Block-Übertragung mit PCIe

In vielen Embedded Vision Systemen kommen Bildsensoren zum Einsatz, die über das Camera Serial Interface CSI2 direkt integriert sind. Daraus ergibt sich oft eine funktionale Beschränkung sowie eine Begrenzung in Bezug auf Bildauflösung und Framerate. PCI Express (PCIe) bietet die Möglichkeit, diese Lösungen auch auf einer Standardschnittstelle umzusetzen. Mit der Kamerafamilie BVS CA-BN hat Balluff ein entsprechendes Produkt im Portfolio, das einfach integriert werden kann und auch höhere Bildauflösun­gen bei entsprechenden Frameraten ermöglicht.

Da diese Kameras die standardisierte PCIe-Schnittstelle nutzen, erfolgt die Einbindung der Kameras durch Instal­lation des Impact Acquire SDKs oder Kopieren der notwendigen Laufzeit­komponenten. Es stehen Installations­pakete für verschiedene Plattformen (ARM, ARM64, x86) und die Betriebs­systeme Windows, Linux und MacOS zur Verfügung. Hierfür sind keinerlei Eingriffe in das Betriebssystem oder die Konfigurationen des Computing Targets nötig. Nach der Installation funktionieren die PCIe Kameras der BVS CA-BN Serie sofort und werden über die GenICam Transport Layer (GenTL) Schnittstelle als Device auch für 3rd Party Software erreichbar. Der Zugriff auf die Kameras erfolgt über die Features der Standard Feature Na­ming Convention (SFNC) und Vendor-spezifische Ergänzungen. Dadurch ist auch der Umstieg von einer GigE Vi­sion- oder USB3 Vision-Kamera pro­blemlos möglich.

Bis zu 6.000fps mit Block-Scan Mode

Da die Kameras der BVS CA-BN Serie mit einer on-board Image Signal Processing Pipeline (ISP) ausgestattet sind, können bekannte Vorverarbeitungsschritte unab­hängig von der Leistungsfähigkeit des Computing Targets auf der Kamera ab­gearbeitet werden. Bekannte Funktionen aus traditionellen Vision Kameras, wie Debayering, Look-Up Table, Gamma-Kor­rektur oder die Anwendung einer Farbkor­rekturmatrix (CCM) sind somit in gleicher Weise anwendbar und werden auf den Kameras latenzfrei umgesetzt. Aufgrund der optimalen Bildsensoranbindung las­sen sich zudem extreme Bildraten von mehreren 1.000fps erreichen.

Üblicherweise entstehen bei diesen Bild­raten große Interrupt-Raten auf den an­geschlossenen Computing Targets, was in der Regel ab einem bestimmten Punkt nicht mehr korrekt verarbeitet werden kann. Um dennoch diese Acqui­sitions-Raten zu ermöglichen, ist die An­wendung des Block-Scan Modes zu empfehlen. Hierbei werden mehrere Bil­der in der Kamera zu einem Speicher­block kombiniert und mit entsprechend geringerer absoluter Gesamt-Framerate übertragen. Werden zehn Bilder kombi­niert, entsteht eine um den Faktor zehn verringerte Bildrate und damit einherge­hend eine entsprechend geringere Inter­rupt-Last. Eine Anwendung, die dieses Verfahren nutzen kann, ist die Quasi-Zei­lenkamera. Dazu wird die Bildhöhe im ImageFormatControl auf das Minimum reduziert, wodurch sich aufgrund der schnellen Sensoranbindung eine maxi­male Framerate ergibt. Beispielsweise erreicht eine BVS CA-BN2-0032ZG mit dem 3,2MP Bildsensor Sony IMX252 (2.064x1.544 Pixel) eine Framerate von über 6.000fps. Moderne Bildsensoren bieten darüber hinaus weitere Spezial­modi. Diese sind zum Teil bereits über Kamera-Features erreichbar oder kön­nen auf Kundenwunsch implementiert werden. So sind bereits Dual-ADC, Mul­tiple ROI oder auch Fast Trigger Teil der aktuellen Kamera-Firmware.

Fazit

PCI Express Kameras erlauben es, an­spruchsvolle Anwendungen im Embed­ded Bereich umzusetzen und verhalten sich bezüglich der Softwareintegration und der Handhabung identisch zu in­dustriellen Standardkameras mit GigE Vision oder USB Vision Interface. Der größte Unterschied ist dabei allerdings, dass das Bild direkt mit der Auslese­rate des Bildsensors den Empfangs­puffer des Computing Targets per Di­rect Memory Access (DMA) erreicht und somit die CPU des Hostsystems nicht belastet.

Die PCIe-Ka­meras BVS CA-BN2-0032ZG erreicht dank des Block-Scan Mode mit dem 3,2MP Bildsensor Sony IMX252 (2.064x1.544 Pixel) eine Frame­rate von über 6.000fps.