进入高速视觉
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与其他所有网络和接口标准一样，以太网也从已经过时的10BASE5 (10Mbits /s)发展到了1000BASE-T (1Gbits /s)和10GBASE-T (10Gbits /s)的数据速率。新引入的双绞线数据速率现在还包括25GBASE-T (25Gbits /s)和40GBASE-T (40Gbits /s)，这也是IEEE 802.3bq标准的一部分。2016年，IEEE标准委员会意识到需要在双绞线网络上开发更低功耗、更低成本的10GBASE-T (10Gbits /s)版本，于是批准了包含2.5GBASE-T和5GBASE-T的802.3bz标准。
上图:10GBASE-T的奈奎斯特频率为400 MHz，即大多数传输数据都包含在这个频率以下。将速度降低到5Gbps (5GBASE-T)需将奈奎斯特频率降低到200Mhz，因此属于6类线缆的指定带宽。将速度降低到2.5 Gbps (2.5GBASE-T)，奈奎斯特再次降低一半至100 MHz，其在5e类线缆的指定带宽内。
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网线的奈奎斯特频率是什么意思?奈奎斯特频率是为了可靠地重构信号所需要的最小采样率。以太网数据带宽越高，线缆所需的奈奎斯特频率就越高。
一种平衡
2.5GBASE-T指定的速度高达2.5 Gbits/s，且可运行在100米的CAT 5e线缆上，5GBASE-T可以在100米的CAT 6线缆上运行，速度为5Gbit/s。虽然10GBASE-T工作在10Gbits/s，且可以用于相机到计算机的最大长度是55米(使用CAT 6线缆)和100米(使用CAT 6A线缆)，但透过10GBASE-T的网口供电目前还不支持，尽管它已经被证明在理论上可行。此外，2.5GBASE-T和5GBASE-T允许系统设计师放弃昂贵的以太网重新布线方案，因为绝大多数已安装的以太网布线已经是CAT 5e和CAT 6。因此，现有线缆的使用结合了较低的功耗和以太网供电(PoE)，使2.5GBASE-T，特别是5GBASE-T成为一个有吸引力的替代方案，在速度、距离和成本之间取得了正确的平衡，这不仅仅适用通信系统，也适用于机器视觉外围设备的制造商，如基于CMOS的相机。
最快的Camera Link Extended Full或Deca版本最大传输距离为5米，最大传输速率为6.8 Gbit/s，与之相比，5GBASE-T接口不需要昂贵的基于PC的图像采集卡或自定义线缆。
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你知道吗?
自1999年以来，已经部署了超过
自1999年以来，已经部署了超过
700
亿米的CAT 5e和CAT 6线缆。(1)
快速运行的5GBASE-T相机
认识到这些优点，许多公司现在已经推出了基于5GBASE-T标准的线扫和面阵相机。这种面阵相机的一个例子是LUCID的Atlas ATL314S 5GBASE-T相机，它采用了索尼公司的3140万像素IMX342 CMOS传感器。配有一个M12以太网连接器，能够传输高达25.50 w (PoE+， Type 2)和5Gbit/s的数据，相机分辨率为6464 x 4852，通过CAT 6电缆可在100米距离实现帧传输速率为17帧/秒。
不仅仅是速度
机器视觉相机制造商接受5GBASE-T标准的原因有很多。就像Camera Link Extended Full版本5米的距离运行的最大速度为6.8 Gbit / s ，USB 3.1和USB 3.2接口(尽管它们可以传输数据高达10 Gbit / s和20 Gbit / s) ，相机到计算机连接的距离也受限于5米(USB 3.1)和3 米 (USB 3.2)。同样，最快的相机-计算机接口CoaXPress (CXP)可以以每条CXP链路12.5 Gbits/s的速度传输数据，因此4条链路的传输速度为50Gbits /s。在这些数据速率下，线缆长度限制在最大35米 ；但是，如果使用3.125 Gbit /s的低速数据链路，线缆可以扩展到100米。
像Camera Link一样，需要一个相对昂贵(+ 2500美元)的PCIe图像采集卡来实现基于CXP的系统。一些高速线扫应用(如web巡检)要求低时延、低抖动、点对点接口，因此必须部署CXP系统。在其他要求较低的机器视觉应用中，5GBASE-T是一个更经济的解决方案(下表1)。对于线扫和面阵相机，供应商提供GigE Vision的支持，GigE Vision是一种接口标准，由主要的相机公司组成的联盟在2006年开发，现在由自动化成像协会(AIA)管理。
上图:由于需要PCIe图像采集卡，CXP和CameraLink系统可以提供非常低的延迟和低抖动的相机到计算机的连接。然而，图像采集卡限制了相机连接的数量(CXP每卡最多8个相机，camera Link每卡最多2个相机)，增加了成本，降低了系统的灵活性。当连接一个系统中的许多设备时，GigE Vision接口提供了最大的灵活性，且最长电缆长度为100米。
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什么是图像采集器？ 帧捕获器是Camera Link、CoaXPress和模拟机器视觉相机的专用接口卡。与USB或以太网相机不同，图像采集器为相机进行所有的图像处理。
Table 1: Interface Comparison
| 接口 | 最大传输速度 | 最大长度 | 线缆供电 | 采集卡需求 | 相关系统成本 | 特点 | 线缆需求 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camera Link | 850 MBytes/s | 最长10m , 7m (Deca) | Yes (PoCL) | Yes | 高 | 确定的, 4µs延迟 |
屏蔽双绞线, MD-26 连接器 |
| CoaXPress | 单个 CXP链路12.5 Gbit/s | 3.125 Gbit/s下100米, 12.5 Gbit/s下最大35m |
Yes (PoCXP) | Yes | 高 | 确定的延迟(大约4µs) | RG59 和RG6 75Coax BNC 或DIN 1.2/2.3 连接器(相机端) Micro-BNC (采集卡端) |
| USB 3.1 Gen 1 | 最大5 Gbit/s (实际开销为360 MBps) |
5m | Yes (5V, 2.5W) | No | 低 | 平均延迟30 μs | USB-type-A 和USB-C 连接器, USB 线缆 |
| USB 3.2 | 最大 20 Gbit/s | 3m | Yes (5V, 4.5W) | No | 低 | 平均延迟30 μs | USB-type-A 和USB-C 连接器, USB 线缆 |
| 10GBase-T | 10 Gbit/s | 55m (CAT 6) 100m (CAT 6A) |
网口供电(PoE+) (IEEE 802.3at) | No | 中 | 平均延迟3μs | CAT 7, 6a 或CAT 6 cable, 光纤线缆 |
| 5GBase-T | 5 Gbit/s | 100m (CAT 6) | 网口供电(802.3bt) | No | 低 | 平均延迟3μs | CAT 6, 5e 线缆 |
| 2.5Gbase-T | 2.5 Gbits/s | 100m (CAT 5a) | 网口供电(802.3bt) 4-pair PoE (51W) |
No | 低 | 平均延迟3μs | CAT 5e 线缆 |
| 1GBase-T | 1Gbit/s | 100m (CAT 5 cable或 以上) | 13W (after losses) CAT 3/CAT 5 |
No | 低 | 延迟为1μs-12μs | CAT5 线缆 |
拥抱GigE Vision和GenICam
GigE Vision为在以太网网络上传输高速视频和相关控制数据提供了一个框架，使开发人员更容易构建软件。作为标准的一部分，GigE Vision的GigE设备发现机制提供了获取IP地址和XML描述文件的机制，允许访问基于GenICam标准的相机控制和图像流。GenICam标准由Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau开发 (即VDMA，位于德国法兰克福美因)。
GenICam通过统一的API和GUI展示了相机的功能(如帧率)，而每个功能都是通过名称、接口类型、测量单位和行为以抽象的方式定义的。GenICam标准的GenApi模块定义了如何编写一个描述设备特性的相机描述文件，如何进行互操作，并使用GenICam标准特征命名约定(SFNC)提供一组通用的相机特征、它们的名称和它们的行为。
及时的重要性
虽然GigE Vision和GenICam标准允许不同的设备通过以太网工作，但设备之间的确定性行为问题仍然需要解决。使用以太网的业务系统和办公环境不需要设备之间精确或关键的时序才能正常工作，因为是否正确发送和接收所有数据包，或者是否在已知的时间内发送和接收数据包并不重要。然而，对于工业以太网系统，如机器视觉系统，及时检查部件，需要确定性。工业系统必须具有高度的确定性，因为在特定时间传输、接收或处理数据的任何失败都可能导致数据丢失和延迟，从而产生不可预测的工业系统。因此，确定性非常重要，许多专门的工业以太网协议已经解决了这一问题。
以太网协议的确定性
流行的工业以太网协议包括PROFINET、Ethernet /IP、EtherCAT、SERCOS III和POWERLINK。由于这些协议所采用的技术方法存在重大差异，除了最大的工业自动化设备制造商外，支持每一种协议都将是一项艰巨的软件工作。每种协议都为设备提供实时和确定性行为，每种协议都有支持的各种公司和制造商。然而，采用最多的是EtherCAT，它提供了优越的性能和市场接受度，使用低成本的网络接口卡(NIC)和以太网线缆提供工业机器控制器所需的实时、确定性响应。（2） (2)
支持这个协议的集合,也称为现场总线,OPC统一架构(OPC UA – IEC 62451),一个由OPC协会开发的开放标准,可以用来指定基于计算机的工业通信中的信息交换, 这些信息交换存在于机器和机器之间以及机器和计算机系统之间。
有了OPC UA，开发人员可以利用OPC的数据模型和服务，使设备能够以一致的和共享的意义交换数据，而不是将数据映射为字节流。与此同时，EtherCAT技术集团(ETG，纽伦堡，德国)和OPC协会的技术相互补充，EtherCAT被用作机器和工厂控制的实时以太网现场总线，OPC UA被用作可伸缩通信平台。
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协会会员资格
MA有3200多个企业会员
OPC有超过700个企业会员
布置机器视觉系统
虽然上面的协作是有用的，但它们并不能特别满足机器视觉系统开发人员希望在工厂利用基于以太网的系统的需求。为此，VDMA与OPC协会合作，形成了OPC Vision倡议，为机器视觉开发OPC UA配套规范(参见“OPC UA Vision,VDMA规范”，2018年11月草案版本)。OPC UA为数据建模描述了嵌入式设备、机器和数据传输的数据、功能和服务，而OPC Vision允许定义特定工业的产品，如相机，类似于GenICam标准的特征命名约定。此外，OPC视觉接口可以与例如EtherCAT等现场总线标准集成，形成一个完整的实时确定性系统模型，可以与OT生产控制和IT系统集成。
随着OPC统一架构(OPC UA)、OPC Vision 倡议和IEEE 802.1的出现，时间敏感网络(TSN)标准的公司可以使用单一以太网来实现时间关键的确定性应用程序，如图像捕获和时间要求较低的IT系统。由于OPC UA TSN标准可以应用于网络上基于计算机的节点，包括相机、PC、PLC和基于服务器的系统，它将在开发基于边缘和基于云的网络应用程序方面特别有用。
5GBASE-T:最佳点
5GBASE-T相机与标准Cat 6线缆相结合，允许相机在各种灵活的网络拓扑中轻松定位到距离主机100米的位置。消除了对相对昂贵的图像采集卡的需求，也降低了整体系统成本，同时仍然允许5Gbits/s的图像数据从相机传输，足够快地以解决广泛的视觉应用。一旦建立好后，OPC统一架构(OPC UA)和OPC Vision 倡议等将简化5GBASE-T相机在基于工业现场总线的以太网中的部署，简化系统集成的任务。这些方面结合起来构建了一个平衡的接口，为高速视觉系统提供灵活性、带宽、低成本和强可靠性。
(1) “NBASE-T Technology Overview” by NBASE-T Alliance https://youtu.be/cLfuhrBaza8
(2) “Five Real-Time, Ethernet-Based Fieldbuses Compared,” a White Paper prepared by Kingstar (Waltham, MA, USA)