Die Vorteile von USB 3.0

Neue Perspektiven für die industrielle Bildverarbeitung?

Mit 10-facher USB2.0- und 3,5-facher GigE-Geschwindigkeit schafft USB 3.0 neue Perspektiven für die industrielle Bildverarbeitung. Neben den erhöhten Datenraten wartet die Superspeed-USB-Schnittstelle aber noch mit einer Vielzahl weiterer Vorteile auf.

Anwender im Industriekamera-Markt fordern einerseits höhere Auflösungen sowie höhere Bildwiederholraten, andererseits gehören auch eine verbesserte Bildqualität und eine höhere Farbtiefe, also mehr Bit pro Pixel, zu den Anforderungen der heutigen Applikationen. Zudem gewinnen Mehrkamera-Systeme an Bedeutung, da unterschiedliche Merkmale gleichzeitig und bei hoher Geschwindigkeit erfasst werden müssen. Die Folgen sind höhere Datenmengen, die hardwareseitig verarbeitet und über die Schnittstelle an den Host-PC transportiert werden müssen. Hierbei reichen aber die Datenübertragungsraten der gängigen Schnittstellen in der industriellen Bildverarbeitung oft nicht mehr aus. Firewire 800, Gigabit-Ethernet und auch USB 2.0 stoßen vor allem bei datenreichen Anwendungen wie beispielsweise 3D- und Multikamera-Systemen schnell an ihre Grenzen. So liegt die maximale Datenmenge in der Praxis bei Firewire 800 bei etwa 68 MByte/s, bei Gigabit-Ethernet bei etwa 114 MByte/s und USB 2.0 kann mit etwa 37 MByte/s aufwarten. Ein aktueller CMOS-Sensor mit einer Auflösung von 10 Megapixeln und einer Farbtiefe von 8 Bit kann so nur vier Bilder pro Sekunde per USB 2.0 übertragen. Die von vielen Anwendern benötigte und gewünschte Farbtiefe von 12 Bit für eine höhere Detailgenauigkeit lässt die Übertragungsrate nochmals sinken, sodass die resultierende Framerate auf zwei Bilder beschränkt ist.

Bottleneck Schnittstelle entfällt

In der Praxis erreicht USB 3.0 Datenübertragungsraten von rund 380 MByte pro Sekunde und bietet somit 10-fache USB2.0-, fünffache Firewire-800- und 3,5-fache GigE-Geschwindigkeit. USB 3.0 baut daher die Brücke zu den neuen Hochleistungssensoren, da das Bottleneck der Schnittstelle entfällt. Superspeed USB erschließt dadurch zahlreiche neue Anwendungsgebiete, die die herkömmlichen Interfaces aufgrund der Bandbreitenlimitation nicht bedienen können. Hierzu gehören in erster Linie Mehrkamera- und 3D-Systeme in der Karosserie- und Solarzelleninspektion, der Medizintechnik und Prozessautomation, aber auch die mobile Datenerfassung per Laptop.


Doch neben der höheren Bandbreite bietet USB 3.0 noch weitere Vorteile. Zu diesen zählen das asynchrone Benachrichtigungsverfahren, der bidirektionale Datentransfer, ein geringerer Stromverbrauch und ein verbessertes Energiemanagement. Zudem bietet die Schnittstelle eine erhöhte Stromabgabe von 900 mA, sodass auch leistungshungrige Endgeräte problemlos ohne zusätzliches Stromkabel versorgt werden können.
Mittels der asynchronen Benachrichtigungen können Endgeräte eigenständig Daten senden, ohne auf eine Datenanforderung des Hostcontrollers warten zu müssen. Zur weiteren Verbesserung der Transferleistung teilen USB3.0-Geräte dem Host ihre spezifische Latenz-Toleranz mit, sodass dieser die Kommunikation mit diesem Gerät optimieren kann. Die bidirektionale Kommunikation wird durch den neuen Dual-Simplex-Unicast-Bus mittels gleichzeitiger Dateneingangs- und Datenausgangs-Transaktionen ermöglicht. Dies erlaubt eine höhere Effizienz und eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit im Gegensatz zu USB 2.0- und Firewire-Systemen, die nur Halb-Duplex, sprich einen unidirektionalen Datenfluss erlauben.
Ein weiterer Vorteil der neuen Schnittstelle ist der Low-Power-Modus. Bei Inaktivität von Host oder Gerät schaltet der Bus automatisch in eine Art Stand-by-Betrieb. Dieser Status verbraucht kaum Energie, unterbricht jedoch die Verbindung zwischen den Geräten nicht. Bei Bedarf wechselt das Gerät wieder in den aktiven Zustand.  

Was ist dran am Gerücht um die Kabellänge?

Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass die Kabellängen für USB 3.0 stark begrenzt seien. Dies ist jedoch laut IDS nicht der Fall. Die Standardkabellängen betragen 3 bis 8 m, mittels aktiver Kabel sind bis zu 20 m möglich. Bei Umwandlung in optische Signale können mehrere 100 m erreicht werden. Auch hier kann USB 3.0 also durchaus mit Gigabit-Ethernet mithalten.
Seit April 2012 wartet Intel mit dem neuen, für USB 3.0 zertifizierten IVY-Bridge-Chipsatz auf, der das Interface nun zu einem universellen Standard machen wird. USB 3.0 darf laut IDS als die Schnittstelle der Zukunft gelten, denn die universelle Verfügbarkeit bei gleichzeitig hoher Datenübertragungsrate sorgt einerseits für kostengünstige Lösungen und andererseits für langfristige Investitionssicherheit. Idealerweise wird USB 3.0 überall dort eingesetzt, wo mehrere Merkmale gleichzeitig überprüft werden müssen oder Anwendungen hohe Auflösungen und Farbtiefe benötigen und folglich große Datenmengen entstehen. Zudem wird USB 3.0 die Leistungsdaten der neuen CMOS- und CCD-Hochleistungssensoren erst richtig ausnutzen können.

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