凌华科技（中国）有限公司

  

   陈文吉




    摘  要：所有的工业机器视觉设备都需要依赖图像数据传输与电源供应，而且大多数的工业相机都需要使用两条缆线，一条用于传输数据，另一条则是电源线，这意味着使用者必须多花一倍安装与维护缆线的成本，同时缆线故障的机率也增加一倍。随着工业机器视觉市场从模拟跨入数字相机后，如何通过“Power over Cable”供电型接口简化安装、节省空间以及降低成本，成为工业机器视觉应用中最新的话题。

    关键词：机器视觉；线缆供电；图像采集

    Abstract: All industrial vision appliances require both image data and a power supply, and most of the industrial cameras require two cables—one for image data transmission and the other for power. Two cables mean double the installing and maintaining wiring cost, and two times the opportunity for failure.

     In the early years, analog cameras almost dominated the industrial vision market; however one of the shortcomings associated with analog cameras is electromagnetic interference, or EMI. Although analog cameras use a shielded coaxial cable for signal transport, EMI can still adversely affect the 1 volt, peak-to-peak video signal contained within it. Thus, the combination of power, and image data into a single cable was not the mainstream. Technological advances such at the introduction of digital camera standards that use Camera Link, ireWire, and Gigabit Ethernet eliminate this issue as data transmission in digital camera exists in only two voltage states, and therefore is not as susceptible to EMI as analog is. After the move from analog to digital cameras, the focus in the industrial vision market became simplifying installations, reducing space, and reducing costs.

    Key words: Vision; Power On Cable; Frame Grabber

    所有的工业机器视觉设备都需要依赖图像数据传输与电源供应，而且大多数的工业相机都需要使用两条缆线，一条用于传输数据，另一条则是电源线，这意味着使用者必须多花一倍安装与维护缆线的成本，同时缆线故障的机率也增加一倍。随着工业机器视觉市场从模拟跨入数字相机后，如何通过“Power over Cable”供电型接口简化安装、节省空间以及降低成本，成为工业机器视觉应用中最新的话题。

    1 满足客户需求

    早期的工业机器视觉市场几乎都是由模拟相机主宰，但模拟相机有一项缺点，就是电磁干扰，或称 EMI，这是因为模拟相机虽然是使用屏蔽的铜轴线缆提供信号传输，但 EMI 仍可能会对其中包含的1伏特峰对峰（peak-to-peak）视频信号造成影响，而此时将电源与图像数据结合成单一缆线的解决方案也不普及。不过，随着科技的不断进步，使用 Camera Link、FireWire 以及 Gigabit 以太网络的数字相机纷纷问世，上述问题皆已迎刃而解。由于数字相机的数据传输仅存在于两种电压状态中，因此不会像模拟相机一样会受到 EMI的影响。因此当工业机器视觉应用从模拟跨入数字相机后，其焦点即开始转向如何简化安装、节省空间以及降低成本。

     2 “Power over Cable”供电型接口

     通过整合信号线及电源线成为单一缆线已经是各种数字图像标准发展的共同趋势。

    2.1 PoCL（Power over Camera Link?，供电型Camera Link?）

    Camera Link? 是针对机器视觉应用的相机以及图像采集卡而开发的开放式规格。Camera Link 接口规格是在 2000 年由 AIA 协会 (Automate Imaging Association) 所定义，AIA 协会是一个产业团体，成员包括工业用相机、缆线以及图像采集卡制造商，而Camera Link 则是运用低电压差分信号 (LVDS) 技术传输数字数据。

     PoCL (Power over Camer Link) 是近期才加入 Camera Link 规格的标准，可为 Camera Link 数字接口以及相机电源提供单一缆线解决方案。PoCL 能与目前的 Camera Link 标准兼容，在不慎连接不兼容产品时，SafePower模式可以避免因兼容性导致的相机和图像采集卡损坏。SafePower 在图像采集卡上结合了相机感应电路，能在确认连接的相机是否能与 PoCL 兼容后，再行供电，因此能够与现有的 Camera Link 标准兼容。

    PoCL 系统与设备除了都必须维持标准的 Camera Link 数据与控制接口外，每一部 PoCL 设备还需要具备 Camera Link 标准规格以外的功能，如下所示。

    （1）PoCL 缆线：含电源线的 Camera Link 缆线；

    （2）PoCL 图像采集卡：具供电能力的 Camera Link 图像采集卡；

    （3）PoCL 相机：可通过 Camera Link 接头供电的 Camera Link 工业相机；

    PoCL 缆线为了保证与旧版标准的兼容性，而使用与标准 Camera Link 缆线相同的接头与缆线结构。表1说明PoCL 缆线与一般 Camera Link 缆线的差异，其中连接 pin 脚1及 26 的电线已进行绝缘处理，可作为 +12V 电源线使用，而连接 pin 脚 13 跟 14 的电线为相同的地线，可作为回流与电源线使用。

              表1   PoCL 及 Camera Link 缆线 pin 脚说明

              

    2.2 IEEE 1394 (FireWire)

    IEEE 1394（由 Apple, Inc. 登记为 FireWire 商标）接口为序列总线接口标准，可用于传输高速通讯与等时的实时数据，最高可提供 45W 的功率。目前 IEEE 1394 除了由 1394 贸易协会 (1394 Trade Association) 开发的相关的 IIDC (DCAM) 通讯协议规格外，也常见于图像采集应用部署，但是更优异的图像采集应用接口是可提供可靠的数据传输、最小化 CPU 负载以及单一缆线连接的IEEE 1394b。图 1 为 9 pin 脚 IEEE 1394b 接头的 pin 脚定义，VG 与 VP 为电源传输的电源接脚。

                       

                      图1   9 pin 脚 IEEE1394b 接头的 pin 脚定义

    2.3 PoE（Power over Etherne，以太网络供电）

    Gigabit Ethernet（以太网络）相机可通过现有的以太网络技术与计算机进行通讯，提供图像采集应用。PoE 拥有许多以太网络传输的优势，如远距离传输与高带宽，但除了数据传输线外，Gigibit Ethernet 相机通常还需要使用另一条独立的缆线供电。

    IEEE协会发表 IEEE 802.3a 以太网络供电 (PoE) 标准，用以定义如何通过标准的以太网络线供电，使得可通过八线的 Cat 5 及 Cat 6 缆线，为 PoE 兼容设备提供最高达 48V 的 DC 电源。

    标准的 CAT5 以太网络线共有四条双绞线，但只有两条是作为 10BASE-T 和 100BASE-T 使用。此规格提供了两种使用此类缆线供电的选择：

    （1）使用备用线对。图 2 说明 pin 脚 4 与 5 上的双绞线连接后，可构成正端供电电源，而pin 脚 7 与 8 连接后，则会构成负端供电电源。

                         
 
                         图2   备用线对供电 (Power over spare pairs)

    （2）使用数据线对。 由于以太网络线对的两端是以变压器耦合，因此可将 DC 电源套连接至绝缘变压器的中心分接，而不会影响数据传输，在此操作模式下，pin 脚3与6的线对，以及 pin 脚1与2的线对都可以是正负任一极。说明如图3。

                        

                                   图3   数据线对供电

    此规格无法使用两组缆线，一定要从中选择一种，之后电源供应设备 (PSE) 会将电源供应至选择使用的一组缆线上，受电设备 (PD) 也必须能接受两组线缆中之任一组的供电。

    额定电压为 48V，受电装置约可获得 15.4W 的功率。绝缘的 DC-DC 电源转换器可以将 48V 变压为较低的电压，以符合受电装置的电子配置，并维持 1500V 的绝缘电压，以保证安全。

    明确规格要求是为了避免损害现有的以太网络设备，而供电设备执行的搜寻程序 (discovery process) 也会检测以太网络线，寻找符合该规格的装置。供电设备会将小电流限制电压套用至缆线，以确认远程装置是否具备可完成搜寻的 25 kΩ 电阻器，并会在确认远程装置确实具备电阻器后，才套用完整的 48V，但是此一电压仍有电流限制，以免在故障时损坏缆线与设备。表 2 为提供单一缆线解决方案的工业数字相机接口标准对照。

                  表2   工业数字相机接口对照

       

    3 减少整体成本

    设计、安装与维护缆线一向是工业机器视觉系统的主要成本之一，因此单一缆线的解决方案在工业机器视觉市场上都具有非常实用的功能。工业机器视觉系统在使用单一缆线解决方案后，便可提供更简化的安装、更低的维护需求，以及减少整体成本，新一代的数字相机，甚至可更进一步地减少使用电线的需求。

   4 凌华科技支持Power over Cable图像采集卡解决方案

   凌华科技提供一系列适用于工业图像采集用途的产品，并支持完整Power over Cable接口，包含多种图像采集卡：

   4.1 PoCL (Power over Camera Link?)    

        PCIe-CPL64




    PoCL 标准可在完全不会与旧版的 Camera Link 标准冲突下，使相机能够通过Camera Link 接头连结并供电至相机，此解决方案最适合小型相机使用。

   4.2 IEEE 1394.b    

    PCIe-FIW64/PCIe-FIW62  






   （1）即插即用的操作、维护方便；

   （2）缆线供电(Power over cable)，减少电线数量。

   




     4.3 Gigabit Ethernet for Vision




    PCIe-GIE62+  

    （1）长距离缆线：Gigabit 以太网络线最长可达 100 米；

    （2）缆线供电(Power over Ethernet)，减少电线数量；

    （3）低接线成本：RJ-45 Cat-5e 缆线可为图像采集应用提供具竞争优势的价格。



                                                              ——转自《自动化博览》