Alles im industriellen Umfeld dreht sich um Sicherheit, Produktivität und Beständigkeit – Verfahren und Anlagen unterliegen zahlreichen Zertifizierungen, Veränderungen werden von langer Hand geplant und getestet, niemand lässt sich ohne weiteres von den angepriesenen Möglichkeiten einer neuen Technik blenden. Zumal Skepsis gegenüber Neuem ohnehin in der Natur des Menschen liegt. Und die Optimierung von Prozessen und Abläufen lässt sich mit bekannter Technologie am besten planen.
Auf der anderen Seite stellt sich die Frage, wann eine neue Technologie wie zum Beispiel USB3.0 für eine industrielle Nutzung einsatzbereit ist. Wann besteht kein Risiko mehr, einem technologischen Blindgänger aufzusitzen? Wo stünde die Automatisierungs-Welt heute, wenn sie sich nicht auf neue Technologien einließe? 
 

Reif für den Wechsel

Mit USB 3.0 lässt sich die Performance moderner CMOS-Sensoren zur Gänze nutzen.

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Seit vor etwa fünf Jahren die ersten Kameras mit USB-3.0-Technik präsentiert wurden, hatte die Kameraschnittstelle ausreichend Zeit zum ‚Erwachsenwerden‘. Das erste Kräftemessen mit den bewährten digitalen Kameraschnittstellen in der industriellen Bildverarbeitung hinterließ ein deutliches Bild, das sich mit wenigen Worten darstellen lässt: USB3.0 ist schnell, industrietauglich, einfach zu handhaben und flächendeckend einsetzbar, anfängliche Kinderkrankheiten sind beseitigt. Ergo steht eine ausgereifte Technologie für eine zukunftsorientierte Bildverarbeitung zur Verfügung. Dabei wird es nicht von heute auf morgen zu einer kompletten Systemumstellung kommen, sondern sukzessive ein Schritt auf den anderen folgen.

Eine Reihe guter Gründe spricht für den Wechsel zu USB3.0: Da sich USB2.0 dem Ende seines Produk­t­lebenszyklus nähert, wird es immer schwieriger, Hardware und Support zu bekommen. 2012 führte Intel die ­‚Ivy-Bridge‘-Prozessoren ein. Damit wurde USB 3.0 zur Mainstream-Schnittstelle. Aktuelle Chipsätze wie Intels ‚Sunrise-Point‘ (Skylake-Ar­chitektur) markieren einen weiteren Meilenstein. Das USB-3.0-Controller-­Interface (xHCI) vereint erstmals alle USB-Geschwindigkeitsklassen: Lowspeed (1,5 Mbit/s), Fullspeed (12 Mbit/s), Highspeed (480 Mbit/s) und Superspeed (5 Gbit/s). Als Kon­se-quenz werden keine USB-2.0-Highspeed-Controller (eHCI) mehr verbaut. So treibt der Consumer-Markt die neue Mainstream-Technik un­weigerlich auch in die industrielle Umgebung.

Bildverarbeiter sind zögerlich

Als Schnittstelle für Industriekameras wird USB 3.0 jedoch immer noch mit Zurückhaltung betrachtet – auch wenn durchaus bekannt ist, dass die Technologie nicht nur einen deutlich höheren Datendurchsatz besitzt. Durch Begrenzen des maximalen Sensor-Pixeltakts lässt sich die Sensorleistung an die Bandbreite der verwendeten Schnittstelle anpassen. Sinkt dabei die Bildrate zu stark ab, ist ein Betrieb mit der entsprechenden Schnittstelle nicht mehr sinnvoll. Deshalb müssen sich Kamerahersteller entscheiden, mit welcher Schnittstelle sie neue Sensoren kombinieren – natürlich unter Berücksichtigung dessen, was der Markt benötigt.

Moderne Hochleistungssensoren im Vergleich: USB 2.0 und GigE funktionieren nur mit reduzierter Sensorbandbreite beziehungsweise werden gar nicht eingesetzt.

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Eine Kamera-Anwendung bestimmt das Kamerasystem und nicht umgekehrt. Damit ist in erster Linie der Bildsensor gemeint, dessen Möglichkeiten zur Anwendung passen müssen. Die notwendige Datenschnittstelle ergibt sich danach automatisch aus den Anforderungen an den benötigten Datentransfer. Moderne Sensoren finden somit keinen Weg in Kameras mit einer ‚alten‘ Schnittstelle wie USB 2.0.

Der direkte Vergleich zweier Kameras mit identischem Megapixel-Sensor (zum Beispiel dem ‚e2v EV76C560‘ von IDS), aber mit verschiedenen Schnittstellen, zeigt deutliche Unterschiede in der maximalen Datenrate. Durch den Schnittstellenwechsel in eine USB-3.0-Kamera kann der Sensor zeigen, was wirklich in ihm steckt: Mit der Nutzung des maximalen Pixeltakts steigt die Sensorbandbreite auf 86 MP/s. Durch USB3.0 lässt sich die maximale Bild-­rate des Sensors (60 Bilder/s) also ungedrosselt übertragen und nutzen.

Durch die asynchrone Kommunikation von USB3.0 im Gegensatz zum bewährten ‚Pollen‘ unter USB2.0 muss der Hostcontroller darüber hinaus nicht permanent nach neuen Daten fragen. Dies zeigt sich unter anderem in der deutlich niedrigeren CPU-Auslastung des Host-PC. Bei einem Test mit dem ‚e2v‘-Sensor ergibt sich bei der USB-2.0-Kamera eine dreimal höhere CPU-Last als bei der USB-3.0-Variante, bei identisch eingestellten Kamera-Parametern. 

Die Qualität der Systemteile

Mit PCIe-x4-Rev.1-Karten lassen sich parallele Datenströme von vier USB-Kameras mit jeweils maximaler USB-3.0-Bandbreite über vier separate USB-Host-Controlller übertragen.

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USB 3.0 vervielfacht die Bereitstellung von Bilddaten. Aber eine Datenübertragung im GHz-Bereich benötigt auch eine geprüfte und zuverlässige Qualität aller zugehörigen Systemteile. USB3.0 strebt nach einer Datengeschwindigkeit, die von allen Komponenten der Übertragungskette mitgetragen werden muss. Das heißt, durch den großen Leistungssprung der USB-Technik müssen alle Systemteile konsequent hochwertig ausgeführt sein. 

Zum Beispiel das Kabel: Klassische kupferbasierte ‚passive‘ Leitungen sind an physikalische Grundregeln gebunden, die es nicht leicht machen, allen Ansprüchen an die Mechanik und Elektrik gerecht zu werden. Ein hochfrequentes Datensignal wie USB 3.0 (5 GHz) wird durch den physikalischen Leitungswiderstand geschwächt – umso stärker, je länger die Kupferleitung und je kleiner der Drahtdurchmesser ist. Die Rede ist hier von der Einfügedämpfung (inserta­tion loss). Die Reduzierung des Leitungswiderstandes lässt sich durch die Vergrößerung des Leitungsquerschnitts ‚erkaufen‘, das heißt, je dicker eine Daten-Kupferleitung innerhalb eines USB-3.0-Kabels ist, desto besser sind die Übertragungseigenschaften im Hochfrequenzbereich. Im Umkehrschluss wächst damit aber die Gesamtdicke des USB-3.0-Kabels, was es unflexibler macht und die Steckermontage erschwert.
Kurz gesagt, bei der USB-3.0-Kabelproduktion kann sehr viel falsch laufen.

Insbesondere günstig und einfach produzierte Kabel für den Verbrauchermarkt weisen oftmals nicht die erforderliche Verarbeitungsqualität auf, um den Anforderungen im industriellen Umfeld zu genügen. Es kommt zu vermehrten USB-Übertragungsfehlern beziehungsweise Verbindungsabbrüchen. Die Folge ist eine Minderung der Übertragungsleistung respektive eine instabile Verbindung. Eine verminderte Übertragungsqualität kann sich dadurch äußern, dass sich trotz USB-3.0-Hardware eine Kamera beim Verbindungsaufbau mit dem Kameratreiber nur als USB-2.0-Highspeed-Gerät meldet. 

Herausforderung Kabel

Ein weiteres, oft diskutiertes Thema ist die Kabellänge. Die USB-3.0-Spezifikation legt sich nicht auf eine maximale Kabellänge fest. Es wird dafür auf den Zusammenhang beziehungsweise Kompromiss zwischen der Kabellänge und relevanten Hochfrequenz-Eigenschaften (Einfügedämpfung) beziehungsweise dem Spannungsabfall (voltage drop) hingewiesen. Wer es schafft, mit dem Kabelaufbau diese Faktoren gering zu halten, kann auch längere, funktionierende Kabel mit 5m oder 8m Länge herstellen. Aktive Glasfaserkabel übertragen USB-3.0-Daten auch über noch größere Distanzen bei gleichbleibend hoher Datenrate.

Möglicher Datendurchsatz im USB-3.0-­Multikamera­system bei direkter und verteilter Nutzung.

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Erhältlich sind zum Beispiel fertig konfektionierte USB-Glasfaserkabel (Active Optical Cable, AOC) bis zu einer Länge von 50 m. Bei Bedarf einer größeren Leitungslänge lassen sie sich einfach gegen ein passives Kabel tauschen. Die erforderliche Elektronik für die Signalwandlung und -verstärkung ist direkt in die Steckverbinder integriert. Trotzdem sind die Stecker nur minimal länger und breiter als ihre passiven Pendants.

Neben der Glasfaserleitung ist noch eine kupferbasierte Stromleitung vorhanden, was zur Bezeichnung ‚Hybrid‘-Kabel führt. Über dieses lässt sich eine Kamera auch über ein AOC-Kabel direkt mit Strom durch den Host-PC versorgen. 

Aber: Der Teufel steckt bekannter­maßen im Detail. Daher sollten ­Kamerahersteller selbst bei den ausdrücklich ausgezeichneten Superspeed-USB-Ports genauer hinsehen. So sind Front-Ports im Inneren des PC durch Kabelbrücken mit dem Mainboard verbunden, wodurch dieselben Regeln gelten wie für Kabelverbindungen zwischen PC und Kamera. Ungeachtet dessen finden sich hier dennoch häufig Kabelkonfektionen mit schlechter Schirmung an den Steckeranschlüssen beziehungsweise mit offen liegenden Kabellitzen. Hinzu kommt, dass oft mehrere Front-Ports über denselben USB-Controller angeschlossen sind. Dadurch teilen sie sich die maximal mögliche USB-3.0-Bandbreite.

Back-Ports eines PC sind fest mit dem Mainboard verlötet. Kabel- beziehungsweise Stecker-bedingte Schwierigkeiten sind hier nicht zu erwarten. Die Erfahrung zeigt aber, dass ihre Eigenschaften stark mit der Vielzahl an Mainboards und den verwendeten Betriebssystemen variieren. Eine generelle Eignung für performante USB-3.0-Übertragungen darf hier also ebenfalls nicht erwartet werden. Dazu tragen auch die Chipsatztreiber bei: Da diese heute für weit mehr Hardwarekomponenten verantwortlich sind als nur die USB-Controller, müssen sie für jede neue Prozessorgeneration gewartet und erweitert werden. Dabei sollen Treiber wartbar beziehungsweise überschaubar bleiben, um systematische Softwarefehler zu vermeiden. Somit ist es naheliegend, dass ältere Betriebssysteme nicht unbegrenzt mit Updates für neue Hardware versorgt werden. 

Als Lösung bietet sich die Verwendung von USB-3.0-PCI-Express-Einsteckkarten an. Bei diesen lassen sich die Merkmale des Anschlusses genau bestimmen und speziell die Anforderungen an die Schnittstelle ergänzen, die nötig sind. Hierzu zählen beispielsweise eine identische USB-3.0-Hardware für alle Systeme, eine stabile Treibersoftware, eine ausreichende Spannungsversorgung direkt über das PC-Netzteil und nicht zuletzt eine maximale Datenbandbreite durch einen eigenen USB-Controller pro USB-Port.

Das Wissen und die Erfahrung um die USB-3.0-Technologie sind mittlerweile stark gewachsen. Dies spiegelt sich in der Weiterentwicklung von Kameras und Zubehör wider. Und bei der Entscheidung für oder gegen eine neue Kameraschnittstelle darf eins nicht vergessen werden: Die nächste Evolutionsstufe in Form von USB 3.1 mit 10 Gbit/s und weiteren Neuerungen steht schon vor der Tür.

Autor: 
Heiko Seitz ist Technischer Redakteur bei IDS Imaging in Obersulm.