USB auf der Überholspur

Erst zwei Jahre ist es her, da wurde USB 3.0 in einschlägigen Fachmagazinen als die Machine Vision Kameraschnittstelle mit dem am schnellsten wachsenden Marktanteil bezeichnet. Doch getreu der Binsenweisheit „Das Bessere ist der Feind des Guten“ zeichnet sich nun ab, dass die USB 3.1 Spezifikation dem USB 3.0 Standard schnell den Rang als das Kamera-Interface der Zukunft ablaufen wird und klar auf der Überholspur unterwegs ist.

Fast 10 Jahre ist die USB 3.0 Spezifikation schon alt, 2008 wurde der Standard veröffentlicht. Die wesentlichen Ziele bei dessen Entwicklung waren es, die Einschränkungen von USB 2.0 zu beseitigen. Es folgten eine um den Faktor 10 höhere Datenrate, ein optimiertes Energiemanagement der angeschlossenen Geräte sowie ein Verzicht auf das Poll-Verfahren des früheren USB-Protokolls, die existierende USB-Infrastruktur aber wurde beibehalten.

Im Hinblick auf die Bildverarbeitung brachte das Spezifikations-Upgrade damit spannende Vorteile. Die in den letzten Jahren entwickelten und immer leistungsstärkeren CMOS-Sensoren können nun mit maximaler Datenrate genutzt werden, zudem ist USB 3.0 die erste kostengünstige Schnittstelle, mit der sich das Potenzial schneller Sensoren wirklich ausschöpfen lässt. Mit der USB 3.1 Spezifikation, die im Juli 2013 kam, eröffnen sich aber noch viel mehr Möglichkeiten für Machine Vision Anwendungen. Es wurde nicht nur eine noch höhere Bandbreite eingeführt, es gibt auch einen neuen Stecker und es kann mehr Energie übertragen werden. Was bedeutet das im Einzelnen?

Welche Auswirkungen hat dies zum Beispiel auf die Übertragungsrate? Die USB 3.1 Spezifikation ersetzt technisch die USB 3.0 Spezifikation bei voller Abwärtskompatibilität zu USB 3.0 und 2.0. Aber es wird neben der bisherigen Datenrate von 5 Gbps eine weitere mit 10 Gbps eingeführt. Um die unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu kennzeichnen, definiert das USB-IF zwei Transferraten mit unterschiedlichen Logos: Der offizielle Name für USB 3.1 Gen 1 ist immer noch SuperSpeed USB. USB 3.1 Gen 1 und USB 3.0 sind somit Synonyme, die für die gleiche Übertragungsrate stehen.

Für USB 3.1 Gen 2 ist die Bezeichnung Superspeed USB 10 Gbps, die in der zweiten Generation damit eine doppelt so hohe Transferrate wie USB 3.0 verspricht. USB 3.1 kann also eine höhere Geschwindigkeit bedeuten, muss es aber nach Definition nicht.

Neuerungen gibt es vor allem beim Stecker: Der neue USB Type-C Stecker ist dazu bestimmt, in Zukunft der allgegenwärtige und einzige Universalstecker in einem PC zu werden. Aktuell wird der USB Type-C Stecker an Kabeln, Smartphones, Tablets, Festplatten, Monitoren, Docking-Stationen, Netzteilen, Notebooks, Desktop PC’s, USB-Sticks und so weiter verwendet. Er ist klein, vielseitig und kann vergleichsweise viel Energie übertragen – und das Beste: Er ist verdrehsicher.

Mit einer Höhe von nur 2,5 mm und einer Breite von etwa 8 mm ist er kleiner als die aktuellen Type-A oder Micro-B Stecker. Type-C weist 24 Pins auf und damit mehr als doppelt so viel, wie jeder andere USB Stecker. Beinhaltet sind die Superspeed Datenbusse, ein USB 2.0 Interface zur Abwärtskompatibilität, Stromversorgung, Masse und der Kommunikationskanal für das Power Delivery Protokoll. In Verbindung mit den Konfigurationsleitungen (CC) erlaubt der Verbinder auch alternative Betriebsarten. Damit können z.B. Display Port (DP Alt Mode), Thunderbolt oder andere Protokolle übertragen werden.

USB Type-C ist eine separate Spezifikation. Der Stecker ist optional für USB 3.1 Geräte. Technisch betrachtet liefern auch die bekannten Typ-A-Stecker volle USB 3.1 Gen 2 Geschwindigkeit. Jedoch bietet Type-C viel mehr Möglichkeiten: Ein Type-C Kabelaufbau mit Controller-Chips für den Konfigurationskanal (CC) in den Steckern beziehungsweise Buchsen wird als „elektronisch markiertes Kabel“ (EMCA) bezeichnet.

Diese Kabel kommunizieren mit dem Host-PC oder anderen Geräten und teilen ihnen ihre besonderen Fähigkeiten mit, wie zum Beispiel ihre Stromtragfähigkeit, mögliche Datentransferrate oder die Hersteller-ID (USB Type-C Kabel ID). Da diese Kabel bis zu 100 W Leistung transportieren können, ist es besonders wichtig, dass sie ihre elektrischen Fähigkeiten korrekt weitergeben. Alle vollbelegten USB Type-C Kabel müssen deshalb elektronisch markiert sein.

Neu ist auch USB Power Delivery: Die USB Power Delivery Spezifikation 3.0 wurde im März 2016 veröffentlicht und erlaubt einen Leistungstransfer bis 20 V und 5 A (100 W). Power Delivery ist keine zwingende Voraussetzung für Type-C Verbinder. Grundsätzlich ist es möglich, den Type-C Stecker auch für Geräte zu verwenden, die das Power Delivery Protokoll nicht unterstützen. Jedoch funktionieren der unabhängige Rollentausch von Stromlieferant und Verbraucher sowie die Aushandlung der benötigten Spannungsversorgung für hohe Flexibilität nur mit USB PD. Das geht sogar unterbrechungsfrei während des Betriebs.

Wie profitieren Machine Vision Kameras aus der Kombination dieser drei Neuerungen des USB 3.1 Standards? Wenn einer Kamera mehr elektrische Leistung zur Verfügung steht, als sie selbst benötigt, kann sie das Mehr an Leistung der angeschlossenen Kameraperipherie zur Verfügung stellen. Für diese Peripherie muss dann kein zusätzliches Netzteil im System eingeplant werden. Die U-Eye LE USB 3.1 Gen 1 Kamera von IDS ist eine Kamera der neuesten Generation mit Type-C Stecker. Sie kann 15 W Ausgangsleistung erbringen – genug, um zum Beispiel eine Beleuchtung durch die Kamera selbst zu versorgen.

Von der bevorstehenden Verdopplung der Transferrate auf Superspeed 10 Gbps werden nicht nur sehr schnelle Sensoren profitieren, auch alternative Datenausgabeformate in RGB oder Bittiefen mit mehr als 8 Bit lassen sich selbst bei hohen Frame-Raten effizient übertragen. Hinsichtlich der für Machine Vision Anwender wichtigen Frage nach der möglichen Kabellänge hat sich – zumindest für die 5 Gbps Geschwindigkeit – nichts verändert. Die Kabellänge wird durch die Spezifikation nicht limitiert. Sie definiert lediglich elektrische Parameter wie zum Beispiel den Spannungsabfall, die Signal-Anstiegszeit, den Widerstand und so weiter. Mit USB 3.1 Gen 2 wird es aber für die Kabelhersteller schwieriger, die vorgegebenen Parameter einzuhalten. Werden jedoch hochqualitative Materialien und Montagemethoden verwendet, gibt es hinsichtlich der maximalen Länge keine Beschränkungen. USB Type-C kann auch bei der Herstellung von langen Kabeln von Vorteil sein.

Mit der Möglichkeit von aktiven EMCAs kann zusätzliche Elektronik eingesetzt werden, um die Signale der Datenpfade aufzubereiten beziehungsweise auf ein optisches Trägermedium (Glasfaser, Active-Optical-Cable) umzusetzen, um die möglichen Kabellängen zu maximieren. USB Type-C Stecker sind auch für industrielle Anwendungen geeignet. Verschraubbare Varianten und auch hoch-flexible Schleppkettenkabel für Robotik-Anwendungen sind möglich. Eine Spezifikation für verschraubbare USB Type-C Stecker hat die USB-IF Arbeitsgruppe „Device Working Group (DWG) bereits veröffentlicht.

Als Fazit lässt sich somit festhalten: Neue Begriffe und Spezifikationen um USB 3.1 sorgen gegenwärtig noch für etwas Verwirrung: USB 3.1 Gen 1 und USB 3.1 Gen 2, USB Type-C, USB Power Delivery. Um es für alle Anwender etwas einfacher zu gestalten, hatte das USB Implementers Forum (USB-IF) die Idee, dass die Hersteller von USB 3.1 Komponenten klar darauf hinweisen sollen, welche Geschwindigkeit, welche Energie und Stekkereigenschaften jedes einzelne Gerät besitzt.

USB 3.1 Gen 1 Kameras mit USB Type-C Stecker und USB Power Delivery bieten schon jetzt neue interessante Features für die industrielle Bildverarbeitung und warten mit einem einfachen und nahtlosen Übergang zur doppelten Datenrate auf. Der Anschluss ist zudem verschraubbar und verdrehsicher und damit 100 % industrietauglich, außerdem ermöglicht er eine noch kompaktere Bauart der Kamera.

Power Delivery versorgt das Gerät mit ausreichend Leistung, was die Verkabelung vereinfacht und Zeit und Kosten bei der Integration spart. Apropos Integration: USB 3.1 Gen 1 und Gen 2 Kameras sind selbstverständlich vollständig kompatibel zu USB 3 Vision. ■

Heiko Seitz

Technischer Redakteur

IDS Imaging

Um zwei weitere Modelle mit USB Type-C Anschluss hat IDS hat seine U-Eye LE USB 3.1 Gen 1 Kameraserie erweitert. Neben den Versionen mit den Rolling Shutter Sensoren IMX290 und IMX178 von Sony sind nun auch Varianten mit dem preisgünstigen Global Shutter SVGA-Sensor Python 480 von ON Semiconductor und dem 3,2 MPixel Sensor IMX265 von Sony erhältlich. Die USB 3.1 Gen 1 Projektkamera wird als Einplatinenkamera ohne Objektivhalter, als Einplatinenkamera mit S-Mount oder mit CS-/C-Mount sowie als Gehäuseversion mit C-/CS-Mount angeboten. In Verbindung mit der IDS Software Suite Version 4.82 unterstützt sie auch USB Power Delivery (PD).

Die U-Eye LE USB 3.1 Gen 1 Reihe ist eine auf das Wesentliche reduzierte Industriekameraserie. Mit ihren minimalen Abmessungen – die Einplatinenlösung misst nur 36 x 36 mm – lässt sie sich auf engstem Raum integrieren. Entsprechend flexibel ist ihr Einsatzspektrum, das vom klassischen Machine-Vision-Umfeld über den Instrumentenbau und die Mikroskopie bis zu kompakten Embedded-Vision-Systemen reicht. Um unterschiedlichsten Einbausituationen gerecht zu werden, kann die Boardlevel-Kamera außerdem mit liegendem oder stehendem USB Type-C Anschluss geordert werden.

USB 3.1 ist nicht gleich USB 3.1, denn der Zusatz ist entscheidend: Superspeed oder Superspeed Plus? Während USB 3.1 Gen 1 Kameras über Transferraten bis zu 5 Gbps verfügen (Superspeed), liefern USB 3.1 Gen 2 Kameras die doppelte Geschwindigkeit von bis zu 10 Gbps (Superspeed Plus). Die ersten Chipsätze, die sich für die Entwicklung von USB 3.1 Gen 2 Industriekameras eignen, werden voraussichtlich in diesem Jahr verfügbar sein. Superspeed Plus stellt indes höhere Anforderungen an die Signalqualität und damit an die Kabel: Dürfen diese bei 5 GBit/s noch etwa 3 m lang sein, schreibt die Type-C-Spezifikation für 10 GBit/s maximal 1 m vor.

Bild: David Yeo T B/Fotolia

Die Neuerungen der USB-3.1-Spezifikation und die Vorteile als Kamera-Interface stellt Daniel Seiler, Geschäftsführer von IDS, in diesem Video vor: http://hier.pro/rQZWz. Einfacher geht‘s über das Scannen des QR-Codes.