren gezwungen, eigene Schnittstellen zu entwickeln, besonders für die digitalen Kamerasysteme, um beste Leistung in Punkto Schnelligkeit und Signalqualität weiterzugeben. Aufgrund sehr hoher Leistungsanforderungen und fehlender Standards ließ sich das bisher kaum vermeiden. Seit einiger Zeit ist diese Suche endlich beendet. Die vielen Einzellösungen sind Vergangenheit. Entlastung kommt von den standardisierten Schnittstellen, IEEE 1394 und USB. Ein Vergleich der beiden Schnittstellen USB und 1394 ist schwierig. Denn USB 1.1 ist nicht für Applikationen mit großer Bandbreite geeignet und USB 2.0, mit deutlich höheren Übertragungsraten, kommt gerade erst auf den Markt. Andererseits ist der neue IEEE 1394b Standard bereits verabschiedet, so dass in Kürze Geräte mit IEEE-1394b Schnittstelle verfügbar werden, die zumindest die Datenübertragungsrate von USB 2.0 in den Schatten stellen.
IEEE 1394 heißt bei Apple FireWire, wohl der bekannteste Name für diese Schnittstelle, die Sony i-Link nennt. Die ursprünglich von Apple entwickelte und 1995 standardisierte Schnittstelle hat einiges zu bieten:
– Datentransferraten von 100, 200, oder 400 Mbit/s
– Geräte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten können an einem Bus betrieben werden
– Relativ dünne und preiswerte serielle Kabel
– Echtes „Hot Plugging“, Geräte können während des Betriebs an- und abgeschlossen werden
– Automatische Konfiguration, keine Einstellungen wie Geräte-ID’s, Abschluss-wiederstände o.ä. notwendig
– An einem Bus lassen sich 63 Geräte anschließen, theoretisch durch den Einsatz von Bridges sogar 1023
– Geräte lassen sich über das IEEE 1394 Anschlusskabel mit Spannung versorgen, die nach der Spezifikation zwischen 8 und 40 Volt bei max. 1,5 Ampere betragen darf.
Die zur Zeit noch aktuelle Version des IEEE-1394 Standards ist wie der Konkurrent USB ein serielles Bussystem. Die Anschlusskabel sind 6-adrig, zwei abgeschirmte Adernpaare für die Datenübertragung und 1 Paar für die Spannungsversorgung. So ein Anschlusskabel kann nach der IEEE-1394-1995 Spezifikation bis zu 4,5 m lang sein. Geräte mit dieser Schnittstelle und mehr als einem Port fungieren auch als Hub. Die im Gerät integrierten IEEE-1394 Chips sind gleichzeitig Repeater, die die Signale an andere Geräte weiterleiten. Wenn mehrere Geräte miteinander verbunden werden sollen, sind keine speziellen Hubs notwendig. Beim Verbinden der Geräte müssen lediglich zwei Bedingungen erfüllt werden: Ringverbindungen sind nicht erlaubt und zwischen je zwei Geräten dürfen maximal 16 Kabelverbindungen liegen. Damit beträgt die maximale Distanz in so einem System 72 m. Anders als bei USB funktioniert IEEE-1394 ohne einen dedizierten Host, der die Aufsicht und Steuerung des Datenverkehrs übernimmt. Dennoch müssen auch in einem IEEE-1394 System verschiedene Aufgaben von einzelnen Geräten übernommen werden. Die Konfiguration geschieht jedoch vollkommen automatisch und wird jedes Mal durchgeführt, wenn sich die Struktur des Systems geändert hat, also wenn z.B. Geräte hinzugefügt oder entfernt wurden. Dieser Auto-Konfigurationsprozess besteht aus verschiedenen Stufen, die nacheinander ablaufen. Zuerst findet ein Bus-Reset statt. Danach folgt eine Baumidentifizierung, bei der ein Gerät die Aufgabe des Root Node übernimmt (Bus Manager und Isochronous Resource Manager) und die anderen Geräte als Leaf Node (Gerät am Ende eines IEEE-1394 Stranges) und Branch Node (Gerät, an dem sich ein IEEE-1394 Strang aufteilt) identifiziert werden müssen.
Bei der anschließenden Selbstidentifikation werden u.a. die Geräte-IDs vergeben. Durch diese flexible Bustopologie kann jedes Gerät im System direkt erreicht werden. In einem 1394-System muss nicht zwingend ein PC enthalten sein, so könnte eine Kamera direkt mit dem Monitor und der Speichereinheit Verbindung aufnehmen. In der Spezifikation zur IEEE-1394 sind zwei verschiedene Übertragungsmodi definiert, der isochrone und der asynchrone Modus. Der isochrone Modus ist die richtige Wahl, wenn es um Übertragungen in Echtzeit oder um zeitkritischen Datentransfer geht. Im isochronen Modus lässt sich bis zu 80 Prozent der Busbandbreite reservieren. Dieser Modus erlaubt es allerdings nicht, die übertragenen Daten auf Fehlerfreiheit zu prüfen und gegebenenfalls erneut zu senden. Dies ist im asynchronen Modus möglich, bei dem die Daten zu Paketen gepackt und der Empfang vom empfangenden Gerät bestätigt wird. All das bedeutet für Anwender und Systemanbieter, dass eine leistungsfähige, standardisierte High-Speed Schnittstelle zur Verfügung steht, deren Inbetriebnahme durch die Autokonfiguration sehr einfach ist. Kappa opto-electronics hat sich für diese High-Speed Schnittstelle entschieden und bietet Industriekameras mit FireWire Übertragungstechnologie im hochauflösenden Bereich und mit Standard-Auflösung (DX 20-1394a und DX 10-1394a) sowie Fire Wire Module und Systemkomponenten. Sowohl die Übertragungsraten und gute Handhabbarkeit als auch die breite Akzeptanz und nicht zuletzt der Preis für eine IEEE 1394 Schnittstellenkarte und Kabel prädestinieren diese serielle High-Speed Schnittstelle für viele Applikationen. Die Entscheidung vorerst gegen USB und für 1394 ist vor allem zu Gunsten der zeitkritischen Bildverarbeitungs-Applikationen gefallen, um hier eine schnelle Geräteverbindung zu sichern. Doch es wird in zukünftigen Systemen nicht nur Platz für eine Schnittstelle sein. Es ist vorstellbar, dass beide Schnittstellen nebeneinander existieren. USB würde dann die Verbindung von langsamen Geräten, die geringere Anforderungen bezüglich der Bandbreite haben, bedienen.
Teilen:
