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Die moderne Schnittstelle für die Generation Plug & Play

Gerade wenn es schnell gehen muss, spielt USB3 Vision seine Stärken aus. Und nicht nur bei der Installation sparen Sie Zeit. Auch die Übertragungsraten können sich – je nach Hardware – mit bis zu 350 MByte/s sehen lassen.
USB3 ist die Schnittstelle für Menschen, bei denen ein Gerät funktionieren muss, wenn die Stecker passen.

Die Machine Vision Schnittstelle an der Frontseite Ihres PCs

Seit vielen Jahren haben sich Geräte mit dem Standard USB am Markt durchgesetzt. Ob Eingabegeräte, externe Festplatten oder Gimmicks mit zweifelhaftem Nutzen. Von Anfang an fanden sich Webcams unter den Geräten mit dem rechteckigen Stecker. Mit der Einführung von USB3 Vision steht nun auch der professionellen Nutzung von Kameras an USB nichts mehr im Wege.

Wissenswertes zu USB3 Vision und dem Universal Serial Bus

Historie von USB3 Vision

1996 wurden erstmals Versuche unternommen, die verschiedenen Schnittstellen auf dem Mark zu einer zusammen zu fassen. Schon in den ersten Fassungen sollte USB nicht nur Eingabegeräte wie Tastaturen und Mäuse umfassen, sondern breiter aufgestellt werden. Drucker, Scanner und externe Speicher sollten ebenfalls integriert werden. Somit war die Entwicklung von USB eine sehr ambitionierte Aufgabe.

Es sollte noch bis 1998 dauern bis Chipsätze für USB auf dem Endgeräte-Markt zu finden waren. Dazu kam, dass erst Windows XP USB vollständig unterstützte.

USB war auch mit der Überarbeitung zu 1.1 langsam (12Mbit/s) und wenig verbreitet.

Der schon 1995 von Apple integrierte Standard FireWire (IEEE 1394) 400 war USB um Längen voraus.

Erst mit der Revision zu 2.0 zur Jahrtausendwende ergaben sich mit einer auf 480 Mbit/s erhöhten Datenrate neue Möglichkeiten und eine wachsende Akzeptanz, des von Intel und Microsoft in den Markt gedrückten Standards. Steigende Stückzahlen ab dem Jahr 2002 senkten die Preise und machten USB attraktiv für Multifunktionsdrucker, Webcams und externe Speichermedien.

2003 erhöhte Apple die Schlagzahl für FireWire auf 800 Mbit/s.

2008 zog USB3 nach und findet sich seit 2011 in den meisten PC's. Zeitgleich und in Zusammenarbeit von Intel mit Apple entwickelten diese beiden die Thunderbolt-Schnittstelle, die wiederum doppelt so schnell sein soll wie USB3.

Trotzdem ist und bleibt USB bis auf Weiteres die Schnittstelle, die sich auf dem Consumer-Bereich am besten hat durchsetzen können. Ihr ist es zu verdanken, dass beim Kauf eines Gerätes kaum noch ein Gedanke an die passende Buchse verschwendet werden muss.

USB in der Bildverarbeitung

Im professionellen Sektor hatte es schon zu Zeiten von USB 2.0 Versuche gegeben, Kameras mit Consumer-USB für die Bildverarbeitung einzusetzen. 

Erst mit der Standardisierung zu USB3 Vision seitens der AIA im Jahre 2013 und einer Datenrate von brutto 5 Gbit/s, entstand ein fassbarer Mehrwert für den Apparatebau und 'Embedded Applications'.

Kameras mit USB3 Vision sind mit ihrer Plug & Play Kompatibilität schnell und platzsparend installiert und bieten zudem hohe Bildraten. Damit machen sie sich interessant für kompakte CMOS Industriekameras, wie die EXO mit 0,3 bis 12 Megapixeln. 

Anwendungen von USB3 Vision

Die EXO mit USB3 Vision Schnittstelle.

USB3 Vision ist eine der kostengünstigsten Schnittstellen der Bildverarbeitung. Heutige CMOS Sensoren, meist verbaut in kleinen Kameras mit hohem Datendurchsatz, profitieren von einer Bandbreite von bis zu 5 Gbit/s (brutto). Die kleinen Abmessungen und die tiefe Durchdringung des Standards auf dem Markt bis hin zu kleinsten embedded Rechnern mit ARM Struktur wie Raspberry machen USB3 Vision zur idealen Wahl für den Apparatebau.

In ‚Embedded Applications‘, die Rechner, Kamera und weitere Komponenten der Bildverarbeitung in einem Gehäuse zusammenfassen, kann USB3 Vision seine Vorteile zur Geltung bringen. Einschränkungen der Kabellängen auf fünf bis sieben Metern spielen bei der Implementierung im Apparatebau eine untergeordnete Rolle. Durch Repeatertechnik lassen sich die Kabellängen jedoch deutlich erhöhen.

Mit der im Standard USB 3.0  integrierten Stromversorgung von 900 mA und 4,5 Watt (bis zu 100 Watt, siehe „Stromversorgung über USB“) können auf kleinstem Raum weitere Kabel eingespart werden und Abmessungen von ‚Embedded Applications‘ im Apparatebau weiter verringert werden.

So bedient die Schnittstelle USB3 Vision in der Industriellen Bildverarbeitung ein weites Feld von Aufgaben und Bereichen, von Medizin, über Produktionsüberwachung und Qualitätssicherung bis hin zu Applikationen in Automotive und Luft- sowie Raumfahrt. Kameras mit USB sind überall dort gefragt wo hohe Bildraten auf kleinem Raum dezentral verarbeitet werden müssen.

Datenraten und Kabellängen von USB

Standard              Brutto-/Netto-Datenrate [ca.]           
USB 1.0 / 1.1      12 Mbit/s / 1,5 MByte/s      0,8 MByte/s
USB 2.0              480 Mbit/s / 60 MByte/s    40 MByte/s
USB 3.0              5 Gbit/s / 625 MByte/s      350 MByte/s
USB 3.1              10 Gbit/s / 1,25 GByte/s    900 MByte/s

2013 befand sich der USB3 Standard erneut in einer Revisions-Phase zu 3.1. Mit Ihr soll die Datenraten weiter auf brutto 10 Gbit/s gesteigert worden sein.

Kabellängen:

Im Vergleich zu anderen Übertragungssystemen ist die spezifizierte, maximale Kabellänge bei USB 3.0 mit lediglich drei Metern sehr kurz und kann somit zum Ausschlusskriterium werden. Derzeitige Versuchsreihen zeigen jedoch auch gute Ergebnisse bei Kabellängen bis zu 7 Metern.

Vor allem für die Versorgung mit Gleichspannung ist der Kabelquerschnitt an die Länge des gesamten Leiterweges anzupassen.

Bei USB3 Übertragungen mittels Repeatern oder Glasfaserleitung sind hingegen entsprechend des verwendeten Systems deutlich größere Entfernungen möglich. Eine Versorgung der Kamera mit Gleichspannung muss dann separat erfolgen.

Übertragungsdatenraten und Kabellängen von USB3.

Die physischen Leitungen, Stecker und Stromversorgung

Mit USB 3.0 stieg die Anzahl der datenübertragenden Leitungen von einem auf drei Twistet Pair’s an. Neben der generellen Schirmung, sind die zwei neuen Paare zusätzlich geschirmt. Dies ermöglicht die erhöhten Datenraten um mehr als den Faktor drei und soll zudem die Kompatibilität der Kabel zu Schnittstellen mit lediglich Unterstützung für USB 2.0 sicherstellen. Mit den doppelt geschirmten Übertragungswegen werden Frequenzen von bis zu 5 GHz – auf sehr kurzen Strecken sogar 10 GHz – übertragen. (siehe 6.8.2.1 Universal Serial Bus 3.1 Specification, Revision 1.0)

Für den industriellen Sektor wurden neben den auf dem Consumer-Markt erhältlichen Steckern auch Stecker mit genormten Feststellschrauben spezifiziert.

Der Stecker bei USB3.0:

Wie schon für USB 2.0 gibt es auch für USB 3.0 verschiedenste Steckerformen. Allen ist gemein, dass sie verpolungssicher gestaltet sind. Mit dem Typ C Stecker will man jedoch auch einen Stecker etablieren, der in beide Richtungen gesteckt werden kann und so Fehlversuche bei der Verkabelung ausschließen hilft.

Buchsenseitig sind Typ A Stecker am weitesten verbreitet und computerseitig auch der gängige Standard. Der Unterschied zu 2.0  wird mit blauen Inlay für 3.0 visualisiert. Daneben tauchen vereinzelt jedoch auch Buchsen mit türkisen oder rotem Inlay auf, die eine Versorgungsspannung von 12V bzw. 24V hinweisen. 

Geräteseitig zeigt sich jedoch eine bedeutend größere Vielzahl an Derivaten. (Typ B, Mini Typ B, Micro USB für die meisten Handys und zwei Miniatur B -Versionen)

Die USB 3.0 Micro-B Buchse ist derzeit die häufigste Verbindung zu USB 3.0 Geräten.

USB3 Vision Kameras von SVS-VISTEK kommen mit einer USB 3.0 Micro-B Buchse, wie sie auch von gängigen externen Festplatten verwendet wird.

Die Stromversorgung über USB:

Die standardisierte Spannungsversorgung liegt bei 5 V Gleichspannung. Auf Grund von Verlusten auf der Leitung kann es jedoch zu einem tolerierten Spannungsabfall auf bis zu 4 V kommen.

Mit dem Upgrade von USB 2.0 auf 3.0 stieg der Stromfluss von 500 mA auf 900 mA was nun Leistungen von bis zu 4,5 Watt ermöglicht. Mit der Weiterentwicklung zu USB 3.1 soll die Stromstärke weiter erhöht werden. ‚Power Delivery‘ wird unterteilt in sechs Stufen von 0 bis 5 und soll im Stande sein 10, 18, 36, 60 und 100 Watt zu liefern.

Am Rande: Die von der EU initiierte USB „Battery Charging Specification“ von 2009 vereinheitlichte nicht allein die Steckverbindungen zu Handys sondern ermöglicht auch Ladeströme von bis zu 1500 mA, die mittels einer Kennung des Geräts zum Laden des Akkus abgerufen werden können.

Die erste Verbindung – Plug & Play:

Unmittelbar nach der Verbindung eines Gerätes mit dem Host fragt dieser die „Device Description“ des Gerätes ab. Sie enthält eine Hersteller- und Produkt-ID sowie Hinweise zu welcher Klasse von Geräten das Angeschlossene gehört und welcher generische Treiber dafür verwendet werden soll. Anpassungen des generischen Treibers an das Gerät sind möglich und vorgesehen. Diese bieten vollen Zugriff auf alle Funktionen der Kamera, die über das Spektrum des generischen Treibers hinausgehen. Zusätzlich liegt jeder Kamera von SVS-VISTEK ein Medium mit Treibern bei.

Der USB3 Vision Standard beschreibt jede Kamera als Hub und bietet den Geräten so die Möglichkeit für Ihre Aufgaben passende generische wie individuelle Treiber und Protokolle anzusprechen oder auszulösen.

 

Der Datenabruf:

Keinem USB-Gerät ist es gestattet, ungefragt Informationen zu senden (Ausnahme USB On-the-Go). Immer ist hierfür ein „Polling“ notwendig. Entsprechend sind viele Aufrufe nötig, um beispielsweise eine Maus zu betreiben (Interrupt Transfer).

Der häufig genannte „Isochrone Transfer“ beschreibt zeitabhängige Übertragungen von Daten. Mit ihm können sich mehrere Teilnehmer-Geräte eines Hosts auf Zeitfenster einigen, in denen sie Daten zum Host schicken. Derzeit sieht USB3 Vision jedoch nur „Bulk Transfer“ vor. Mit ihm werden große, nicht zeitkritische Daten immer dann übertragen wenn keine isochrone oder interrupt Transfers anstehen.

Daher empfehlen wir, um die volle Bandbreite der Kamera zu erhalten, nur ein einziges Gerät an einem Host zu betreiben und diesen mit keinem weiteren Gerät zu belasten.

Bulk Transfer ist mit einer Prüfsumme gesichert und nach dem USB 3.0 Standard für high-speed Geräte mit einem mindestens 512 Byte großen Pufferspeicher versehen.