Schnittstellen Vor- und Nachteile des neuen Standards USB3 Vision

Redakteur: Gerd Kucera

Im Massenmarkt kennt man die Datenschnittstelle USB 3.0 mittlerweile aus immer mehr Anwendungen. Seit Ende Januar 2013 ist USB3 Vision in der Version 1.0 als Standard für die Bildverarbeitung veröffentlicht.

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USB3 Vision: Die beschränkte Kabellänge, nach derzeitigem Stand drei Meter, kann je nach Anwendungsfall kritisch sein
USB3 Vision: Die beschränkte Kabellänge, nach derzeitigem Stand drei Meter, kann je nach Anwendungsfall kritisch sein
(Bild: STEMMER IMAGING)

Die Technologie hinter USB3 Vision berücksichtigt die aktuellen Notwendigkeiten der Bildverarbeitungsbranche und sorgt dort zugleich für neuen Wind in der Schnittstellendiskussion.

Die neue USB-Schnittstelle für die Bildverarbeitung war schon Ende 2011 während der damaligen Branchenleitmesse Vision ein stark diskutiertes Thema unter den Experten der Branche. Einige Hersteller zeigten bereits zu dieser Zeit erste Produkte mit USB 3.0-Schnittstelle und schürten damit die Hoffnung auf eine schnelle Markteinführung dieser Technologie in der industriellen Bildverarbeitung.

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Die Begeisterung für das neue Interface hat seinen guten Grund. Der Nachfolger von USB 2.0 verspricht mit seiner theoretischen Datenrate von 5 GBit/s auf dem Kabel immerhin Netto-Datenübertragungsraten von bis zu 400 MByte/s. Zudem benötigt man wie schon bei USB 2.0 in der Regel keine Bilderfassungskarte im System, da viele PC-Systeme und Laptops auch heute schon über integrierte USB 3.0-Schnittstellen verfügen. Diese Vorzüge in Verbindung mit einem relativ günstigen Preis machen den Einsatz der USB 3.0-Technologie in Form des speziell für die Bildverarbeitung angepassten USB3 Vision-Standards natürlich hochinteressant für den Einsatz in Bildverarbeitungssystemen.

USB3 Vision als Version 1.0 ist von der AIA freigegeben

15 Monate später ist der neue Standard nun Realität: Ende Januar 2013 meldete die zuständige internationale Arbeitsgruppe der AIA (Automated Imaging Association), bestehend aus Experten verschiedener Firmen, die Veröffentlichung der Version 1.0 des USB3-Vision-Standards. Damit ist es gelungen, eine gemeinsame Basis für Machine-Vision-Kameras mit USB 3.0-Schnittstelle zu entwickeln, die „Superspeed USB“, wie USB 3.0 auch genannt wird, nutzt.

„Aspekte wie Performance und Flexibilität standen bei dieser gemeinsamen Anstrengung im Vordergrund“, betont Rupert Stelz, Gruppenleiter Bilderfassung der STEMMER IMAGING GmbH in Puchheim. Er war als Teil der Arbeitsgruppe an der Definition des Standards beteiligt und konnte dabei auf Erfahrungen zurückgreifen, die er bereits bei der Gestaltung des GigE Vision-Standard gesammelt hatte.

USB3 Vision ist ein „Standard on the Wire“: „Wie schon bei GigE Vision benötigt man keine herstellerspezifische Software zum Aufbau eines USB3-Vision-Systems“, erklärt Stelz, „die Firmware der Kamera wird also nicht zur Laufzeit vom Host nachgeladen, sondern muss bereits in der Kamera vorliegen. Somit ist auch der Weg frei für die Integration in Embedded-Systeme, die nicht Windows- oder Linux-basiert sind.“

Dabei setzt USB3 Vision auf eine komplette GenICam-Integration. Die Kameras bringen ihr XML-basiertes Device Description File mit. Das Protokoll zur Steuerung der Kamera ist das ebenfalls in GenICam enthaltene GenCP (Generic Control Protocol), das ursprünglich für CameraLink-Kameras entwickelt wurde.

In der ersten Version von USB3 Vision wird der Datenstrom über einen Bulk-Transfer realisiert. „Vorerst können also keine Bandbreiten reserviert werden, wovon aber andererseits Applikationen mit vielen Kameras profitieren“, erläutert Stelz die Folgen, „abgesehen davon löst der USB-Bulk-Transfer jedoch das komplette Packet Resend-Problem von GigE Vision, da die Datenübertragung gesichert ist. Dies vereinfacht die Integration auf beiden Seiten, also sowohl beim Host als auch beim Device.“ Das Standardisierungskommitee behielt sich jedoch vor, in zukünftigen Versionen auch eine Alternative mit isochronem Transfer zu integrieren.

Zu den weiteren Vorteilen der USB 3.0-Schnittstelle zählt, dass damit ausgestattete Kameras mit bis zu 1,5 A bei 5 V mit Strom versorgt werden können. Laut Stelz ist die Technologie ohne größere Probleme auch auf Laptops einsetzbar, die diese Schnittstelle heute oft schon mitbringen. Wie schon bei GigE Vision sind jedoch deutliche Leistungsunterschiede bei den auf dem Markt erhältlichen Komponenten erkennbar. Ein weiteres interessantes Merkmal des USB3-Vision-Standards besteht darin, dass er auch einen Stecker-Standard mit der Möglichkeit der Arretierung durch Schrauben definiert und somit die Industrietauglichkeit der Technologie verbessert.

Nicht nur Vorteile: die Kehrseite der Medaille

Ist USB 3.0 damit also die eierlegende Wollmilchsau für die Bildverarbeitung? Nein, denn der neue Standard bringt nicht nur Vorteile mit sich. „Als Nachteil ist unter anderem die beschränkte Kabellänge von nur wenigen Metern zu nennen, die je nach Anwendungsfall kritisch sein kann“, nennt Stelz einen Malus der Technologie, „nach derzeitigem Stand kann man sicher mit drei Metern Kabellänge rechnen. Längere Kabel von bis zu sieben Metern werden bereits im industriellen Umfeld getestet, sind jedoch nach aktuellem Stand noch nicht freigegeben. Mit aktiven Komponenten scheinen hingegen Kabellängen von bis zu 15 Metern realisierbar zu sein.“

Nach den Worten des Experten ist zu erwarten, dass hier wie auch schon bei CameraLink in Kürze so genannte Extender verfügbar sind, mit denen sich dann auch größere Strecken überbrücken lassen. Sicher ist, dass die Qualität des Kabels und der Stecker eine entscheidende Rolle spielen. „Realistischere Einschätzungen werden aber erst möglich sein, wenn eine größere Produktpalette von verschiedenen Herstellern verfügbar ist“, gibt Stelz zu bedenken.

Faserbasierte Lösungen für USB 3.0 werden hier wohl schon bald neue Möglichkeiten bieten. Ob dieses Schnittstellen-Konzept dann auch im industriellen Umfeld praktikabel ist, muss sich jedoch erst noch zeigen. Generell existiert derzeit noch sehr wenig Praxiserfahrung mit USB 3.0 im industriellen Umfeld. Klar ist derzeit nur, dass erste Tests mit dieser Technologie sehr vielversprechende Ergebnisse geliefert haben. In wie weit sich das kostengünstige Interface USB3 Vision nach der nun erfolgten Festschreibung des Standards auch in der Realität und im Einsatz beim Anwender bewährt, wird sich wohl frühestens in den kommenden Monaten erweisen, wenn die ersten Standard-konformen Produkte auf dem Markt und in Applikationen integriert sind.

„Einige Bildverarbeitungshersteller werden hier schon in Kürze neue Produkte mit USB3-Vision-Schnittstelle heraus bringen“, schätzt Stelz die Situation ein, „es wird dann sicher nicht lange dauern, bis aud dem Markt eine deutlich breitere Produktpalette für die Anwender verfügbar ist.“

Aber die Konkurrenz schläft auch nicht

Der Start von USB3 Vision wird auch von der Weiterentwicklung anderer Technologien begleitet, die das Feld nicht kampflos für den USB 2.0-Nachfolger räumen: Mit CoaXPress und 10G Base-T existieren mindestens zwei technologische Konkurrenten im Rennen um die meistgenutzte Bildverarbeitungsschnittstelle der Zukunft. CoaXPress startet mit etwas zeitlichem Vorsprung ins Rennen um die Gunst der Bildverarbeitungsanwender. So ist CoaXPress besser und anders skalierbar als USB3 Vision und erlaubt deutlich höhere Datenübertragungsraten. Auch bei den möglichen Kabellängen hat CoaXPress je nach Konfiguration mit bis zu 100 Metern die Nase deutlich vorne. Diese Vorteile erkauft sich der Anwender allerdings durch die Einschränkung, dass er bei CoaXPress immer einen Frame Grabber benötigt.

Auch der inzwischen weit verbreitete GigE-Vision-Standard entwickelt sich technisch weiter: Der eigentlich schon lange überfällige Schritt hin zu 10G Base-T rückt mittlerweile in greifbare Nähe. Eines der Hauptprobleme von 10G Base-T bestand bisher in der Wärmeentwicklung. Neue, kürzlich auf den Markt gekommene Chips reduzieren die Stromaufnahme nun jedoch deutlich und ermöglichen so Kabellängen von rund 30 Metern. Damit bleibt GigE Vision selbst bei den im Vergleich zu USB 3.0 höheren Kosten attraktiv und für die Zukunft gerüstet.

Die Welt der Standards bleibt weiterhin vielseitig

Aus den genannten Gründen wird die Welt der Datenübertragungsstandards in der IBV wohl weiterhin vielfältig bleiben. „Auf der anderen Seite ist die Branche mit den existierenden Standards auf dem besten Wege, die einzelnen Technologien zu abstrahieren, um so einen technologieübergreifenden Standard wie GenICam zu realisieren“, ist Stelz jedoch zuversichtlich, „wenn man z.B. das GenApi-Modul aus GenICam betrachtet, so kommt dieses nicht nur bei GigE Vision zum Einsatz, für das es ursprünglich entwickelt wurde: Es arbeitet auch in Verbindung mit FireWire, CameraLink und in Zukunft auch bei USB3 Vision.“ Ein vereinheitlichter Datenübertragungsstandard ist aus diesen Gründen also keine Utopie mehr.

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