Triggern über CoaXPress

Einfach und leistungsstark: Präzise Kameratriggerung über CoaXPress mit Host-toDevice-Trigger

CoaXPress ist eine beliebte Bildverarbeitungssystem-Schnittstelle für Anwendungen, die eine hohe Bandbreite für die Übertragung hochauflösender Bilder mit hoher Geschwindigkeit erfordern. Die Vorteile von CoaXPress enden jedoch nicht bei der Bandbreite. Der Standard bietet auch erweiterte integrierte Funktionen für eine präzise Triggerung, die andere Standards für Bildverarbeitungssysteme wie GigE Vision oder USB3 Vision übertreffen.

Dieser Artikel beschreibt die Eigenschaften von Triggern über CXP und deren Vorteile für anspruchsvolle Bildverarbeitungsanwendungen.

Integrierte Funktionalität des CoaXPress-Standards

Der CoaXPress Host-to-Device-Trigger ist Teil des CoaXPress-Standards. Diese Funktion des CoaXPress-I/O-Kanals ermöglicht es dem Host (Framegrabber), das Device (Kamera) über den CoaXPress-Link zu triggern.

Das Triggersignal kann aus verschiedenen Quellen stammen, wie zum Beispiel:

• Ein Software-Befehl aus der Bildverarbeitung
• Der Trigger-Ausgang der Kamera selbst (z. B. für eine Trigger-Sequenz)
• Der Beleuchtungscontroller
• Jeder anderen Sensor oder Aktor, der an die universellen I/O-Leitungen (GPIO) eines Framegrabbers angeschlossen ist

Die Trigger-Funktion über CoaXPress eignet sich hervorragend für industrielle Anwendungen, bei denen ein präzises Timing der Bildaufnahme oder die Synchronisation der Kamera mit anderen Systemkomponenten wie Beleuchtung, weiteren Kameras oder Sensoren erforderlich ist.

Vereinfachte Systemarchitektur mit nur einer Kabelverbindung

CoaXPress überträgt Trigger-Signale, Kamerasteuerung, schnelle, hochauflösende Bilddaten und Stromversorgung der Kamera gemeinsam über eine einzige Leitung. Diese Lösung mit nur einem Kabel reduziert die Komplexität der Einrichtung und erleichtert die Installation und Wartung. Dies ist besonders vorteilhaft in Umgebungen, in denen der Platz begrenzt ist oder mehrere Kameras installiert werden müssen. Außerdem sind keine zusätzlichen I/O-Kabel erforderlich, was die Gesamtsystemkosten senkt.

Niedrige Latenz und minimaler Jitter

Unabhängig vom verwendeten Schnittstellenstandard wirft das Triggern über die Schnittstelle anstelle von I/O-Ports bei zeitkritischen Anwendungen stets Bedenken auf. Viele Systemingenieure ignorieren jedoch, dass CoaXPress-Trigger eine sehr geringe Latenz und einen sehr geringen Jitter aufweisen.

Die Latenz (oder Verzögerung) ist die Zeit, die ein Signal für die physische Übertragung zwischen dem Sender und dem Empfänger benötigt. Als physikalischer Wert ist sie theoretisch eine Konstante. In der Praxis treten jedoch Abweichungen auf. Die Amplitude dieser Abweichungen wird als Jitter bezeichnet. In Bildverarbeitungssystemen ist eine niedrige Latenz für schnelle Inspektionsaufgaben wichtig, der Jitter hat jedoch eine noch größere Bedeutung, da er die Vorhersagbarkeit der Systemleistung beeinflusst.

CoaXPress-Triggersignale haben eine sehr geringe Latenz von unter 0,5 Mikrosekunden (µs). Dadurch reagiert diese Schnittstelle sehr schnell auf Steuerungseingänge und stellt eine schnelle und präzise Reaktion sicher. Das ist besonders vorteilhaft bei ereignisgesteuerten Triggern, beispielsweise in Aktor-basierten Anwendungen oder wenn ein Sensor ein schnell vorbeiziehendes Objekt vor der Kamera erkennt.

Zum Vergleich: Ein Triggersignal, das direkt von einem Aktuator über ein eigenes I/O-Kabel eingespeist wird, hat eine typische Latenz von etwa 5 µs (oder bis zu 25 µs, wenn es über einen OptoKoppler geführt wird). Die zusätzliche Latenz des Triggers über das CXP-Kabel ist nachrangig.

Also: Zusätzlich zur äußerst niedrigen Latenz bietet CoaXPress einen Host-to-Device-Trigger-Jitter, der lediglich der Verzögerung bis zur nächsten Zeichengrenze entspricht – typischerweise zwischen 0 und 480 ns. Dank der Jitter-Kompensation von CoaXPress reduziert die Kamera den Trigger-Jitter, indem sie die eingehenden Trigger-Signale aktiv für eine variable Dauer verzögert, sodass der Beginn der Belichtung stets mit der spätestmöglichen steigenden Flanke des Trigger-Signals synchronisiert ist. Dadurch wird der Jitter praktisch eliminiert, mit einem Rest-Jitter von nur 2 ns!

Mit der Jitter-Kompensation ist die Trigger-Latenz nicht nur extrem gering, sondern auch nahezu konstant. Diese Vorhersagbarkeit des Triggers ist ideal für Zeilenscan-Anwendungen, bei denen Präzision und Timing entscheidend sind. Bei Zeilenscan-Anwendungen, bei denen Bilder zeilenweise aufgenommen werden, können selbst kleine Abweichungen im Timing zu Fehlern oder Inkonsistenzen in den aufgenommenen Bildern führen. Durch minimalen Jitter sorgt die CoaXPress-Jitterkompensation für ein konsistentes und zuverlässiges Timing des Triggers.

Zuverlässige Übertragung des Trigger-Signals mit Bestätigungsschleife

Im CoaXPress-Standard muss jede übertragene Triggermeldung vom Empfänger bestätigt werden. Dies sorgt für eine zuverlässige und robuste Kommunikation zwischen der Kamera und dem Framegrabber. Der Bestätigungsmechanismus hilft, Fehler zu verhindern und stellt sicher, dass die Triggermeldungen korrekt empfangen und verarbeitet werden. Das ist entscheidend für Anwendungen, bei denen höchste Zuverlässigkeit gefordert ist – etwa in der medizinischen Bildgebung oder in der Qualitätskontrolle.

Wenn die Bestätigung vor Ablauf des voreingestellten Timeouts eingeht, wird die Transaktion normal beendet.

Hinweis: Die CoaXPress-Framegrabber von Euresys bieten eine zusätzliche GenApi-Funktion, mit der Systementwickler den Timeout entsprechend den Anforderungen ihrer Anwendung feinabstimmen können: CxpTriggerAckTimeout.

Bleibt die Empfangsbestätigung aus, bevor der Timeout abläuft, kann der Sender einen erneuten Übertragungsversuch starten. Er sendet das Triggerpaket erneut, und ein neuer Timeout für die Bestätigung beginnt.

Hinweis: Euresys CoaXPress-Framegrabber ermöglichen über die GenApi-Funktion CxpTriggerMaxResendCount auch eine Konfiguration der maximalen Anzahl von Wiederholungsversuchen.

Wenn nach der festgelegten maximalen Anzahl von Wiederholungsversuchen keine Bestätigung empfangen wird, wird die Transaktion mit einem Fehler beendet.

Mit ihrer niedrigen Latenz, ihrem geringen Jitter und ihrer Bestätigungsschleife sind CoaXPressTrigger hochgradig deterministisch, was bedeutet, dass sie konsistent und vorhersehbar funktionieren. Für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen, die präzises Timing und exakte Synchronisation erfordern, ist dies von entscheidender Bedeutung.

Steuerung der Belichtungszeit der Kamera

Die CoaXPress-Trigger gehen über die reine Auslösung der Bildaufnahme hinaus. Mit den Befehlen des Standards können Benutzer auch die Belichtungszeit der Kamera steuern.

Dies wird im Standard-Trigger-Nachrichtenformat (Pulse) erreicht. Mit jedem Trigger generiert der Sender zwei Gerätetransaktionen: eine an der steigenden Flanke und eine an der fallenden Flanke des Signals. Der Abstand zwischen beiden Signalen ermöglicht dem Framegrabber eine Steuerung des Kamerazyklus. Für Entwickler bedeutet dies eine zusätzliche Flexibilität, um die Bilderfassung optimal an die jeweiligen Umgebungsbedingungen anzupassen – beispielsweise an die Objektgeschwindigkeit oder die Lichtverhältnisse.

Triggerraten von bis zu 78 MHz

Im CoaXPress-Standard bezieht sich „Upconnection“ auf den Kommunikationskanal, der für die Kamerasteuerung und das Triggern vom Framegrabber zur Kamera verwendet wird. Die Version 2.0 des CXP-Standards verdoppelt die Geschwindigkeit dieser Upconnection von 20,83 Mbit/s auf 41,67 Mbit/s für CXP-10- und CXP-12-Geschwindigkeiten. Dies ermöglicht eine schnellere Kamerasteuerung und Triggerraten von über 500 kHz, ohne dass ein spezielles Hochgeschwindigkeits-Uplink-Kabel erforderlich ist.

CoaXPress ermöglicht hohe Triggerraten. Bis zu CXP-6 lassen sich über die Schnittstelle Triggerraten von bis zu 297,6 kHz realisieren. Die Verbindungsgeschwindigkeiten CXP-10 und CXP-12 unterstützen Raten von bis zu 595,2 kHz. Dadurch eignet sich die Triggerung über CoaXPress für HochgeschwindigkeitsBildgebungsanwendungen wie Inline-Inspektionen oder Echtzeitüberwachungen.

Sollte diese Frequenz nicht ausreichen, sind mit der optionalen High-Speed-Upconnection-Funktion von CoaXPress noch höhere Triggerraten möglich.

High-Speed Upconnection nutzt ein eigenes Uplink-Kabel für die Kommunikation vom Framegrabber zur Kamera und schafft damit zusätzliche Bandbreite, die Triggerraten von bis zu 78 MHz bei CXP-12-LinkGeschwindigkeit ermöglicht.

Bidirektionales Triggern

CoaXPress unterstützt auch Trigger von der Kamera zum Framegrabber. Beispielsweise kann die Kamera den Start und Stopp eines Scans steuern, was Flexibilität in verschiedenen Anwendungen bietet. Die bidirektionale Triggerung ermöglicht einen flexibleren und dynamischeren Betrieb, da die Kamera Trigger an den Framegrabber senden kann. Dies ist wichtig in Anwendungen, in denen die Kamera das TriggerTiming steuern muss, wie beispielsweise in automatisierten Inspektionssystemen oder bei der Echtzeitüberwachung.