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千兆以太网：高效、可靠的接口
可靠的数据传输和行业标准合规性相结合，
帮助Gigabit以太网成为机器视觉世界的主要接口之一。
千兆以太网：领先的工业接口
每年都有越来越多用户选择千兆以太网（GigE）作为视觉应用的主要相机接口。系统架构更灵活、标准化组件易于获取、100 米布线成本低，以及对行业标准的良好支持，这些因素共同推动 GigE 成为机器视觉相机领域最主流的接口之一。自 2006 年以来，GigE 相机的市场份额持续增长，目前部署的机器视觉系统中，GigE 的占比估计已超过 50%。
目录
以上：丰富的 GigE 生态组件可直接获取
多点控制与部署灵活性
以太网在工业领域的广泛采用，很大程度上得益于其多点分布式架构的灵活性，以及低成本的 100 米布线能力。与点对点接口不同，后者通常用于短距离（小于 10 米）将外设连接到 PC，而以太网最初就是为跨房间、楼层乃至整栋建筑实现可扩展、标准化的网络互联而设计。自 1983 年首次标准化以来，以太网标准已支持高达 40 Gbps 甚至 100 Gbps 的速率。虽然这些高速率主要用于 IT 与数据中心网络，但更高带宽的以太网相机也正在进入机器视觉行业，同时主流的 1 Gbps 机器视觉相机数量仍在持续增长。标准化以太网硬件种类丰富且易于采购，使系统设计与成本控制拥有更大选择空间。借助 100 米电缆长度，用户可以灵活调整相机部署距离，或通过额外的以太网交换机扩展到更远的距离。此外，支持以太网供电（PoE）的相机、交换机和接口卡可通过同一根电缆同时传输电源与数据，从而简化布线与维护。以上因素共同提升了多相机系统设计的灵活性与可扩展性。
边注
在 PoE 交换机或接口卡上务必核对 IEEE 供电标准，确保能够为所有 PoE 相机提供足够功率。IEEE 标准如下：
IEEE 802.3af Type 1-15.4W
IEEE 802.3at Type 2-30W
IEEE 802.3bt Type 3-60W
IEEE 802.3bt Type 4-100W
以上：以太网支持多样化的多点应用架构
电磁干扰屏蔽：第6a类电缆
随着工业环境对更高带宽的需求持续增长，以太网布线标准也在不断演进，以在提升速率的同时保持良好的抗噪声能力并控制电磁辐射。Cat 6a 电缆延续了 100 米布线的传统，同时支持最高 500 MHz 频率，从而实现 10 Gbps 数据速率。Cat 6a 通过更大直径导体、更紧密的绞距、线对分隔以及更厚的外护套来最大限度降低串扰。在噪声较大的工业场景中，EMI 来源可能包括照明设备、机械装置、相邻布线产生的干扰，以及手机和无线网络带来的射频干扰（RFI）。此时可选择屏蔽电缆，以减轻 EMI 与 RFI 对信号质量的影响。进一步地，当线对耦合与串扰成为 10 Gbps 速率下的限制因素时，Cat 6a 也提供线对独立屏蔽的规格，以提升该数据速率下的信号完整性。所有 Cat 6a 电缆均可在现场使用普通或屏蔽型 RJ45 连接器进行端接。
Cat 6a U/UTP
Cat 6a U/UTP 电缆由 4 组非屏蔽双绞线（UTP）组成，整体无外层屏蔽（U）。
Cat 6a S/UTP, SF/UTP
Cat 6a 屏蔽 UTP 电缆采用单层或双层屏蔽，使用金属箔和或金属编织层覆盖在一组非屏蔽双绞线上方。
Cat 6a STP or FTP
Cat 6a 屏蔽双绞线（STP）或箔屏蔽双绞线（FTP）为每一组双绞线提供独立屏蔽，分别采用金属编织层（STP）或金属箔屏蔽层（FTP）。
Cat 6a SFTP
Cat 6a 屏蔽箔双绞线（SFTP）具有两层屏蔽：一层覆盖整组双绞线，另一层为每一对线提供独立的屏蔽层。
边注
最大电缆长度（不使用扩展器）
GigE: 100 m
CoaXPress: 130 m
Camera Link: 10 m
Camera Link HS: 15 m
USB 3.1: 3 m
无共地：电气隔离与接地安全
工业电机和继电器会产生开关噪声，紧邻数据线的电源线可能将噪声与危险电压耦合到连接的设备中。此外，工业现场不同设备之间的接地电位差可能形成地环路电流，进一步引发噪声与 EMI 问题。为确保关键设备稳定运行并降低安全风险，系统通常采用电气隔离技术，在阻断设备间电流回路的同时仍允许数据传输。以太网标准从设计之初就考虑了这些风险，通过在链路两端使用隔离变压器来实现电气隔离。正因如此，GigE Vision 相机与连接设备之间不共享共地，从而降低相机及相关设备受到干扰或损坏的风险。
以上：隔离变压器（红色）是以太网标准的一部分，可位于连接器外部或集成在连接器内部。
高标准
在机器视觉行业中，千兆以太网相关标准对 GigE 相机生态的发展至关重要。遵循 GigE Vision™ 与 GenICam 标准，使 GigE 生态在硬件与软件厂商之间具备很强的互操作性。跨厂商的兼容性与可用性提升，不仅优化了用户体验，也为用户提供了更广泛的选择空间。
GigE Vision由自动成像协会（AIA）于 2006 年推出。该标准用于统一相机、硬件组件与软件包之间基于以太网的集成方式与通信协议。例如，符合 GigE Vision 标准的第三方软件可与任何同样符合 GigE Vision 标准的相机配合使用。GigE Vision 主要包含 4 个组成部分：
- GigE 设备发现：提供获取 IP 地址的方法（静态 IP、DHCP、链路本地地址）。
GigE Vision 控制协议：运行在 UDP 协议之上，用于定义设备的控制与配置方式，包含流通道以及相机与计算机之间图像和配置数据的传输机制。
GigE Vision 流协议：同样运行在 UDP 协议之上，用于定义数据类型以及图像数据的传输方式。
基于 GenICam 标准的 XML 描述文件（请参阅右侧）。
GenICam于 2006 年推出，并于 2008 年由欧洲机器视觉协会（EMVA）批准。GenICam 的目标是通过定义相机配置、图像采集、附加数据传输与事件机制，来标准化用户应用程序接口。同时，它还包含相机功能的标准特性命名规范（SFNC），以在不同相机厂商之间提供更一致的使用体验。GenICam 主要由以下 3 项标准构成：
- GenApi：为相机提供通用的编程接口。
- GenCP：定义 GenICam 相机的控制协议。
- GenTL：提供通用机制，用于枚举设备、在可能的情况下与其他设备通信，并将数据流式传输到主机。
得益于这两项机器视觉标准，用户能够以更少的时间与更低的集成风险构建并扩展应用。GigE Vision 让设备连接与第三方软件控制更为简化；GenICam 通过提供通用且可预测的使用体验，显著降低了跨厂商软件差异带来的学习成本。
通过数据包重传提升可靠性
由于低延迟与高速传输对 GigE Vision 应用至关重要，GigE Vision 采用 UDP 而非 TCP 来发送数据包。UDP 去除了大部分错误检查以及设备与主机之间的协商过程，以最大化传输效率。虽然 UDP 相比 TCP 更快，但其天然不具备 TCP 同等级别的数据包可靠传输保障。为降低这一影响，GigE Vision 标准在 UDP 数据包中增加了包含图像编号、数据包编号与时间戳的报文头信息。该信息可用于在数据包乱序到达时进行排序。用户还可设置等待延迟数据包的超时时间，一旦超时即可对缺失数据包发起重传请求。
边注
为最大化 GigE 带宽，增加数据包大小非常关键。启用并设置 Jumbo Frames（数据包大小 9000 字节）可降低相较于默认 1500 字节数据包的协议开销。
以上：主机请求缺失数据包并将其按正确顺序重组
在上述示例中，一幅图像以 5 个数据包从相机发送到主机。数据包乱序到达，且第 3 个数据包丢失。主机随后向相机发起重传请求，第 3 个数据包被重新发送并成功接收，最终 5 个数据包按正确顺序完成重组。需要注意的是，数据包重传虽然能显著提升传输可靠性，但并非 GigE Vision 合规的强制要求。因此，在对数据传输可靠性要求较高的应用中，应选择支持该功能的相机。
频谱避让带来的可靠性优势
在 ISM（工业、科学与医疗）免许可频段内，无线设备数量的快速增长可能导致设备间显著干扰，从而影响机器视觉相机的连接可靠性。Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、无绳电话、微波炉以及某些电源设备都可能在 2.4 GHz 频段发射射频信号。在设备密集的视觉应用中，干扰程度可能更加明显。与 USB 3.1 等接口不同，USB 3.1 既可能受 2.4 GHz 范围内的干扰影响，也可能对该频段内运行的服务产生干扰；而以太网的工作频率要低得多。千兆以太网信号工作在 125 MHz，使 GigE Vision 相机与以太网组件不太可能受无线设备干扰，也不太可能反过来干扰无线设备。虽然可以通过屏蔽、信道选择与距离规划等手段降低干扰，但提升系统可靠性的最简单方法仍是从源头上避开干扰。
以上：以太网工作在 125 MHz（蓝色）。数十亿台 Wi-Fi、蓝牙与 Zigbee 设备使用 2.4 GHz 频段（黑色）。其他设备也可能使用或干扰 2.4 GHz 频段（灰色）。
准时就绪：PTP 精密时间同步
精密时间协议（PTP），也称 IEEE 1588 标准，是一种基于数据包的网络同步技术，用于对网络中连接的设备进行时间同步。GigE Vision 2.0 标准引入 PTP IEEE 1588，使 GigE Vision 2.0 设备与支持 PTP 的相机更易在网络上实现微秒级同步。用户可以在相机、传感器、触发器、电机与控制器之间获得更高的协同精度，从而降低抖动并提升应用节拍。
已启用 PTP 的设备时钟同步示意
同步过程首先确定网络中哪一台设备作为主时钟（Master），其余设备作为从时钟（Slave）。所有 PTP 设备在会话中交换数据包，由算法选择主时钟。在上述示例中，PTP 交换机被选为主时钟，其他设备同步到其时钟。
借助 PTP，用户可以使用计划动作命令并在所有网络相机之间启用同步自由运行。计划动作命令允许用户安排精确的软件触发，从而减少对硬件触发的依赖，进一步简化系统设计与维护。同步自由运行可使多台相机在亚微秒级范围内对齐触发时序。当计划动作命令启动时，所有相机会同时触发。通过 PTP，可在厂房范围内部署带同步时间戳的相机，实现亚微秒级协同采集与检测，并在无需额外外部触发器与触发电缆的情况下完成触发控制。
以太网的未来
| Standard | Function group | Title |
|---|---|---|
| IEEE 802.1AS-Rev | Timing and Synchronization | Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications |
| IEEE 802.1Qbv | Forwarding and Queuing | Enhancements for Scheduled Traffic |
| IEEE 802.1Qbu | Forwarding and Queuing | Frame preemption |
| IEEE 802.1Qca | Stream Reservation (SRP) | Path Control and Reservation |
| IEEE 802.1CB | Stream Reservation (SRP) | Seamless Redundancy |
| IEEE 802.1Qcc | Stream Reservation (SRP) | Enhancements and Performance Improvements |
| IEEE 802.1Qci | Forwarding and Queuing | Per-Stream Filtering and Policing |
| IEEE 802.1Qch | Forwarding and Queuing | Cyclic Queuing and Forwarding |
| IEEE 802.1CM | Vertical | Time-Sensitive Networking for Fronthaul |
| IEEE 802.1Qcr | Forwarding and Queuing | Asynchronous Traffic Shaping |
| IEEE 802.1CS | Stream Reservation | Local Registration Protocol |
2.5GBASE-T 和 5GBASE-T
2.5GBASE-T（2.5GigE）与 5GBASE-T（5GigE）标准于 2016 年最终批准。考虑到全球已部署大量 CAT5e/CAT6 布线，现有 GigE 基础设施可以相对轻松地利用这些更高的速率。2.5 Gbps 与 5 Gbps 不仅为用户提供更灵活的升级路径，也为已经使用 10GigE 相机的系统提供更实用的“降速兼容”选项。当 10GigE 相机无法自动协商到 10 Gbps 连接时，可回落至 5.0 或 2.5 Gbps 连接。
云计算
云计算凭借低成本与可扩展服务正在快速增长。与常规互联网接入相比，以太网可提供更低时延、更高安全性的方式连接云服务与数据中心。以太网不仅适用于构建快速安全的局域网（LAN），也适用于城域网（MAN）。例如在全市范围的 ITS 应用中，多处大规模视觉检测点可通过以太网快速、可靠地访问云端服务，用于图像分析或数据存储。
工业物联网(IIoT)
随着计算设备持续小型化，过去需要台式塔式机的计算能力如今可被集成到机器视觉相机中。随着智能相机产品日益丰富，图像分析与处理正更多地在相机、主机与云之间进行分配与协同。对于关键工业应用，相机与其他 IIoT 设备之间，以及相机与主机、云之间，都需要快速、安全且具确定性的连接能力。以太网将成为未来 IIoT 视觉应用的重要基础方案。
结论
选择以太网的理由充分且明确。尽管某些接口在当前阶段可能提供更高带宽，但应用设计人员还必须综合考虑系统灵活性、总体成本、应用可靠性以及未来技术演进。面向未来的设计不仅意味着将既有 GigE 基础设施升级到 2.5 Gbps、5.0 Gbps 与 10 Gbps，还要评估在连接相机与设备数量增加、云端存储与分析访问需求上升、以及在更少主机资源下实现更多相机端处理的情况下，扩展网络将面临的影响与挑战。为当前视觉应用选择以太网，有助于在保持整体系统可靠性的同时，更平滑地过渡到未来有价值的技术，并支持更强的确定性通信能力。值得一提的是，其中部分技术升级并不要求对整个系统进行彻底重构。采用基于以太网的架构，工程师可以更安心地规划未来设计，而无需担心以太网生态发生颠覆性变化。