1 简介
    USB 3.0接口和USB 3.0 Vision标准是专门为工业图像处理开发的，它们于2013年初投入市场。自那时起，USB3.0 接口经历了众多变化和改进，新版本称为USB 3.1 Gen1。 相机对视觉系统提出新的要求，因而已变得更加强大。配件是重要组成部分，下面的讨论重点说明了有关配件的三个不同用例。此外还有一个章节介绍了Basler AG用于确保USB 3.0产品可靠性所采取的各种测试和测量方法。
2 技术背景
    新款高刷新率和高分辨率CMOS芯片给数据传输带来了巨大挑战。在过去，数据传输率超过150 MB/s被认为非常昂贵，通常使用昂贵的Camera Link接口实现。近几年，USB3 Vision标准已经得到重视。通过线材和计算机CPU上的主机控制器，USB 3.0接口可以在处理高达380 MB/s的数据传输速率的同时，给外部供电。         

    在技术层面，这在USB3 Vision协议中通过复杂的数据结构和信号信息的高频率得以实现。此信号信息同样通过差分传输。通过价格实惠的被动式线材实现这些功能，这给相关配件的系列设计和制造增加了挑战。线材本身也是一个很好的例子。图 1 展示了USB 3.0线材截面。它显示高频数据和电力传输必须在非常小的空间共存。独立线材之间必须互不干扰，同时，每个系统必须正常运行。

图9： USB 3.0线材的截面‍‍‍

‍‍

2.1 客户与业务应用
    关于USB 3.0应用，值得一提的是接口本身已经展现出对消费市场的强大渗透力和适应性。表1中列出的运行状态对于现代应用很常见，这些应用充分利用了USB3 Vision协议的 优点。而且，USB3 Vision协议能够容纳廉价配件在数据传输过程中导致的缺点。

    对于家庭应用来说，可以容纳这些缺点，如外部硬盘驱动器或简单加载和流应用。但是对于专业USB 3.0应用则无法接受： 沿数据传输链的每个组件都必须能够充分运用它们的功能。这些产品精益求精、产品认证是工业产品与消费者产品之间的差别之一。
3 组件
    下面将列出适合稳定传输的关键配件，包括它们的功能和关注重点。Basler市场营销文档“实现稳定USB 3.0系统的配件 ”包含适合采用USB 3.0接口的高级视觉系统的其他组件。
3.1 线材
    线材在视觉系统中起关键作用。一方面便于数据传输，另一方面还作为电源传输线。 更重要的是，可以尽可能降低损耗。USB 3.0 Vision是第一个在标准内定义线材连接和线材关键特性的图像处理标准。 按照标准，频率特性和铜线规格之间的比例转化为可能的线材长度最高值——这转而有助于确定USB 3.0压降。并且，压降不能低于专门定义的限制。数据信号不能过于衰减，不能相互干扰，在差分传输过程中也不能引起延迟。

3.2 主机适配器/PCI卡
    USB 3.0的实际带宽取决于所使用的USB 3.0芯片组和主板芯片组。通过集成的USB 3.0连接可以将相机连接到主板。如果没有集成USB 3.0连接可用，则可以安装PCI Express卡。主机适配器使用芯片组将数据转换为适合计算机CPU的数据，并为相机供电。它可以确保数据的快速传输。基于高频标准导线的路由和整合必不可少。 为尽可能提供最佳性能，应该为每个端口配备一个芯片组；内部交换机处理多芯片组应用的交换任务。并且，直接通过该端口供电，或者通过计算机电源供电。
    确保线材正确安装到位，所有带螺纹的USB 3.0线材应使用螺丝固定。

3.3 集线器
    集线器可以将多个USB 3.0相机连接到PC主机。只由一个芯片组处理数据，提供一个USB 3.0“上游”端口。它在“下游”端口上的各台相机之间分配可用带宽。换句话说，多相机应用为每个相机提供较低的数据速率。

4 资格认证和测试过程
    为确保第5部分所述的用例实现理想工作状态，必须使用合格的产品，例如Basler组件产品线中的产品。每个组件必须经过Basler认证，然后才能进入Basler测试过程，最后纳入产品线。下面详细介绍了这些过程。

4.1 电源
    其基本要求是能够提供电力，进而要求必须遵守严格的规范和门限值。包括线材的电源线和主机控制器以及集线器的端口。它用于演示要在USB 3.0主机控制器上实现最大负荷需要进行的特殊设置。万用表用于测量可用电压，示波器用于监视区间一致性。

图10： 电源测试的设置示意图

4.2 传输距离
    使用基于矢量的网络分析确保传输距离的实用性。此示例使用USB 3.0线材。图3是这种测量设置的示意图。每根数据线经过专用的测量适配器连接到网络分析设备的测量连接器上。而且，在每个连接器上生成高达20 GHz的高频信号。这些信号将同时发送到所有连接器，并借助散射参数矩阵描述路径的属性。
    首先评估传输抑制和回声，并检查串扰和与时间相关的信号特性以及特性阻抗。使用特殊软件解决方案检查任意时间或频谱中断的位置。这涉及检查是否符合USB 3.0规范，以及针对传输距离的单个解决方案的评估和认证。

图11： USB 3.0线材矢量网络分析的设置示意图

4.3 总体系统
    除了视觉系统的单个组件的资格认证外，还对整个系统进行了测试和测量。Basler AG电子开发和产品认证团队在产品认证方面紧密合作。USB3 Vision协议具备所谓的“遵从性模式”，其中定义了规范。每个USB 3.0设备必须能够完美处理一定数量的定义位模式。而且，高灵敏度宽带示波器可以用于检查和评估这些模式。图 4 是一个示例图解。
    如果相机没有先连接数据线，而是通过专用测量适配器连接到接收器来加载电压，相机会切换到“合规性”模式并发送第一个测试位模式。测试信号通过USB 3.0线材（连接到测量适配器）发送到示波器，该示波器记录和评估信号。在此示例中，其形式是眼图模式（见图 4）。除此之外，可以使用特殊信号切换测试模式，以便使用软件来测试信号的合规性。这适用于从相机发射机到主机和从主机发射机到相机的路径。
    一旦单个组件合格，测试过程随后扩展到整个系统。这需要设置整个系统，并激活它，然后进行测试。因此，Basler制定了自己专有的测试程序和经过检验的协议分析程序。

图12： 信号质量测量设置

5 用例
    USB 3.0接口允许众多应用和设置。根据客户认可的成本和资源，能够以所有可以想象的即插即用配置实施单相机和多相机系统。无法一一将它们全部列出。
    下一节使用三个选定的应用来说明带有配件的USB 3.0系统能够实现哪些可能。这些系统已经过设置和测试（今后仍然如此）。它们允许采用不同系统或改变系统中的最大相机数量。系统设计最终取决于计算机CPU和正在使用的芯片组的性能。下面的示例系统也可以使用外部硬件进行触发来实现同步图像采集。此外，使用测量装置进行监测。
5.1  用例1： 采用一台相机的基本应用
    第一个用例（图 5）描述了一个经典系统。它采用具有高分辨率和高刷新率的一台相机。在相机端，使用弯角插头的5米长线材。 这是一个经过充分测试的系统，可以使用Sandy、IvyBridge、Haswell和Skylake系列处理器的芯片组。

‍‍

图13： 基本应用，用例1：

5.2  用例2： 采用12台相机的多相机系统
    这种设置（图 6）包含：采用Haswell系列CPU的强大PC、PCIe 2.0和3.0插槽以及三个USB 3.1 Gen1 x4主机控制器（每个采用4个FL1100芯片组）。相机由PC电源供电。多个带宽在此共同工作：每个主机适配器卡操作4台Basler ace USB 3.0相机(acA1920-155u*)，其中每台相机在采用全AOI提供230万像素分辨率时产生380 MB/s的数据。这意味着，每个主机适配器卡需要处理1.5 GB/s。三个完全使用的适配器卡给CPU带来总计4.5 GB/s的数据流。

    在相机端使用5m线材和弯角插头连接相机。该系统通过了耐力和压力测试，没有出现任何错误。此设置对于多相机应用绝对可靠。

图14： 多相机系统，用例2：

5.3  用例3 — 通过1个PCIe插槽连接16台相机的多相机系统
    第三个示例应用（图7）涉及通过一个 PCIe 插槽运行的多相机系统。该系统将带有四个端口的集线器插入x4卡的每个端口。它一共能容纳16台相机，每台相机端采用5m线材与弯角插头连接。
    该系统必须能够承担多台相机及对应的带宽。实现因素包括采用低分辨率芯片、相机不使用完全AOI、降低帧速度或减少位深度。而且，在此介绍的示例带宽减少到了每台相机60 MB/s。此设置通过了耐力和压力测试，没有出现错误。因而，此设置对于多相机应用绝对可靠。
    Basler的资格认证和测试过程显示了这三种示例系统的完美运行模式。采用不同线材长度、相机数量甚至采用多系统解决方案的其他设置也是可行的，并成功进行了测试。10米或更长距离的解决方案也可以实现。

图16： 示例应用3，通过1个PCIe插槽连接16台相机

6 总结
    USB 3.0使从基本应用到高流量多相机系统的各种应用成为可能。为确保顺畅运行，需要配备高质量预先测试的配件产品。此白皮书介绍了本文所涉及的技术要求。它还强调了Basler AG使用的资格认证和测试过程。最后使用三个经过测试的用例系统进行了总结。
    总的来说，USB 3.0配件首次发布时出现的问题已经得到解决。USB 3.0脱颖而出，成为机器视觉市场可靠、简单和低成本的数据接口。除了相机外，还提供了方便各种应用的大量可靠配件产品。
    选择USB 3.0配件产品时，需要选择适合工业用途的高质量产品。消费者市场的更廉价产品一般不足以处理这些任务。