USB-Schnittstelle in der Bildverarbeitung

Das Technologieinterview

  • Heiko SeitzHeiko Seitz

Die Einführung der USB-Schnittstelle hat bis heute die Nutzung von Computersystemen und ihrer Peripheriegeräte dramatisch vereinfacht. IDS Imaging Development Systems gehört zu den Pionieren, die frühzeitig diese Schnittstellentechnologie auch für ihre leistungsfähigen digitalen Industriekameras verwendeten. Mit dem technischen Redakteur Dipl.-Ing. (FH) Heiko Seitz sprach inspect über die Entwicklung und die aktuelle Performance dieser universellen Schnittstelle im Machine Vision Bereich.

inspect: Die USB-Schnittstelle leistet nun seit gut 20 Jahren zuverlässige Dienste bei der Verbindung unterschiedlichster Hardwarekomponenten mit Rechnern im privaten und professionellen Umfeld. Wodurch wurde diese Erfolgsgeschichte wesentlich geprägt?

H. Seitz: Ausschlaggebend für die schnelle Verbreitung der USB-Schnittstelle im gesamten PC-Umfeld war mit Sicherheit die Entscheidung von Intel als Chipsatz und Mainboard-Hersteller, ihre Technologie von Anfang an für jeden frei zugänglich und verfügbar zu machen. Dadurch wurde USB schnell zur Mainstream-Technologie und damit auch attraktiver als Firewire und CameraLink, die nur an speziellen Produktgruppen zu finden waren. Das einfache Handling ohne einen zusätzlichen Framegrabber zusammen mit einer direkten Stromversorgung über das USB-Kabel machte diese Schnittstelle damit attraktiver für Hersteller von PC-Peripherie. Wie ihr Name (Universal Serial Bus) schon sagt, ist universell einsetzbar und war somit schnell an fast allen Gerätearten verfügbar.
Und durch die ständige Weiterentwicklung der USB-Performance, waren die Transferraten der USB-Technologie immer fähig, die stetig steigenden Datenraten im PC-Umfeld zu bewältigen und blieb somit in diesen 20 Jahren die vorherrschende universelle PC-Schnittstelle.

inspect: Leistungsfähige Digitalkameras über die USB-Schnittstelle mit einem Rechner zu verbinden, war zunächst keine Standardanwendung. Wie verlief die Entwicklung zur Kameraschnittstelle?

H. Seitz: 2003 vollzog IDS den Wechsel von der Entwicklung analoger Framegrabber direkt zur digitalen Industriekamera, da Firmengründer Jürgen Hartmann damals bemerkte, dass Kunden digitale Signale mit höherer Auflösung bevorzugten.

Die damals üblichen Schnittstellen für digitale Kameras waren zwar Firewire und CameraLink. Doch IDS setzte damals als einziger Hersteller mit USB auf eine digitale, framegrabberlose Übertragungstechnologie, die aber von Microsoft und der PC-Industrie unterstützt schon sehr stark im Consumer-Markt verbreitet war. Damit waren die Chancen für eine viel größere Marktabdeckung möglich. Die schwierigere Aufgabe bestand darin, diese USB-Kameraschnittstelle industrietauglich zu machen. Doch schon ein Jahr nach der Entscheidung ins Digitalkamerageschäft einzusteigen, konnte IDS die erste industrietaugliche USB-Kamera mit CMOS Sensor vorstellen. Viele der großen namhaften Hersteller implementierten den schnellen Datenbus erst Jahre später mit USB 3.0 in ihren Kameras.
Neben dem USB Interface war die konsequente Verwendung von günstigen CMOS-Bildsensoren aus dem Mobilbereich eine zukunftsträchtige Entscheidung, die ebenso zum Erfolg beigetragen hat. Mit dem Einsatz dieser beiden Technologien, die zu dieser Zeit kaum jemand im industriellen Umfeld auf dem Schirm hatte, war IDS mit preisgünstigen USB-Kameras Wegbereiter für USB als industrielle Kameraschnittstelle.

inspect: Ein wichtiger Meilenstein in der weiteren Entwicklung war wohl der Schritt von USB 2.0 nach USB 3.0. Was wurde dabei erreicht?

H. Seitz: Mit der Erhöhung der Datenrate um den Faktor zehn wurden Datenraten über 400MB/s möglich. Sehr zum Vorteil für die Entwicklung neuer hochauflösender CMOS Sensoren, deren volle Leistung somit auch in USB 3.0 Kameras abrufbar war. Mit der Optimierung des Energiemanagements und dem Verzicht auf das Polling-Verfahren des früheren USB-Protokolls konnten weitere Nachteile des USB 2.0 Standards ausgeräumt werden, die sich gerade bei USB-Kameras sehr stark auswirkten. Und mit der Beibehaltung der existierenden USB Infrastruktur war der Umstieg für die Anwender ohne größere Änderungen problemlos möglich.
Ein weiteres Plus für die industrielle Nutzung war die Entwicklung des USB3 Vision Standards, der die Verwendung von USB 3.0 Kameras erstmals mit einem standardisierten Interface ermöglichte. Für die Akzeptanz von USB als Kameraschnittstelle gerade im industriellen Umfeld war das ein wichtiger Meilenstein.

inspect: Unter der Bezeichnung USB 3.1 steht der aktuelle USB-Standard zur Verfügung. Welche Details sollte der Nutzer hierzu kennen?

H. Seitz: Mit der Bezeichnung USB 3.1 verbinden viele Nutzer neben einer weiteren Erhöhung der Bandbreite noch eine Reihe zusätzlicher Innovationen. Die auffälligste Neuerung ist der Verbinder USB Type-C. Leider werden die Zusammenhänge für die USB Anwender hier etwas komplizierter. USB 3.1 spezifiziert lediglich die USB Transferrate, die nicht zwingend ein Gerät mit dem neuen USB Type-C Stecker voraussetzt. Genauso wenig garantiert ein USB Type-C Gerät Daten mit USB 3.1 Transferraten zu übertragen. USB Type-C und USB Power Delivery sind in separaten Spezifikationen lediglich zusammen mit USB 3.1 erschienen.
Tatsächlich stellt das USB Implementers Forum (USB-IF) mit der USB 3.1 Spezifikation eine erhöhte Bandbreite in Aussicht. Aber erst in einer zweiten Generation. Diese steht aber gerade im Kamerabereich aufgrund noch fehlender USB-Controller noch nicht zur Verfügung. Die mit USB 3.0 bereits bekannte „SuperSpeed USB“ Geschwindigkeit von 5 Gbps bekam ein Synonym mit den Namen „USB 3.1 Gen 1“. „SuperSpeed USB 10 Gbps“ wird dann mit dem offiziellen Namen „USB 3.1 Gen 2“ eine Transferrate von 10Gbps ermöglichen. So kann „USB 3.1“ eine höhere Geschwindigkeit bedeuten, muss es aber nach Definition nicht. Um für den Anwender Transparenz zu schaffen, müssen USB 3.1 Geräte laut USB-IF durch eine entsprechende Kennzeichnung mit USB Logos oder korrekten Geschwindigkeitsbezeichnungen auf ihre tatsächliche Datenrate hinweisen.
Die Kamerahersteller stehen damit vor der Frage, ob sie bestehende USB 3.0 Kameras nun in „USB 3.1 Gen 1“ Kameras umbenennen sollen oder nicht. Da es seitens der Anwender zum Thema USB 3.1 bereits Unklarheiten und Missverständnisse gibt, ist sehr viel zusätzliche Aufklärungsarbeit notwendig. IDS hat sich dazu entschieden, "USB 3.1 Gen 1" nur für neu entwickelte Superspeed USB Kameras zu verwenden, die auch gleich den USB Type-C Stecker mitsamt USB Power Delivery Funktionalität erhalten. Bestehende USB 3.0 Kameras mit Micro-B Stecker werden hingegen nicht umbenannt, um den Unterschied zu verdeutlichen.

inspect: Es ist bemerkenswert, dass besonders die mit dem aktuellen Standard daherkommende USB Type-C Steckverbindung für Furore sorgt. In wie weit ist dies gerechtfertigt?

H. Seitz: Die auffälligste Neuerung an diesem Stecker ist wohl seine sehr kleine symmetrische Bauform. Wie der von Apple entwickelte Lightning-Stecker sollte er im Vergleich zu all seinen Vorgängern in beliebiger Orientierung eingesteckt funktionieren und damit das Handling für den Anwender stark vereinfachen. Das Wort „verdrehsicher“ wird hier sehr gerne in Beschreibungen verwendet. Die Stecker-Spezifikation verspricht aber weit mehr als ein vereinfachtes Handling. Mit 24 Pins weist der Stecker mehr als doppelt so viele, wie jeder andere USB Stecker auf, die aber für die aktuellen USB Geschwindigkeiten bis SuperSpeed USB 10 Gbps nicht alle verwendet werden. Als er definiert und entwickelt wurde, wollte man sicherstellen, dass auch noch folgende USB Generationen mit höherer Leistung unterstützt werden können. Gerade jetzt hat die USB 3.0 Promoter Group eine USB 3.2 Spezifikation angekündigt, welche die freien USB SuperSpeed Datenleitungen des Type-C Steckers zusätzlich nutzen kann um die Transferrate nochmal auf 20 Gbps zu verdoppeln.
Durch eine dynamische Steckerkonfiguration sind aber nicht nur USB Datenverbindungen mitsamt Stromversorgung, sondern auch alternative Betriebsarten möglich. Dadurch können z.B. Display Port, Thunderbolt oder andere Protokolle übertragen werden. Die Flexibilität durch diese Konfigurationsmöglichkeiten, macht aus einem einfachen USB Kabel eine intelligente Type-C Kabelverbindung – ein Smart-Kabel.
IDS verwendete den USB Type-C Stecker schon sehr früh mit neuen USB 3.1 Gen1 Kameramodellen, um schnell viel Erfahrung mit dieser Technologie und den damit verbundenen Möglichkeiten zu sammeln. Durch die USB Type-C Verbindung können die Kameras über USB Power Delivery eine variable Ausgangsspannung für Peripheriegeräte, wie Beleuchtungen oder Lichtschranken zur Verfügung stellen. Und zudem sind sie damit optimal für Superspeed USB 10 Gbps und die angekündigte Geschwindigkeitsverdopplung durch die USB 3.2 Spezifikation vorbereitet.
Durch die Erweiterung der Steckerspezifikation um eine genormte Verschraubung ist auch die industrielle Nutzung uneingeschränkt möglich, wodurch er auch die Akzeptanz von Industriekunden erlangen wird. Durch den Consumer Markt getrieben kann er der allgegenwärtige und einzige Universalstecker nicht nur in einem PC werden. Apple verwendete ihn erstmals 2015 wegweisend in allen neuen MacBook Modellen. Und auch Smartphone-Hersteller haben ihn bereits für sich entdeckt, um schnelleres Aufladen zu ermöglichen.

inspect: Was muss der Nutzer hinsichtlich der Stromversorgung über USB wissen?

H. Seitz: Die verfügbare elektrische Leistung zur Stromversorgung von USB Geräten wurde mit jeder USB Spezifikation erhöht (von USB 1.0 mit 0,5 W bis USB 3.0 mit 4,5 W). Trotzdem werden USB-Ports mit sehr stromhungrigen Geräten, wie z.B. hochauflösenden Kameras mit modernen CMOS Sensoren, oder einem Multikamerasystem mitunter außerhalb der spezifizierten Leistungsgrenze betrieben. In Folge kam es häufig zu Ausfällen in der Spannungsversorgung und damit zu einem instabilen Betrieb von USB-Geräten.
Mit USB Power Delivery wurde jetzt eine Spezifikation entwickelt, durch die USB-Geräte über eine Type-C Verbindung mit einer Leistung bis zu 100 W von einer USB-PD fähigen Spannungsquelle versorgt werden können, durch variabel einsetzbarer Power-Profile. Dabei handeln die beiden Gegenstellen die notwendige Spannung und Stromstärke aus.
In den 20 Jahren USB Entwicklung hat sich die Schnittstellen- und Kameraperformance ständig gegenseitig gepuscht, so dass immer eine gegenseitige Koexistenz möglich war. Mit USB Power Delivery konnte jetzt auch eine Technologie geschaffen werden, um sich der Notwendigkeit für höhere Energieversorgung anzupassen. Die Balance im USB-Ökosystem ist damit wiederhergestellt.

inspect: Wie profitiert der Machine Vision Bereich jetzt und zukünftig von der Weiterentwicklung der USB-Schnittstelle?

H. Seitz: USB ist eine Schnittstellentechnologie, die sehr stark durch den Consumer-Markt getrieben wird und damit schon immer ein Massenprodukt ist. Im Vergleich zu den sehr speziellen Kamera-Hochleistungsschnittstellen wie z.B. CameraLink ist und bleibt eine USB-Infrastruktur die ideale Lösung, um kostengünstige und dennoch leistungsfähige Kameraanwendung zu entwickeln.

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