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USB 3.1 – Das Kamera­-Interface der nächsten Generation

(Bild: Fotolia_ envfx)

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01 Die „uEye LE USB 3.1 Gen 1“-Industriekamera im Boardlevel-Format: Über USB Power Delivery kann die Kamera eine angeschlossene Beleuchtung direkt versorgen

01 Die „uEye LE USB 3.1 Gen 1“-Industriekamera im Boardlevel-Format: Über USB Power Delivery kann die Kamera eine angeschlossene Beleuchtung direkt versorgen

Nach 20 Jahren Erfolgsgeschichte hat der Universal Serial Bus mit USB 3.1 eine zukunftsweisende Weiterentwicklung erfahren. Waren die früheren Generationen lediglich Datenschnittstellen, die auch eine begrenzte Versorgungsspannung für ein Gerät liefern konnten, hat das USB Implementers Forum (USB­IF) mit der USB­3.1­Spezifikation auch viele andere Features überarbeitet. Die auffälligste Neuerung ist der Verbinder USB Type­C, der dem Stecker­Wirrwarr ein Ende bereiten und zum neuen Standard werden soll. Doch was sind die Innovationen von USB 3.1 im Einzelnen und welche Vorteile ergeben sich daraus für USB als Kameraschnittstelle?
Vor zwei Jahre wurde USB 3.0 als die Machine-Vision-Kameraschnittstelle mit dem am schnellsten wachsenden Marktanteil gehighlightet. Nun zeichnet sich ab, dass die USB-3.1-Spezifikation dem USB-3.0-Standard schnell den Rang als das Kamera-Interface der Zukunft ablaufen wird.
Fast zehn Jahre ist die USB-3.0-Spezifikation verfügbar: 2008 wurde der Standard veröffentlicht. Die wesentlichen Ziele bei dessen Entwicklung waren, die Einschränkungen von USB 2.0 zu beseitigen. Es folgten eine um den Faktor zehn höhere Datenrate, ein optimiertes Energiemanagement der angeschlossenen Geräte sowie ein Verzicht auf das Poll-Verfahren des früheren USB-Protokolls. Die existierende USB-Infrastruktur aber wurde beibehalten.
Im Hinblick auf die Bildverarbeitung brachte das Spezifikations-Upgrade damit Vorteile: Die in den letzten Jahren entwickelten und immer leistungsstärkeren CMOS-Sensoren können nun mit maximaler Datenrate genutzt werden, zudem ist USB 3.0 die erste kostengünstige Schnittstelle, mit der sich das Potenzial schneller Sensoren tatsächlich ausschöpfen lässt. Mit der USB-3.1-Spezifikation, die im Juli 2013 erschienen ist, eröffneten sich weitere Möglichkeiten für Machine-Vision-Anwendungen. Es wurde nicht nur eine noch höhere Bandbreite eingeführt, es gibt auch einen neuen Stecker und es kann mehr Energie übertragen werden. Was bedeutet das im Einzelnen?
Höhere Übertragungsraten möglich
Die USB-3.1-Spezifikation ersetzt technisch die USB-3.0-Spezifikation bei voller Abwärtskompatibilität zu USB 3.0 und 2.0. Aber es wird neben der bisherigen Datenrate von 5 Gbit/s eine weitere mit 10 Gbit/s eingeführt. Um die unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu kennzeichnen, definiert das USB-IF zwei Transferraten mit unterschiedlichen Logos: Der offizielle Name für „USB 3.1 Gen 1“ ist immer noch „SuperSpeed USB“. „USB 3.1 Gen 1“ und USB 3.0 sind somit Synonyme, die für die gleiche Übertragungsrate stehen.
Für „USB 3.1 Gen 2“ ist die Bezeichnung „SuperSpeed USB 10 Gbps“, die in der zweiten Generation damit eine doppelt so hohe Transferrate wie USB 3.0 verspricht. USB 3.1 kann also eine höhere Geschwindigkeit bedeuten, muss es aber nach Definition nicht.
Neuer Stecker
Der neue USB-Type-C-Stecker ist dazu bestimmt, in Zukunft der allgegenwärtige und einzige Universalstecker in einem PC zu werden. Aktuell wird der USB-Type-C-Stecker an Leitungen, Smartphones, Tablet-PC, Festplatten, Monitoren, Docking-Stationen, Netzteilen, Notebooks, Desktop PC, USB-Sticks usw. verwendet. Er ist klein, vielseitig und kann vergleichsweise viel Energie übertragen. Hinzu kommt, dass er verdrehsicher ist. Mit einer Höhe von 2,5 mm und einer Breite von etwa 8 mm ist er kleiner als die aktuellen Type-A- oder Micro-B- Stecker. Type-C weist 24 Pins auf und damit mehr als doppelt so viel, wie jeder andere USB-Stecker. Beinhaltet sind die Superspeed-Datenbusse, ein USB-2.0-Interface zur Abwärtskompatibilität, Stromversorgung, Masse und der Kommunikationskanal für das Power-Delivery-Protokoll. In Verbindung mit den Konfigurationsleitungen (CC) erlaubt der Verbinder auch alternative Betriebsarten. Damit können zum Beispiel Display Port (DP Alt Mode), Thunderbolt oder andere Protokolle übertragen werden.
Für USB Type-C gibt es eine separate Spezifikation. Der Stecker ist optional für USB-3.1-Geräte. Technisch betrachtet liefern auch die bekannten Typ-A-Stecker volle „USB 3.1 Gen 2“-Geschwindigkeit. Jedoch bietet Type-C mehr Möglichkeiten: Ein Type-C-Kabelaufbau mit Controller-Chips für den Konfigurationskanal (CC) in den Steckern bzw. Buchsen wird als „elektronisch markierte Leitung“ (EMCA) bezeichnet. Diese Leitungen kommunizieren mit dem Host-PC oder anderen Geräten und teilen ihnen ihre besonderen Fähigkeiten mit, beispielsweise ihre Stromtragfähigkeit, mögliche Datentransferrate oder die Hersteller-ID (USB-Type-C-Kabel-ID). Da diese Leitungen bis zu 100 W Leistung transportieren können, ist es wichtig, dass sie ihre elektrischen Fähigkeiten korrekt weitergeben. Alle vollbelegten USB-Type-C-Leitungen müssen deshalb elektronisch markiert sein.
USB Power Delivery
Die USB-Power-Delivery-Spezifikation 3.0 wurde im März 2016 veröffentlicht und erlaubt einen Leistungstransfer bis 20 V und 5 A (100 W). Power Delivery ist keine zwingende Voraussetzung für Type-C-Verbinder. Grundsätzlich ist es möglich, den Type-C-Stecker auch für Geräte zu verwenden, die das Power- Delivery-Protokoll nicht unterstützen. Jedoch funktioniert der unabhängige Rollentausch von Daten- bzw. Stromlieferant für höchste Flexibilität nur mit USB PD, auch unterbrechungsfrei während des Betriebs.
Die Vorteile für Machine Vision
Wie profitieren nun Machine-Vision-Kameras aus der Kombination dieser drei Neuerungen des USB-3.1-Standards?
Wenn einer Kamera eine höhere elektrische Leistung zur Verfügung steht, als sie selbst benötigt, kann sie das Mehr an Leistung der angeschlossenen Kameraperipherie zur Verfügung stellen. Für diese Peripherie muss dann kein zusätzliches Netzteil im System eingeplant werden. Die „uEye LE USB 3.1 Gen 1“-Kamera von IDS (Bild 1) ist eine Kamera der neuesten Generation mit Type-C-Stecker. Sie kann 12 W Ausgangsleistung erbringen, was ausreicht, um beispielsweise eine Beleuchtung durch die Kamera selbst zu versorgen.
Von der bevorstehenden Verdopplung der Transferrate auf „SuperSpeed 10 Gbps“ werden nicht nur sehr schnelle Sensoren profitieren, auch alternative Datenausgabeformate in RGB oder Bit-Tiefen mit mehr als 8 bit lassen sich selbst bei hohen Frameraten effizient übertragen.
Hinsichtlich der für Machine-Vision-Anwender wichtigen Frage nach der möglichen Leitungslänge hat sich, zumindest für 5 Gbit/s, nichts geändert. So wird sie durch die Spezifikation nicht limitiert. Die Spezifikation definiert lediglich elektrische Parameter, wie den Spannungsabfall, die Signal-Anstiegszeit, den Widerstand usw. Mit „USB 3.1 Gen 2“ wird es allerdings für die Kabelhersteller schwieriger, die vorgegebenen Parameter einzuhalten. Werden jedoch hoch qualitative Materialien und Montagemethoden verwendet, gibt es hinsichtlich der maximalen Länge keine Beschränkungen. USB Type-C kann auch bei der Herstellung von langen Leitungen von Vorteil sein. Mit der Möglichkeit von aktiven EMCA ist zusätzliche Elektronik einsetzbar, um die Signale der Datenpfade aufzubereiten bzw. auf ein optisches Trägermedium, wie Glasfaser oder Active-Optical-Cable, umzusetzen, um die möglichen Leitungslängen zu maximieren. USB-Type-C-Stecker sind auch für industrielle Anwendungen geeignet. Verschraubbare Varianten und auch hoch flexible Schleppkettenleitungen für Robotikanwendungen sind möglich. Eine Spezifikation für verschraubbare USB-Type-C-Stecker hat die USB-IF-Arbeitsgruppe „Device Working Group (DWG) bereits veröffentlicht.
Fazit
Neue Begriffe und Spezifikationen um USB 3.1 sorgen gegenwärtig noch für etwas Verwirrung: „USB 3.1 Gen 1“ und „USB 3.1 Gen 2“, USB Type-C, USB Power Delivery. Um es für alle Anwender einfacher zu gestalten, hatte das USB-IF die Idee, dass die Hersteller von USB-3.1-Komponenten klar darauf hinweisen sollen, welche Geschwindigkeit, über welche Energie und Steckereigenschaften jedes einzelne Gerät verfügt. „USB 3.1 Gen 1“-Kameras mit USB-Type-C- Stecker und USB Power Delivery bieten schon jetzt interessante Features für die industrielle Bildverarbeitung und warten mit einem einfachen und nahtlosen Übergang zur doppelten Datenrate auf. Der Anschluss ist zudem verschraubbar und verdrehsicher und damit 100 % industrietauglich. Außerdem ermöglicht er eine noch kompaktere Bauart der Kamera. Power Delivery versorgt das Gerät mit ausreichend Leistung, was die Verkabelung vereinfacht sowie Zeit und Kosten bei der Integration spart. Zum Thema Integration sei noch darauf hingewiesen: „USB 3.1 Gen 1“- und „-Gen-2“-Kameras sind vollständig kompatibel zu USB 3 Vision. (ih)

Heiko Seitz ist technischer Redakteur bei der IDS Imaging Development Systems GmbH in Obersulm. marketing@ids-imaging.de

Heiko Seitz ist technischer Redakteur bei der IDS Imaging Development Systems GmbH in Obersulm. marketing@ids-imaging.de