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CoaXPress接口助CMOS相机实现更高速率

act视觉系统设计2018-06-19 03:30:06

采用CoaXPress接口标准,允许供应商增加其相机系统的数据吞吐量。


CoaXPressCXP)标准自从2009年在斯图加特的VISION展会上推出以来,已经有八年时间。从那时起,该标准在某种程度上就已经成为高性能相机系统实际采用的相机到计算机之间的接口,因为在取代成熟的Camera Link标准后,CXP标准允许供应商提高其基于CMOS相机系统的数据吞吐量。

 

到目前为止,许多相机和图像采集卡已经支持与一系列CMOSCCD相机、图像采集卡、缆线和连接器的接口。

 

CXP规格

 

作为非对称点到点串行通信标准,CXP-6版本具有每根缆线高达6.25Gbps的高速下行链路和20Mbps的上行链路。正如Camera Link支持供电模式(Power over Camera Link)一样,CXP 也支持供电模式(Power over Coax),并为系统开发者提供长达100米的同轴电缆,用于相机和计算机之间的连接。

 

尽管单路CXP-6高速链路可提供高达6.25Gbps的速度,事实上CXP标准能提供许多不同的速率,从CXP-11.25GbpsCXP-66.25Gbps,相机到计算机之间的最大通信距离从212mCXP-1)到68mCXP-6)。

 

例如,日本CIS公司就在其VCC-VCXP3MVCC-VCXP3R VGA相机的设计中提供了许多可选的帧率,包括269fpsCXP-1)、538fpsCXP2)和536.7fpsCXP3)。为了进一步提高数据传输速率,可以使用多个链路。实际上,今天许多制造商已经引入了采用四路CXP-6链路的相机和图像采集卡,能提供25Gbps的数据传输速率。

 

聚合若干链路可以实现分别为12.5Gps25Gbps的双倍或四倍数据传输速率。这里,使用链路的数量取决于图像传感器的最大输出速度和/或数据传输速率。例如,在用于索尼传感器相机的CXP接口设计中,英国Active Silicon公司使用单个2.5Gbps CXP-2链路来支持相机的所有HD模式(1080i720p50Hz60Hz),相机中使用的是1/3英寸200万像素CMOS图像传感器(见图1)。


1:在FCB-H11相机中,Active Silicon公司使用单个2.5Gbps CXP-2链路束支持相机的所有HD模式(1080i720p50Hz60Hz),相机中使用的是索尼的1/3英寸200万像素CMOS图像传感器。

 

多个链路


在使用更快的百万像素成像元件的情况下,制造商必须选择提供多条CXP-6链路。当使用这类传感器时,相机可以围绕不同的CXP配置进行设置,以提供所需要的速度和位深。例如,美国JAI公司在其基于Lince5M的相机中,使用来自西班牙Anafocus公司(现在属于e2V公司)的Lince5M 2560×2048 CMOS传感器。

 

该分辨率为2560×20481英寸CMOS传感器,可以在12位模式下以250fps的最大帧率运行。在这样的帧率和位深下,JAISP-5000M-CXP4(单色)和SP-5000C-CXP4(彩色)相机需要四路CXP-6链路。但是,当接口带宽受限时,传感器也可以在小于其全数据速率的状态下工作。

 

例如,Lince5M可以使用两路CXP-6链路,以211fps8位模式输出全分辨率,这一点已经在JAISP-5000M-CXP2SP-5000C-CXP2 CXP相机的设计中实现(见图2)。其带来的诸多益处包括实现CXP接口需要更少的驱动器和均衡器,以及允许使用Active Silicon公司、美国BitFlow公司、比利时Euresys公司和其他公司的四链路CXP图像采集卡来部署双相机配置。

 

2:帧率减少至211fps时,JAISP-5000M-CXP2(灰度)和SP-5000C-CXP2(彩色)CXP相机需要使用两路CXP-6链路。

 

四路CXP-6链路也用于支持来自图像传感器的数据传输速率,例如美国Alexima公司的AM41。德国Mikrotron公司的EoSens 4CXPm/c相机和德国 Optronis公司的CP80-4-M/C-500相机中,使用的都是AM41传感器。


有趣的是,在Mikrotron公司和Optronis公司网站上发现的这些相机的规格与原始AM41V4据表(http://bit.ly/2ebbzVz中的规格略有不同。但无论如何,使用四路CXP链路允许这两台相机在全分辨率下以约500fps的帧率传输400万像素的图像。

 

多于四路链路


除了目前有许多图像采集卡支持这样的四链路相机以外,以色列Kaya Instruments公司的Komodo CXP图像采集卡,更是能够接收来自多达八路CoaXPress链路的图像数据,包括单路、双路、四路或八路模式(见图3)。因此,它可以用于同时从两台四路CXP-6链路相机捕获图像数据,每台相机的最大数据传输速率为25Gbps,允许双相机系统在单个图像采集卡上提供50Gbps的最大数据输出速率。


3Kaya Instruments公司的Komodo CXP图像采集卡能够以单路、双路、四路或八路模式,从多达八路CoaXPress链路接收图像数据。

           

201611月的斯图加特VISION展会上,韩国Vieworks公司发布了1200万像素八路CoaXPress相机VC-12MX2-M330,并展示该相机与两个以330fps运行的Euresys Coaxlink Quad G3图像采集卡连接的情况。Vieworks另外还展示了8款新型TDI相机,采用专有的混合TDI(时间延迟积分)传感器,结合了具有光敏无噪声电荷转移和积累过程的基于CCD的像素阵列,以及快速CMOS读出电子器件。所得到的高灵敏度和高动态范围传感器,据说能提供类CCD图像质量,并具有CMOS传感器的高速度和低功耗优势。

 

然而,由于可能包括在相机中添加额外的驱动器和均衡器,以及实现单个相机/图像采集卡八路CXP-6系统所需的缆线,这些都将增加额外成本,因此这类设计未被广泛采用。但使用比利时CMOSIS公司CMV12000等传感器的相机可以从中受益。

 

实际上,在10位模式下,以300fps运行的CMOSIS 1200万像素4096×3072传感器的规格,将需要大约38Gbps的数据传输速率和八路CXP-6链路。这使得相机厂商,如加拿大IO Industries公司需要在其Flare 12M180-CX(一种四通道CXP-6方案)中使用CMV12000,并以187fps的较慢帧率运行。

 

工作得更快


可能许多相机厂商和图像采集卡厂商并不会采用八路CXP-6方案,而是等待下一代更高速的驱动器和均衡器。这将使当前的最大数据速率从现有的6.25GbpsCXP-6),增加到10GbpsCXP-10)和12.5GbpsCXP-12.5)。

 

CIS公司总裁Yusuke Muraoka表示:“由于没有新的CXP驱动器芯片,我们的所有相机都是围绕当前的6.25Gbps CXP-6标准设计的,但是一旦新的标准和设备就绪,我们一定会倾向更快的标准。”同样,Mikrotron公司也并未在2016VISION展会上展示CXP-10CXP-12.5相机。

 

Mikrotron公司北美办公室业务发展主管Steve Ferrell说:“CXP-12已经在公司的产品路线图上,它将在Mikrotron CXP相机中使用,但是要到2017年年中或年末才能推出。”

 

虽然许多相机厂商似乎缺少样品CXP驱动器芯片来提高其基于CXP的相机的速度,但似乎图像采集卡厂商已经收到了工程样片。Euresys公司首席执行官Marc Damhaut透露,该公司目前正在为这两个新版本的标准开发原型和概念验证(见图4)。


4Euresys公司已经使用Microchip公司的工程样片,构建了CXP-10图像采集卡的原型。

 

“我们使用Microchip公司即将推出的芯片的工程样片,构建了CXP-10图像采集卡的原型。Euresys公司首席执行官Marc Damhaut他表示。正因为如此,在2016年斯图加特举行VISION展会上,Euresys选择与Microchip公司和荷兰Adimec公司联合展出图像采集卡。“我们也正在验证基于美国Macom公司器件的CXP-12接口。

 

Active Silicon公司首席执行官Colin Pearce透露,Active Silicon公司也在开发支持CXP-10CXP-12.5的图像采集卡。虽然其在VISION 2016上公布了这一消息,但并没有在现场展示该板卡。

 

速度优势


高帧率相机的开发者使用诸如CMOSIS公司的CMV12000等器件,加上四路CXP-12.5链路和单个四链路图像采集卡,实现了38Gbps的全设备帧率。线扫描相机制造商可以从减少所需的CXP线缆数量中获益,并通过新的CXP-10CXP-12.5标准提高相机的吞吐量。

 

目前,例如日本NED公司的XCM16K04GT4CXP16384×1线扫描相机,就使用四个CXP-5接头实现68.97kHz的数据输出。如果采用新的CXP标准,则可以减少接头的使用数量。虽然线阵和面阵CMOS传感器的速度和分辨率会继续增加,来满足工业检测和医学成像等更高的应用需求,但它们同时也需要高速接口的支持。


以前是一些相对规模较小的公司领导这样的CMOS器件创新。然而最近市场迅速合并,例如Anafocus公司、CMOSIS公司和美国Truesense Imaging公司分别被e2V、奥地利AMS集团和美国安森美半导体公司收购。


这种并购行为是否会在一定程度上扼杀CMOS传感器的创新,仍有待观察。但是相机公司将希望更有效地实现产品差异化,这将促使他们去寻找更新的传感器初创公司或是投资定制CMOS器件。