新型幀捕捉器顯著降低復(fù)雜檢查系統(tǒng)設(shè)備的成本

當(dāng)要同時(shí)滿足日益嚴(yán)格的質(zhì)量要求和極快的檢查速度時(shí)，PC的總線傳輸最后可能陷入堵塞和停滯。本文將Basler公司的Websight系統(tǒng)作為研究案例來(lái)說(shuō)明現(xiàn)成的元器件是如何能以更少的成本提供出眾的系統(tǒng)性能，這兩方面對(duì)任何檢查系統(tǒng)都是關(guān)鍵要素。

Basler公司(位于德國(guó)Ahrensburg)是工業(yè)圖像處理系統(tǒng)的領(lǐng)先制造商。從2001年公司就開(kāi)始為連續(xù)剝離材料開(kāi)發(fā)以Websight命名的檢查系統(tǒng)。Basler公司的目標(biāo)用戶是特殊的技術(shù)薄片(例如用于TFT LCD顯示器的極化薄膜)制造商。這些用戶必須檢查100%的薄片表面并遵守嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)有著巨大壓力的市場(chǎng)經(jīng)常要求生產(chǎn)廠商執(zhí)行24/7(即每天24小時(shí)，每周7天)的生產(chǎn)計(jì)劃，因此擁有一個(gè)高性能的連續(xù)檢查系統(tǒng)非常重要。這種解決方案必須有極高的可靠性，因?yàn)闄z查系統(tǒng)中的任何故障都會(huì)立即導(dǎo)致生產(chǎn)的中斷。另外，從客戶的立場(chǎng)看，能夠節(jié)省空間的安裝方式也是非常重要的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)都放置在無(wú)塵室中。

Basler的Websight系統(tǒng)必須以50um分辨率、30米/分鐘的速度檢查那些薄片。薄片的寬度最高可達(dá)160厘米。根據(jù)這一規(guī)格要求，第一代Websight系統(tǒng)裝備了9個(gè)行掃描照相機(jī)，每個(gè)照相機(jī)具有4,096個(gè)像素，可產(chǎn)生41MHz的數(shù)據(jù)速率(圖1)。

Websight作為最終用戶生產(chǎn)線的重要組成部分在多個(gè)方面占據(jù)著重要地位。除了完成實(shí)際故障識(shí)別外，Basler的Websight開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)還特別優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)文檔化和報(bào)告功能，全面的分析和報(bào)告功能不僅為客戶提供了滿足他們質(zhì)量要求的100%文檔，而且能夠?yàn)橘|(zhì)量改進(jìn)措施的決策過(guò)程提供所需的數(shù)據(jù)。

采用新總線系統(tǒng)的考慮

Basler公司最初是采用下面所列的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)滿足上述要求的。每個(gè)行掃描照相機(jī)有它自己的幀捕捉器(基于PCI總線)，考慮到PCI總線的帶寬，每個(gè)幀捕捉器都要擁有自己的PC。被提議的原型系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1. 9個(gè)行傳感器照相機(jī)，每個(gè)照相機(jī)有4,096個(gè)像素；

2. 9個(gè)PCI總線幀捕捉器；

3. 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有9臺(tái)PC；

4. 由Basler開(kāi)發(fā)的特殊的燈具，可在低溫下提供均勻的高流明亮度等級(jí)。

這種解決方案性能很穩(wěn)定，但成本也非常高。在部署后不久，系統(tǒng)運(yùn)行顯然已非常接近其性能極限。PC網(wǎng)絡(luò)消耗了分析真正需要的大部分處理能力。另外，客戶機(jī)的數(shù)量也降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

圖1：Basler公司的Websight系統(tǒng)(照片來(lái)自Basler公司)。

移植到Windows XP下可以在某種程度上緩解該，但不可避免會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重新構(gòu)建。因此接下來(lái)的目標(biāo)是大量地減少PC和幀捕捉器的數(shù)量，同時(shí)仍需要提高性能以滿足未來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)。

Basler公司的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)希望將Camera Link繼續(xù)保留用作照相機(jī)的接口。在這個(gè)思想指導(dǎo)下，他們實(shí)現(xiàn)了帶寬得到極大提高的新總線系統(tǒng)，即PCI-X和PCI-Express(PCIe)。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)的仔細(xì)調(diào)查他們清楚地發(fā)現(xiàn)，PCIe x4插槽可以提供足夠的帶寬來(lái)控制具有40MHz以上數(shù)據(jù)速率的兩個(gè)照相機(jī)，但目前市場(chǎng)上只有提供一個(gè)x4插槽的PCIe母板。從理論上講，實(shí)現(xiàn)PCIe可以減少一半的PC數(shù)量(一個(gè)捕捉器帶2個(gè)照相機(jī)，一臺(tái)PC帶一個(gè)捕捉器)。而另一方面，PCI-X已經(jīng)提供了單個(gè)插槽所要求的數(shù)據(jù)速率(PCI-X/133MHz插槽帶寬最高達(dá)1Gbps)，因此允許在單個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)捕捉器。PCI-X解決方案的缺點(diǎn)是目前的PCI-X計(jì)算機(jī)數(shù)量還相當(dāng)有限，而且價(jià)格非常高。理想的解決方案要求成像硬件在合適的母板上市時(shí)就盡快地遷移到PCIe。

成像硬件的理想選擇

在此背景下，Basler公司的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)決定采用Matrox Imaging Camera Link幀捕捉器—Matrox Solios XCL作為成像硬件的理想選擇。Matrox Solios是同時(shí)支持PCI-X和PCIe(Maxtrox Solios eCL)的高性能幀捕捉器系列，內(nèi)含一個(gè)在幀捕捉器中越來(lái)越常見(jiàn)的FPGA。由于FPGA能夠通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，因此系統(tǒng)資源可更輕松地應(yīng)對(duì)密集的處理操作。

Basler公司發(fā)現(xiàn)，采用Matrox Solio XCL(支持PCI-X)后Websight系統(tǒng)可以控制連接到單個(gè)PC中三個(gè)幀捕捉器上的6個(gè)照相機(jī)，每個(gè)系統(tǒng)可以節(jié)省7臺(tái)PC和4個(gè)幀捕捉器!

Basler公司目前已經(jīng)交付了3個(gè)系統(tǒng)，節(jié)省了21臺(tái)PC和15個(gè)幀捕捉器的成本。更多的成本節(jié)省將來(lái)自大為簡(jiǎn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更容易的安裝和投入使用以及運(yùn)輸物流與備件庫(kù)存。銷售人員憑借新技術(shù)還可以開(kāi)拓新的市場(chǎng)，因?yàn)檫@樣的系統(tǒng)總是能通過(guò)重新配置滿足更多的要求。

前景展望

選用Matrox Solios幀捕捉器后，Basler可以很容易地集成新的6k像素和8k像素分辨率的行掃描照相機(jī)。

今后可能要求降低到25μm以實(shí)現(xiàn)大約2倍的分辨率，從而會(huì)將速度提高到兩倍，并產(chǎn)生對(duì)更多數(shù)量高數(shù)據(jù)速率照相機(jī)的需求。通過(guò)開(kāi)發(fā)高度靈活的系統(tǒng)，Basler可以輕松滿足現(xiàn)在和未來(lái)的各種客戶要求，包括集成更多的照相機(jī)，適應(yīng)不同系統(tǒng)制造商的不同機(jī)器以及塑膠加工所采用的不同機(jī)器。

為系統(tǒng)中的圖像處理選擇軟硬組件從來(lái)都不是件容易的事，必須仔細(xì)斟酌。除了上述討論的實(shí)際考慮因素外，在強(qiáng)調(diào)“服務(wù)”的原則下一般還需要考慮規(guī)格的比較和許多其它重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。這包括了對(duì)問(wèn)題的技術(shù)支持、交貨的可靠性和產(chǎn)品長(zhǎng)期可用性、供應(yīng)商滿足特殊要求的意愿和能力。

總之，新的總線系統(tǒng)在圖像處理方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。然而就像以往那樣，各個(gè)組件之間必須要很好地相互適應(yīng)。Basler公司成功地利用Matrox Solios幀捕捉器使得性能和穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了最大化，同時(shí)顯著地降低了系統(tǒng)成本。同時(shí)公司還創(chuàng)建了也能滿足新要求的平臺(tái)。例如通過(guò)遷移到PCIe，仍有進(jìn)一步節(jié)省成本的潛力。

最后，對(duì)Basler公司來(lái)說(shuō)，客戶利益至關(guān)重要。Basler公司的產(chǎn)品除了能夠節(jié)省無(wú)塵室內(nèi)寶貴的空間外，其更簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)、更快的安裝和投入使用對(duì)最終客戶來(lái)說(shuō)都是很明顯的優(yōu)勢(shì)。