千兆以太网：领先的工业接口
Classification：Reference materials
千兆以太网：领先的工业接口
想象一下，整个工厂的地板连接多个摄像头与足球场的大小。 通常需要多台电脑、框架采集器、电缆中继器以及相机的单独数据和电源线的工作。 通过以太网，所有摄像头都可以在一台电脑上连接到一个交换机，以太网电缆提供数据和电源。 如果你可以通过从一个位置更新所有相机上的固件来节省维护时间怎么办？ 或者通过一台电脑在工厂现场快速配置多个摄像头组。
每年，越来越多的用户选择千兆以太网（或简称GigE）作为其视觉应用的主要相机接口。 提高系统灵活性、易于使用的组件、低成本100m电缆和行业标准合规性相结合，让GigE成为了 在机器视觉相机世界中占主导地位的接口。 自2006年以来，GigE相机的市场份额稳步增长，目前部署的机器视觉系统估计超过50%。
以上：宽范围的GigE组件可用
多点控制和灵活性
以太网在业内日益增长的应用得益于其多点分布灵活性和低成本100米电缆长度。 与设计用于在短距离（小于10米）将外设连接到PC的点对点接口不同，开发以太网是为了在 可扩展和标准化的方式跨房间、地板和整个建筑物。 自1983年首次标准化以来，以太网标准包括高达40 Gbps和100 Gbps的速度！ 虽然这些高速度主要留给主要的IT和数据中心网络，但更高的带宽以太网摄像机正开始进入视觉行业和当前的主流1 Gbps机器视觉摄像机的数量继续增长。 多种多样的标准化以太网硬件也易于访问，允许在系统设计和成本方面做出更大的选择。 用户可以使用100米长的电缆长度来改变相机的距离，或者通过额外的以太网开关选择更长的距离。 此外，支持以太网供电(PoE)的相机、开关和接口卡通过同一电缆推送电源和数据，简化了布线和维护。 所有这些组合都使用户在多相机应用设计方面具有更大的灵活性。
以上：以太网允许独特的多点应用
电磁干扰屏蔽：第6a类电缆
随着工业环境对增加带宽的要求继续存在，正在对以太网布线进行标准化改进，以保证提高速度，保持噪声不受干扰并控制排放。 Cat 6a电缆延续了100米电缆长度传统，但允许高达500 MHz的频率，允许10 Gbps数据速率。 Cat 6a电缆通过使用大直径导体、更紧的扭曲、对比分离和较厚的外套来最大程度地减少串扰。 对于许多电磁干扰源例如来自灯光、机械和相邻电缆的噪声以及来自手机和无线网络的无线电频率干扰的噪声工业应用，有屏蔽电缆选项来减少电磁干扰和无线电频率 干扰噪声效应. 此外，由于对对耦合和串扰成为10 Gbps速率的限制因素，Cat 6a电缆可在电缆内单独屏蔽对，以提高这些数据速率的信号质量。 所有Cat 6a电缆均可使用常规或屏蔽的RJ45连接器在现场终止。
Cat 6a U/UTP
Cat 6a U/UTP电缆由4个无屏蔽双绞线(UTP)元件组成，无外屏蔽(U)
Cat 6a S/UTP, SF/UTP
Cat 6a屏蔽的UTP电缆具有单层或双层屏蔽，使用箔屏和/或金属编织物延伸到一组无屏蔽的扭曲对。
Cat 6a STP or FTP
Cat 6a屏蔽扭曲对(STP)或金属箔扭曲对(FTP)电缆使用箔屏幕(FTP)或金属编织(STP)在每双双双扭曲线上单独屏蔽。
Cat 6a SFTP
Cat 6a屏蔽的扭曲双绞线(SFTP)电缆有两层屏蔽-一个环绕整组扭曲对和一个单独的丝网层。
不会被共同点干扰
工业电机和继电器可以产生开关噪声，而与数据接线相邻的电源线可以将噪声和危险电压结合到连接设备中。 此外，设备与设备在工业应用中的地面潜力的差异可能导致地面环流导致进一步的噪声和EMI问题。 为确保关键设备的正常运行和运行，并尽量减少工业环境中的安全危害，采用了隔离技术来防止连接设备之间的流动，同时允许数据传输。 以太网标准旨在从一开始就减少这些风险。 以太网使用连接两侧的变压器，有效隔离连接的设备。 因此，GigE Vision相机不具有共同点，从而降低了相机和连接设备的风险。
以上：变压器（红色）内置以太网标准。 变压器可以是连接器的外部或包含在连接器内.
高标准
对于机器视觉行业，千兆以太网标准在GigE相机的发展中发挥着关键作用。 坚持GigE Vision™和GenICam标准，使GigE生态系统在硬件和软件供应商之间极具互操作性。 供应商之间的兼容性和可用性有所提高，改进了用户体验，并提供了更广泛的消费者选择。
GigE Vision是由自动成像协会(AIA)于2006年推出的。 该标准用于统一相机、硬件组件和软件包之间以太网上的集成和通信协议。 例如，符合GigE Vision标准的第三方软件将适用于兼容GigE Vision的任何相机。 GigE视觉包含4个组件：
GigE设备发现，这提供了获取IP地址的方法（持久性IP、DCHP、链接本地地址）
GigE视觉控制协议，在UDP协议上运行。 该标准定义了如何控制和配置设备。 它指定了流通道以及如何发送相机和计算机之间的图像和配置数据。
GigE Vision流协议（也在UDP协议上运行）定义了数据类型和传输映像的方式。
基于GenICam标准的XML描述文件（请参阅右侧）。
GenICam于2006年推出，2008年由欧洲机器视觉协会批准。 GenICam的目标是通过定义如何配置相机、抓取图像、发送额外数据和执行事件来规范用户应用程序编程接口。 它还包括相机功能的标准功能命名约定(SFNC)。 这有助于在相机供应商之间创建更一致的用户体验。 GenICam标准由三个主要标准组成：
GenApi标准为相机提供了通用编程接口。
GenCP标准定义了相机Link摄像机的控制协议。
GenTL标准提供了枚举设备、与其他设备进行通信（如果可能）并将数据流式传输到主机的一种通用方法。
得益于这两个机器视觉标准，用户可以用更少的时间和较少的担心构建和扩展应用程序。 GigE Vision可以更轻松地连接设备并使用第三方软件对其进行控制。 GenICam通过创建通用和可预测的用户体验，大大减少了与使用不同供应商软件相关的学习曲线。
通过数据包重新启用提高可靠性
由于低延迟和快速传输速度对于GigE Vision应用程序非常重要，GigE Vision使用UDP协议（而不是TCP）发送数据包。 UDP消除了设备与主机之间的大多数错误检查和所有协商时间，以最大程度地提高速度。 虽然UDP比TCP更快，但它不包括TCP提供的数据包传输的可靠性级别。 为了帮助缓解这种情况，GigE Vision标准向UDP数据包添加了一个标头，其中包含图像号、数据包号和时间戳信息。 此标头信息用于将数据包按顺序排列，如果它们到达不顺序。 用户还可以设置一个时间限制，限制等待延迟数据包的时间，直到为该丢失的数据包发送重新发送信号。
以上：缺失的数据包被重新发送并按正确的顺序排列
在上面的示例中，图像以五个数据包的形式从相机发送到主机。 数据包无法按顺序送达，第三个数据包无法送达。 主机请求相机再次发送第三个数据包。 第三个数据包已重新发送并传递。 然后将五个数据包按正确的顺序排列。 虽然这种重新发送过程大大有助于传输可靠性，但并不需要GigE Vision合规性，因此如果数据传输至关重要，则必须选择具有此功能的相机。
通过频谱避免的可靠性
ISM（工业、科学和医疗）无许可证频谱中无线设备的大规模增长可导致设备之间的重大干扰，并影响机器视觉摄像机的连接可靠性。 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、无绳电话、微波和某些电源可以在2.4 GHz频率范围内发出射频信号。 设备紧密包装在一起的视觉应用可能会受到不同程度的干扰。 与其它接口（如USB 3.1）不同，USB 3.1可以响应干扰、干扰在2.4 GHz范围内运行的服务，但以太网的运行频率要低得多。 千兆以太网信号以125 MHz速率运行，使GigE Vision摄像机和以太网组件无法响应干扰或干扰无线设备。 虽然屏蔽、通道选择和距离放置等干扰缓解技术是可能的，但提高应用可靠性的最简单方法是首先避免干扰。
A以上：以太网以125兆赫（蓝色）运行。 数十亿台Wi-Fi、蓝牙和Zigbee设备使用2.4 GHz频谱（黑色）。 其他设备使用或干扰2.4 GHz频谱（灰色）。
关键时机
精密时间协议(PTP)，也称为IEEE 1588标准，是一种基于数据包的技术，可同步连接到网络的设备。 GigE Vision 2.0标准采用PTP IEEE 1588技术，使所有GigE Vision 2.0和PTP相机和设备更易于通过网络进行同步 在彼此的微秒内。 用户可以在相机、传感器、触发器、电机和控制器之间使用更高的操作精度，从而实现更低的抖动速度和更快的应用速度。
已启用PTP的设备的时钟同步
通过首先确定网络上的哪个设备将作为主时钟到其他设备（将作为从时钟）实现同步。 数据包在所有PTP设备之间的会话中来回发送，算法决定哪一个将是主时钟。 在上面的示例中，PTP开关被选为主设备，所有其他设备将同步到其时钟。
由于PTP，可以使用“计划操作命令”并在所有网络摄像机之间启用“同步自由运行”。 调度操作命令允许用户安排精确的软件触发器并消除硬件触发器的需求，从而进一步简化应用程序设计和维护。 同步自由运行允许多个相机在彼此的子微秒内同步它们的快门时机。 在启动计划的操作命令时，所有摄像头将同时触发。 通过PTP，可以在整个工厂车间安装带有同步时间戳的摄像头，在子微秒内操作和检查产品，并且无需额外的外部触发设备和电缆即可触发。
以太网的未来
时间敏感网络(TSN)
除了IEEE 1588，IEEE 802.1工作组正在开发更加标准化的TSN技术，提供以太网连接设备之间的确定性操作。 这些解决方案将在相同的物理网络基础设施上提供关键的实时通信，并保证延迟和低抖动连接。 目前制定的标准是:
2.5GBASE-T 和 5GBASE-T
2016年，最终批准了2.5GBASE-T和5GBASE-T标准。 由于估计已经部署了700亿英里的CAT5e/CAT6电缆，现有的GigE基础设施现在可以很容易地利用这些提高的速度。 2.5 Gbps和5 Gbps的额外速度不仅为用户提供了升级路径的灵活性，而且还为那些已经使用10 GigE相机的人提供了更快的限制速度。 如
果10 GigE相机无法自动谈判10 Gbps连接，则可以回落5.0和2.5 Gbps连接。
云计算
由于其低成本和可扩展的服务，云计算正在成倍增长。 以太网提供的连接云服务和数据中心的延迟、安全性比常规互联网接入更低。 以太网不仅适用于创建快速安全的局域网(LAN)，而且适用于大都会区网络(MAN)。 以太网可实现多个大型视力检测点，例如全市ITS应用，可快速可靠地访问用于图像分析的云服务或 存储。
工业物联网(IIoT)
随着计算微型化的继续，曾经适合台式机塔的计算机现在可以装入机器视觉相机。 由于已有广泛的智能相机可用，越来越多的图像分析和处理正在相机、主机和云之间共享。 对于关键的工业应用，将相机连接到其他IIoT设备以及主机与云需要快速、安全和确定性的连接。 以太网是未来IIoT视觉应用的最佳解决方案。
结论
选择以太网的理由是强烈和令人信服的。 虽然其他接口目前可能提供更高的带宽，但应用设计人员还必须考虑系统灵活性、整体成本、应用可靠性和未来技术。 今天的应用设计者必须向前迈进一步。 这意味着不仅计划将当今遗留的GigE基础设施转换为2.5 Gbps、5.0 Gbps和10 Gbps，而且这种转换对连接摄像机和设备数量增加、云量增加的扩展网络有何影响 存储和分析的访问,以及使用减少的系统主机进行更多的相机处理. 通过现在为当前视觉应用选择以太网，设计人员可以帮助确保向未来有益技术的平稳过渡，同时保持整体系统的可靠性并增加确定性操作。 了解其中一些技术并不涉及整个系统的重新设计是有用的. 借助基于以太网的应用程序，工程师可以安全地规划未来的设计，而无需担心以太网景观的根本变化。
