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選擇嵌入式視覺攝像頭需考慮哪些方面

發(fā)布時(shí)間:2020-11-05 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】功能強(qiáng)大的精簡型單板計(jì)算機(jī)的推出催生了令人興奮的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在通過小型化優(yōu)化成本及(或)效率的應(yīng) 用中,它的效用尤為明顯。另外,視覺系統(tǒng)可以利用功能全面的板級機(jī)器視覺攝像頭進(jìn)一步縮小產(chǎn)品總體尺寸 并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行靈活性,同時(shí)還支持定制或非標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)部件。
   
簡介
 
功能強(qiáng)大的精簡型單板計(jì)算機(jī)的推出催生了令人興奮的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在通過小型化優(yōu)化成本及(或)效率的應(yīng) 用中,它的效用尤為明顯。另外,視覺系統(tǒng)可以利用功能全面的板級機(jī)器視覺攝像頭進(jìn)一步縮小產(chǎn)品總體尺寸 并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行靈活性,同時(shí)還支持定制或非標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)部件。典型示例有:醫(yī)療診斷、計(jì)量、機(jī)器人技術(shù)、嵌入式 視覺、包裝和印刷檢查、手持式掃描儀、臺式實(shí)驗(yàn)室和其他空間受限的系統(tǒng)。
 
本文涵蓋選擇嵌入式視覺攝像頭時(shí)需考慮的數(shù)個(gè)重要方面,包括功能組、外形因素和物理占用空間、接口選項(xiàng)、 透鏡支架、軟件支持、熱管理以及電磁兼容性。
 
外形因素和功能組
 
選擇嵌入式視覺攝像頭需考慮哪些方面
 
從封裝相機(jī)轉(zhuǎn)換為板級相機(jī)時(shí),系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真考慮其成像和相機(jī)性能要求。許多小型板級相機(jī)僅支持低 分辨率傳感器、少量 GPIO 線路以及有限的相機(jī)內(nèi)部功能。相反,許多全功能機(jī)器視覺相機(jī)的板級型號僅僅是 拆除了外殼的標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)。雖然這些相機(jī)可能會達(dá)到所需的成像性能,但它們的尺寸可能不會比標(biāo)準(zhǔn)封裝型號小 巧多少。這類相機(jī)經(jīng)常采用標(biāo)準(zhǔn)的 GPIO 和接口連接器,因體積較大而不適合嵌入式應(yīng)用。例如,傳統(tǒng)工業(yè)鎖 定連接器的尺寸便與一臺 Blackfly S 板級攝像頭一般大小。
 
FLIR 的 Blackfly S 板級攝像頭整體上就是為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它們的外形尺寸十分緊湊,僅為 29mm x 29mm x 10mm,可提供相同的成像性能和封裝式 Blackfly S 型號的完整豐富功能;而緊湊型 GPIO 和接口連 接器則額外節(jié)省了空間。FLIR 嵌入式視覺攝像頭產(chǎn)品的另一重要優(yōu)勢是使用 1/3” 至 1.1” 尺寸傳感器的 所有攝像頭因外形系數(shù)相同而可用性良好——多種攝像頭型號采用一致的外形系數(shù)簡化了系統(tǒng)及未來產(chǎn)品變型 的開發(fā)與升級。
 
透鏡支架
 
選擇嵌入式視覺攝像頭需考慮哪些方面
 
對于希望集成非標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件或?qū)D像傳感器盡可能靠近目標(biāo)放置的客戶而言,板級相機(jī)是一個(gè)具有吸引力的 選擇。板級相機(jī)沒有固定的透鏡支架,設(shè)計(jì)人員可自由選擇除機(jī)器視覺行業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn) C、CS 或 S 接口透鏡 以外的光學(xué)元件。對于通常無需透鏡的生物技術(shù)和激光束分析應(yīng)用,這種設(shè)計(jì)也非常適合。板級攝像頭的另一 1/4 種常用應(yīng)用是將透鏡支架集成到另一產(chǎn)品部件中——“嵌入式視覺攝像頭”的名稱由此而來。另外,采用模塑 成型的方式將透鏡支架直接集成到產(chǎn)品外殼可有效簡化制造和組裝,從而進(jìn)一步降低成本。為了評估未配備透 鏡支架的板級相機(jī),還應(yīng)購買安裝配件。如果封裝型號具有與板級型號相同的傳感器和功能,它們便可用作開 發(fā)平臺。 為板級攝像頭選擇正確的透鏡支架選件時(shí),其中一個(gè)最重要的因素是所使用的傳感器的尺寸。通常,S 型支架 透鏡設(shè)計(jì)用于 1/3" 或更小的低分辨率(通常低于 2MP)傳感器。CS 型支架透鏡則設(shè)計(jì)用于 1/3” 至 1/2” 的傳感器。如果傳感器尺寸是 1/2” 或以上,最好使用 C 型支架透鏡。
 
熱管理
 
選擇嵌入式視覺攝像頭需考慮哪些方面
 
封裝機(jī)器視覺相機(jī)依靠其外殼表面區(qū)域來消散傳感器、FPGA 和其他組件產(chǎn)生的熱量。如果沒有外殼,對高性 能板級相機(jī)可能會有其他設(shè)計(jì)要求,從而確保其在推薦溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。這種情況下,提供足夠的散熱是關(guān)鍵 所在。制造商通常會為溫度最高的組件提供最高結(jié)溫。對于FLIR Blackfly S 攝像頭,規(guī)定的 FPGA 的最高結(jié) 溫為 105 攝氏度(221 華氏度)。
 
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確保其熱管理解決方案符合此指標(biāo)。散熱器尺寸、相機(jī)所安裝的機(jī)架表面積或所需主動散熱 器的類型取決于傳感器、幀速率、運(yùn)行環(huán)境及正在執(zhí)行的相機(jī)圖像處理數(shù)量。為便于在攝像頭上安裝散熱器, 我們推薦在導(dǎo)熱墊上使用散熱膏,盡可能減少板對攝像頭的應(yīng)力。
 
外殼設(shè)計(jì)和快速原型制作
 
選擇嵌入式視覺攝像頭需考慮哪些方面
 
多數(shù)情況下,板級攝像頭直接集成到嵌入式視覺系統(tǒng)/產(chǎn)品中,不需要外殼。但對于攝像頭不與某一產(chǎn)品集成 而使內(nèi)部暴露在元件下的應(yīng)用,可能有必要通過外殼防止損壞??焖僭椭谱髦校度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)師可以用 3D 打印機(jī)輕松設(shè)計(jì)打印一個(gè)攝像頭外殼,或使用足以容納攝像頭的通用塑料外殼,然后通過墊片和安裝支架 將攝像頭安裝到位。
 
接口和連接器
 
選擇嵌入式視覺攝像頭需考慮哪些方面
 
第一代 USB 3.1 是嵌入式系統(tǒng)的理想接口。其通用化功能可確保為從臺式計(jì)算機(jī)到基于 ARM 處理器的單板計(jì) 算機(jī) (SBC) 等各類硬件提供支持。直接存儲器訪問 (DMA) 無需使用過濾器驅(qū)動程序,便可將延遲保持在最低 限度。第一代 USB 3.1 還采用單根電纜供電并可提供高達(dá) 480 MB/s 的數(shù)據(jù)吞吐量,有效地簡化了機(jī)械和電 氣設(shè)計(jì)。
 
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的一個(gè)重要目的包括現(xiàn)有設(shè)計(jì)的小型化。在這種情況下,電纜最大長度就遠(yuǎn)不如電纜和連 接器體積重要。撓性印制電路 (FPC) 電纜采用長達(dá) 30 米的電纜,支持第一代 USB 3.1。FPC 電纜顧名思義 指的是可以彎曲扭轉(zhuǎn)以適應(yīng)緊密包裝系統(tǒng)的電纜。另外,高品質(zhì)鎖定連接器和帶鎖凸耳的 FPC 屏蔽電纜可確 保高度安全、可靠的連接。 不過 USB 3.1 接口有一個(gè)潛在的弊病,它的高頻信號會對無線設(shè)備造成高達(dá) 5 GHz 的干擾(如 GPS 信號)。 對于使用此類無線頻率的應(yīng)用,我們也提供帶 GigE 接口的 FLIR 板級攝像頭。
 
MIPI CSI 是另一種許多嵌入式主板使用的通用接口。但與 USB 相比,MIPI 協(xié)議和驅(qū)動程序的復(fù)雜性可能會 使得開發(fā)更加耗時(shí)?;诘蛪翰罘中盘?(LVDS) 的接口同樣可用,而且專為直接連接主機(jī)端 FPGA 而設(shè)計(jì);但 每個(gè)信號傳輸通道需要兩條電線——這在某些應(yīng)用中是一個(gè)微小卻又重大的弊端。 軟件支持
 
選擇用于嵌入式系統(tǒng)的相機(jī)時(shí),軟件支持是一個(gè)不容忽視的重要考慮因素。
 
有了支持臺式和嵌入式系統(tǒng)的 SDK, 設(shè)計(jì)人員能夠通過熟悉的工具輕松自如地開發(fā)視覺應(yīng)用程序,并輕松地將其部署到所選擇的嵌入式平臺 上。FLIR 的 Spinnaker SDK 可為基于 x86、x64 和 ARM 處理器的 Windows 和 Linux 臺式系統(tǒng)提供支持。
 
電磁兼容性
 
如果沒有外殼提供的屏蔽作用,板級相機(jī)的電磁兼容性 (EMC) 與封裝型號會有所差異。所有封裝的 FLIR 機(jī) 器視覺攝像頭均經(jīng)過了 EMC 認(rèn)證;不過板級攝像頭尚未進(jìn)行該認(rèn)證。這些板級攝像頭要嵌入其他產(chǎn)品/系統(tǒng), 因此需單獨(dú)對成品進(jìn)行認(rèn)證。無論是哪種應(yīng)用,我們都建議它們和其他電氣組件那樣遵循電磁干擾 (EMI) 管 理最佳實(shí)踐。
 
結(jié)論
 
選擇嵌入式視覺攝像頭需考慮哪些方面
 
板級攝像頭對嵌入式視覺系統(tǒng)的革新,使緊湊多功能的創(chuàng)新性產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加自由和靈活。除本文提出的因素 外,還要注意使用高質(zhì)量傳感器、光學(xué)元件和可靠部件,讓您的嵌入式系統(tǒng)適應(yīng)未來。FLIR 的全系列板級攝 像頭專為這些應(yīng)用而設(shè)計(jì),提供業(yè)界領(lǐng)先的 3 年質(zhì)保。我們的機(jī)器視覺專家可以幫助您針對嵌入式系統(tǒng)選擇 3/4 正確成像性能和外形因素等級。
 
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