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深度解析CameraLink数据接口

来源:www.lustervision.com    日期:2018-12-28    点击次数:

为速度而生的Camera Link 

上世纪90年代末,一种叫做Channel Link(简称C-Link)的芯片组在美国国家半导体实验室成功诞生。使用这种芯片的接口可以将原来只有250Mbit/s的传输速度,经过并行处理后提高到6.4Gbit/s,并且成本几乎不变。从而成为了不需要增加线缆数量,就能提高数据吞吐量的完美替代方案。

Channel Link使用LVDS信号模式(Low-voltage differential signaling。低压差分信号),配置有3个、4个或者8个芯片组并行传输数据,以及每个通道独立配置的同步时钟。其中3通道芯片组具有21个用于用户界面的单端输入和输出,而4通道芯片组具有28个单端输入和输出。8通道芯片组具有48个单端输入和输出。完全可以简单理解为双向两车道、双向四车道和双向八车道。

2000年,Channel Link在美国自动化工业学会AIA的推动下,进化为专为科学级、工业级视觉产品使用的行业标准,包括相机、线缆以及图像采集卡,由此摇身一变成为Camera Link。

Camera Link是使用4通道芯片组的Channel Link版本,总吞吐量为2.38Gbit/s。在此基础上还可以并行放置3个芯片组,总吞吐量超过7Gbit/s。自此相机可以发展更高分辨率和更高的帧速了。

▲凌云提供的Camera Link数据接口。


Camera Link四兄弟

Camera Link接口自诞生之初就不断经历各种升级和改造,以适应越来越高的数据吞吐需求。于是乎,我们就能够在市面上看到Base、Medium、Full、Deca四种版本。它们可以传输的数据率不同,甚至有些可以根据需要使用两根电缆进行传输。

“Base”Camera Link配置通过单个连接器/电缆传输信号。使用的电缆是MDR(“Mini D Ribbon”)26针公插头连接器,由3M针对LVDS信号进行了优化。除了传输串行视频数据的5个LVDS对(24位数据和4个成帧/使能位)外,该连接器还带有4个LVDS离散控制信号和2个LVDS异步串行通信通道,用于与摄像机通信。在最大芯片组工作频率(85MHz)下,基本

设置产生的视频数据吞吐量为2.04Gbit/s(255MB/s)。

“Medium”和“Full”Camera Link规范包括更高带宽的配置,可通过第二个连接器或者第二根线缆提供额外的视频数据路径。“Medium”配置使视频带宽加倍,在“Base”配置中添加24位数据和相同的4个成帧/启用位。这产生了一个48位宽的视频数据路径,吞吐量高达4.08Gbit/s(510 MB/s)。“Full”配置为数据路径增加了另外16位,从而产生64位宽的视频路径,可以承载5.44Gbit/s(680MB/s)。

▲一张图说明白如何区分Base、Medium、Full。如果说Base=Channel Link的话,Medium=Base+Channel Link,Full=Base+2Channel Link。

随着相机技术的进一步发展,原有的Camera Link Full标准已经无法满足某些超高分辨率相机的图像采集要求,于是乎将Camera Link Full标准中8个未使用的位,重新进行分配运用起来,新标准“Deca”Camera Link便由此而来。“Deca”标准下可以通过两个连接器或者第二根线缆产生80位的数据路径宽度,极大地拓展了数据带宽,能够承载6.8Gbit/s(850MB/s)

目前业界主流相机制造商都会使用“Camera Link Deca”一词,来表示该模式下兼容的相机和图像采集卡。但是也有一些制造商使用"Extended Full" 来表示Deca配置,甚至还有一些制造商依然还会使用“Camera Link Full”来形容Deca模式。可能会对一部分客户在选择相机的过程中造成误解。

▲早期版本的Camera Link接口如左图所示,使用26针微型Delta Ribbon连接器(MDR-26),针脚在中间板材的支撑下,极易发生各种歪斜。从标准版本1.2开始,允许收缩变体SDR-26,如右图所示,针脚牢牢地包裹着连接口,不易松动,插拔可靠性更高。

2007年升级的1.2版标准中,首次引入了迷你SDR(“Shrunk D Ribbon”)连接器(SDR-26)和相机链路电源(PoCL),从而诞生了Mini Camera Link接口,以及Power on Camera Link(简称PoCL)功能。


更加可靠、更加高速的传输

工业应用中对于更高传输速率的追求是永恒不变的,如何能够在提高数据带宽、提升传输可靠性、提高传输距离的同时,还能够降低成本,那可真是不要太开心。于是乎,正如我们所期望的,新一代接口标准Camera Link HS(简称CLHS)横空出世。

Camera Link HS标准中,电缆可以直接连接FPGA,无需额外器件或者设备,因此成本更低。同时Camera Link HS可以用较高的电压,以及接收机自动均衡来补偿电缆损耗,从而实现较远距离的信号传输。

理论上来说,15m单根铜线可以获得2.1Gbit/s,是单根铜线Camera Link Deca的三倍之多!这种更低成本的接口标准目前已经在各大相机厂商间应用,并且可以实现超过30m的通信距离!

▲Piranha XL彩色CMOS TDI线扫描相机仅用一根Camera Link HS线缆,就可以达到3.3Gbit/s的带宽。

相较于Camera Link线缆,Camera Link HS在超过15m的时候可以拥有更长的传输距离;在低于15m的情况下,Camera Link HS单根线缆即可达到和2根Camera Link线缆同样的带宽,部署成本却更低。同样都是3mm线缆直径,Camera Link HS在单根线缆上的带宽高达3.4Gbit/s,这可以让Linea 16K线扫描相机拥有71kHz的全速输出数据。

▲新款Linea 16K线扫描相机同时具有Camera Link接口(左),以及Camera Link HS接口(右)。当应用行频需求超过50kHz时,Camera Link HS接口的Linea 16k就应该是用户的首选。

总结

目前Camera Link HS接口相机最大的应用在FPD领域,对高端相机速度要求的满足非常有代表性。

Camera Link HS接口信号协议与Camera Link完全兼容,但是却支持更高的传输带宽,单一线缆是Camera Link接口的4倍。Camera Link HS接口可实现完全精准的实时外触发,其线缆标准使用更加紧凑、可靠性更高的CX4标准线缆,该标准生命力更长,替换的周期更长。Camera Link HS接口的数据稳定性和可靠性更高,15m~40m的传输距离更长,具备Ack/Nack-Package重发确认功能。同时可以实现系统网络同步处理功能、数据级联。是用户在选择时不可或缺的独特选择。




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