CoaXPress 2.1 sobre cables de fibra óptica es más rápido y estable

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Hasta que se lanzó el estándar CoaXPress v2.1 en 2021, el único medio físico entre cámaras, PC y captadores de fotogramas para la interfaz CoaXPress (CXP) había sido el cable coaxial de 75 Ω. Para la mayoría de las aplicaciones de visión, entonces y ahora, la interfaz CXP 2.1, con su capacidad de transferir datos a hasta 12,5 Gbps (Gigabits por segundo) por enlace a través de un único cable coaxial, se adapta perfectamente a los sistemas de inspección, control de calidad y fábrica de alto rendimiento. necesidades de automatización. CXP 2.1 sobre cable coaxial es más rápido y estable que GigE Vision, USB3 o Camera Link, y ha demostrado ser el equilibrio ideal entre costos y requisitos crecientes de velocidades más rápidas, cables de mayor longitud, disipación de calor y entrega de energía.

Entonces, ¿quién querría cambiar esa fórmula ganadora?

Resulta que la Asociación Japonesa de Imágenes Industriales (JIAA) lo hizo, junto con la Asociación Europea de Visión Artificial, la Asociación para el Avance de la Automatización y un consorcio de empresas de visión artificial que forman el comité estándar CoaXPress. El comité reconoció que la transmisión de ancho de banda está evolucionando rápidamente hacia 100, 200 e incluso 400 Gbps, es decir, velocidades mucho más allá de las capacidades de los simples cables coaxiales. Modificó CXP v2.1 con una ligera adición que permitió que los enlaces de fibra óptica funcionaran con el protocolo CoaXPress. Con ese movimiento audaz, introdujeron CoaXPress Over Fiber o CXPoF en la industria de la visión artificial.

Para aquellos que no están familiarizados con CoaXPress, se introdujo por primera vez en 2007 como una comunicación en serie asimétrica punto a punto dirigida a aplicaciones de visión que requerían transmisión de datos de alta velocidad y alto rendimiento. La versión original (CXP-6) permitía un cable coaxial estándar que utilizaba conectores DIN push-pull para transferir datos a velocidades de hasta 6,25 Gbps, con una velocidad de datos efectiva de 5,0 Gbps debido a la sobrecarga de codificación 8b10b. Cuando se agrega en dos o cuatro enlaces, CXP-6 admitía un ancho de banda de hasta 25 Gbps desde la cámara hasta el capturador de fotogramas. CXP requiere un capturador de fotogramas a diferencia de las aplicaciones GigE Vision que utilizan tarjetas de interfaz de red (NIC) estándar. Debido a que GigE Vision se basa en una tarjeta NIC, la gestión de paquetes de datos la realiza un controlador, mientras se carga significativamente la CPU del host.

Teniendo en cuenta que las interfaces Camera Link y GigE eran el techo de velocidad del sistema en ese momento, CXP fue una innovación muy bienvenida. La industria también celebró una serie de otros atributos, como un disparo más preciso, longitudes de cable más largas e integración de un solo cable para datos, control, energía (PoCXP) y comunicaciones. PoCXP simplificó la complejidad del sistema de imágenes al eliminar la necesidad de tender cables de alimentación adicionales alrededor del espacio del proyecto.

CoaXPress es una interfaz de baja latencia y bajo ruido, lo cual es fundamental en aplicaciones industriales y médicas. Industrias tan diversas como los fabricantes de semiconductores y OLED, hasta los sistemas de tráfico inteligentes y la investigación biomédica, adoptaron rápidamente el estándar CXP. Los sistemas de imágenes heredados, como los que se encuentran en aviones militares más antiguos, ya contaban con un cable coaxial para conectar cámaras analógicas. A los ingenieros les resultó sencillo actualizar lo analógico a CXP cambiando los captadores de fotogramas e instalando nuevas cámaras CXP.

Teniendo en cuenta que las interfaces Camera Link y GigE eran el techo de velocidad del sistema en ese momento, CXP fue una innovación muy bienvenida.

El estándar CXP v2.1 aumentó aún más la velocidad. Introdujo dos nuevas velocidades increíblemente rápidas: 10 Gbps (CXP-10) y 12,5 Gbps (CXP-12) que efectivamente duplicaron el ancho de banda de la versión original. Debido a que CXP es escalable de uno (simple) a dos (duales) o cuatro (cuádruples) cables por cámara, el protocolo CXP 2.1 puede alcanzar de manera confiable anchos de banda de hasta 50 Gbps desde una cámara de cuatro enlaces si se utilizan cuatro cables. CXP-12 está por delante de 10GigE y USB 3.1 Gen 2, que pueden transferir 10 Gbps.

Además, CXP v2.1 agregó soporte para la interfaz de programación genérica GenICam y GenDC (Generic Data Container). GenDC es un módulo que se utiliza para representar, transmitir o recibir diversos tipos de datos. GenDC se centra en datos de imágenes relacionados con la visión artificial, como 2D, 3D y multiespectrales, así como metadatos como información adicional, histogramas y estadísticas.

La velocidad del enlace ascendente se ha duplicado a 42 Mbps, por lo que ahora son posibles velocidades de activación superiores a 500 kHz. El único inconveniente de las configuraciones de cable coaxial es que la longitud máxima del cable es de 35 metros o 115 pies, lo que limita la transmisión de 50 Gbps a distancias algo más cortas. Un nuevo tipo de conector, el Micro-BNC (HD-BNC), reemplazó al conector DIN push-pull especificado en el estándar CXP-6.

Entre todo el entusiasmo por estas actualizaciones, se pasó por alto el complemento diseñado para permitir que el protocolo CoaXPress se ejecute sin modificaciones a través de una conexión Ethernet estándar, incluida la fibra óptica. Pero no por mucho. La industria pronto se dio cuenta de que CXPoF toma prácticamente todas las ventajas de CoaXPress mencionadas anteriormente y las combina con los beneficios de rendimiento del cableado de fibra óptica.

Lo que debe saber sobre CXPoF es que utiliza Ethernet Capa 1. Esta capa es donde los datos se mueven físicamente a través de una interfaz de red. Las tecnologías de capa 1 se encuentran en el nivel más bajo de una red. La capa 1 es responsable de las funciones de codificación y señalización que transforman los datos de los bits que residen dentro de un dispositivo en señales que pueden transmitirse a través de la red. Define especificaciones de hardware, como cables, conectores y tarjetas de interfaz de red. Por lo tanto, cada vez que se realiza una actualización a un componente de Capa 1, CXPoF beneficiará directamente si esa actualización se traduce en más ancho de banda o precios más bajos. En comparación con la visión artificial, las redes informáticas basadas en Ethernet tienen enormes volúmenes de ventas, lo que ha hecho bajar los precios de sus componentes. Los componentes más económicos, como cables y conectores, reducen el precio general de un sistema de visión CXPoF.

El ancho de banda neto de CXPoF coincide con CXP-12: aproximadamente 40 Gbps. Sin embargo, en lugar de requerir cuatro enlaces CXP-12 y cuatro conexiones coaxiales, CXPoF transmite 40 Gbps en un único módulo transceptor QSFP+ (Quad Small Form Factor Pluggable) y un único cable de fibra óptica. Esto se traduce en una estructura de cableado mucho menos compleja y con menos requisitos de espacio. A medida que las velocidades aumentan aún más de 12,5 Gbps a los 25 Gbps esperados por JIIA a través de QSFP28 y 50 Gbps a través de QSFP56 por carril, CXPoF parece ser el camino de menor resistencia.

La fibra óptica transmite datos como pulsos de luz a través de hilos de fibra hechos de vidrio o plástico. Cuando se combina con cientos de otros hilos, el cable de fibra óptica resultante transmitirá más datos a velocidades más rápidas y a distancias mucho más largas que los cables de cobre de alta calidad. Además, la fibra óptica está aislada eléctricamente. En consecuencia, no irradia y no es susceptible a interferencias electromagnéticas (EMI) que pueden disminuir las velocidades de transmisión o crear interferencias. El aislamiento del cable de fibra óptica también elimina los problemas asociados con la conexión a tierra.

Los cables de fibra óptica ofrecen varias otras ventajas. Por un lado, los cables de fibra óptica no representan un riesgo de incendio ya que no se disipa el calor. En segundo lugar, los cables pueden soportar fuerzas de tracción significativas sin sufrir roturas en tramos largos en comparación con el cableado de cobre. En tercer lugar, los cables de fibra óptica no se dañan por las inclemencias del tiempo, la humedad o las temperaturas extremas en la misma medida que los cables coaxiales o Ethernet. Finalmente, al ser más livianos y de menor diámetro que otros tipos de cables, los cables de fibra óptica se pueden enhebrar fácilmente en máquinas, robots, aviones y vehículos terrestres.

Hay dos tipos de cables de fibra óptica: fibra monomodo (SMF) y fibra multimodo (MMF), con la diferencia del tamaño del núcleo. MMF tiene un núcleo mucho más amplio, lo que permite que se propaguen múltiples modos o "rayos" de luz. SMF tiene un núcleo muy estrecho, lo que permite que solo se propague un único modo de luz. En general, el cable SMF es para transmisión de señales a distancias extremadamente largas, mientras que las aplicaciones que requieren enviar un mayor volumen de datos en un recorrido más corto tienden a utilizar cableado MMF. Se espera que CXPoF alcance distancias de hasta 80 km (aproximadamente 49,71 millas) en modo único y 300 m (aproximadamente 984,25 pies) en modo múltiple sin el uso de extensores propensos a errores.

Quizás el único inconveniente de CXPoF es la pérdida de la capacidad de enviar energía. A pesar de PoCXP, CXPoF mantiene y desarrolla todos los beneficios del protocolo CXP.

Como extensión del protocolo CoaXPress, CXPoF proporciona la interfaz de programación GenICam genérica para hardware y software, además es independiente de cualquier sistema operativo, lo que simplifica la actualización de coaxial a fibra óptica. La actualización requerirá cámaras y captadores de fotogramas compatibles con CXPoF, así como cableado, transceptores y conectores de fibra óptica. Los proveedores están empezando a reconocer el potencial de mercado de CXPoF. En consecuencia, las opciones de hardware son limitadas ahora, pero se prevé que crezcan exponencialmente, como ha sido el caso con las actualizaciones anteriores de CXP.

Un capturador de cuadros CXPoF tendrá una ranura para transceptor de fibra que admite conjuntos de cables de fibra compatibles con QFSP+. El conjunto proporcionará hasta cuatro conexiones para admitir una cámara de enlace cuádruple, dos cámaras de enlace dual o cuatro cámaras de enlace único. Los capturadores de cuadros CXPoF utilizan la misma plataforma x8 PCI Express Gen 3.0 de tamaño medio que los capturadores de cuadros CXP, lo que facilita el intercambio en la PC host. El módulo transceptor óptico consta de un extremo receptor y un extremo transmisor. La parte receptora realiza una conversión fotoeléctrica y la parte transmisora ​​realiza una conversión electroóptica.

Un solo cable de fibra óptica puede alcanzar velocidades de 40 Gbps. Esto significa que se requieren menos cables para transmitir datos, lo que reduce la complejidad del tendido de cables, reduce los costos del sistema y minimiza los posibles puntos de falla, especialmente si anteriormente se requerían extensores de fibra.

CXPoF abre un nuevo ámbito de oportunidades. Es probable que las primeras aplicaciones que aprovechen CXPoF sean situaciones que requieran un cableado excepcionalmente largo, como ITS o pruebas balísticas, o cuando se requiera aislamiento eléctrico entre la cámara y la PC, como es el caso en sitios industriales ruidosos y centros médicos sensibles. ambientes.

Además, como se mencionó, la economía desempeñará un papel en el ritmo al que se adopte CXPoF. CXPoF tiene beneficios de costos sobre el coaxial tradicional debido a su capacidad de utilizar componentes de red Ethernet, especialmente en lo que se refiere a los costos de cable. Por ejemplo, un cable coaxial CXP-12 cuádruple de 30M cuesta más de $600, mientras que un AOC (cable óptico activo) QSFP+ de 30M cuesta alrededor de $125. Combinada con sus otras ventajas, esta rentabilidad podría ser suficiente para convencer a los integradores de sistemas de migrar a CXPoF.

La hoja de ruta para CXP sobre fibra es apasionante. Además de admitir un rendimiento extremadamente alto hoy en día, está excepcionalmente preparado para futuros aumentos de ancho de banda, todo ello utilizando componentes comunes y de bajo costo.

Donal Waide es director de ventas de BitFlow Inc, un fabricante de capturadores de cuadros en Woburn, MA. Ha estado involucrado en la industria de la visión artificial desde la década de 1990. Para obtener más información, llame al (781) 921-2900, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.bitflow.com.