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USB3.0マシンビジョンカメラ開発 活用例

~USB3.0インタフェースを用い、高画質カメラ映像の最大30m長距離伝送を実現~

マシンビジョンカメラは、高速動作する製造ラインの製品検査に使用されるため、高解像度/高フレームレート/低遅延が必要で、さらに設置環境上、カメラと検査装置間の距離の確保、また小型/省電力も求められます。今回は、マシンビジョンにおける「USB3.0/2.0デバイスIPコア」を中心とした活用例です。

USB3.0インタフェース採用のメリット

高精細画像をUSB3.0で高フレームレート/低遅延で高速伝送可能

  • 1080/60p(1920 x 1080ピクセル・毎秒60フレーム・YUV422)映像をUSB3.0で出力
  • 転送性能310MByte/秒(8b/10b符号化含む)
  • フレーム映像を45分割送信・遅延時間396マイクロ秒を達成
  • フレームバッファメモリ(DDR-SDRAM)不要

光ファイバで30mの長距離伝送@6Gbpsを実現

  • USB3.0-光ファイバアダプタにより、検査装置カメラ間を30mまで延長可能

小型化・省電力化

  • USB3.0採用により、フレームグラバボードが不要となり、システム全体のコスト・電力・小型化に貢献
  • 消費電力3.8W USBバスパワー動作可能

マシンビジョンカメラ デモシステム構成

本構成では、フルHDCMOSセンサカメラで撮影した1080/60pの映像を、最長30mの光ファイバおよびUSB3.0経由でパソコンに伝送し、リアルタイム表示します。光ファイバ通信は独自プロトコル実装で、性能/信頼性を両立しています。一方USB3.0通信は、標準USBビデオクラスプロトコル実装のため、Windows®標準ドライバで動作し、汎用的な画像表示アプリケーションを使うことができます。
フルHDCMOSセンサから出力される映像は、USB3.0光ファイバアダプタでリアルタイムプロトコル変換され、USB3.0バスに送られます。CMOSセンサカメラおよびUSB3.0光ファイバアダプタはフレームバッファレス設計のため、400μ秒以下のレイテンシで映像を伝送することが可能です。

USB3.0光ファイバアダプタとCMOSセンサカメラの接続イメージ写真です

映像データの流れの図解です

USB 3.0/光 CMOSセンサカメラ

光CMOSセンサカメラの外観写真です

- アプティナ社製3.1Mピクセル CMOSセンサAR0331SR
- アルテラ社製 Cyclone® V GT FPGA
- NECエンジニアリング社製 USB3.0デバイスIP コア
- パナソニック社製 光アクティブコネクタレセプタクル

USB 3.0 – 光ファイバアダプタ

光ファイバアダプタの外観写真です

- アルテラ社製 Cyclone® V GT FPGA
- NECエンジニアリング社製 USB3.0デバイスIP コア
- パナソニック社製 光アクティブコネクタレセプタクル

USB3.0マシンビジョンカメラ開発支援サービス

マシンビジョンカメラシステムでのUSB3.0インタフェース活用は、「USB3.0/2.0デバイスIPコア」を中心とした、FPGA設計・ボード設計・ソフトウェア設計により実現します。ここでは、アルテラ社のCyclone® V FPGAを使ったリファレンスデザインについてご紹介します。

高速転送・低遅延 USB3.0/2.0デバイスIPコア

本IPはUSBのLink層・Endpoint層を実装しており、手軽にUSB3.0/2.0バスを使うことができます。システムバスはアルテラ社Avalon-®MemoryMappedバスに直結可能なインタフェースなので、手軽にお客様の設計に組み込んでいただくことが可能です。また、このIPコアはUSB Implementers Forum(USB-IF)のUSBコンプライアンスプログラムに合格しており、USBロゴ認証を取得しています。

USB3.0/2.0デバイスIPコアのブロック図です

高性能・少リソースを両立

  • 転送性能460MByte/秒以上・非圧縮フルHD1080/60p RGB動画伝送可能
  • ゲート規模29.8KLEを達成(8エンドポイント構成の場合)

低コストFPGAを使った設計が可能

  • ローエンドFPGAで動作OK(Cyclone® V/Cyclone® IV/Cyclone® IIIシリーズでの動作実績あり)

FPGA設計

本デモシステムには、アルテラ社のCyclone® V GT FPGAを使用しています。FPGAには、Nios® II CPUを搭載し、CMOSセンサからの映像データ受信・USBビデオクラス対応フォーマット変換・映像ヘッダ生成・USB3.0IPコアによるUSBバス通信などを制御する役割を担います。CMOSセンサインタフェースには、アプティナ社センサインタフェースであるSLVS信号のHiSPi インタフェース(4レーン)を使用しています。HiSPi I/Fから受信したRGBベイヤー配列の映像データをPIX_TOPブロックにてYUV422にフォーマット変換し、スキャッタ&ギャザー対応DMAで24ラインバッファに書込みます。そして、USB3.0IPで24ラインバッファからデータを引き取り、USB3.0バスへ送信します。

構成例です

ボード設計

本デモシステムの設計にあたり、1辺40mmキューブサイズ筐体に搭載可能なカメラ基板設計をターゲットとしました。CMOSセンサ・FPGA・USB-PHYをプリント基板上に搭載する際に、通常の平面プリント基板ではサイズが大きくなってしまうため、リジットフレキシブル基板を使った、複数基板での立体構造で小型化を実現しています。リジッドフレキシブル基板を使用することで、基板間のCMOSセンサインタフェース信号およびUSB3.0インタフェース信号の信号品質を確保しています。また低消費電力Cyclone® V GT (Cyclone® IV比消費電力40%削減) を採用することで、USB3.0バスパワーでの動作を可能としています。

ボードのサンプル画像です

ソフトウェア設計

USB3.0/2.0デバイスIPコア向けに各種デバイスクラスに対応可能な、USB3.0/2.0コアファームウェアスタックを用意しています。USBインタフェースの基本プロトコル部分はコアレイヤーファームウェアをそのまま使用し、クラスレイヤーのファームウェアを置き換えることで様々なデバイスとして動作させることが可能となっています。本デモシステムでは、標準USBビデオクラス対応のクラスレイヤーファームウェアを使用し、マシンビジョンカメラを実現しています。

クラスレイヤのイメージ画像です

Windows7/8では、OS標準USBビデオクラスドライバが組み込まれているので、本デモシステムのマシンビジョンカメラを接続するだけで自動認識されます。お客様は、アプリケーションを作成するだけで、カメラデモシステムの映像入力を得ることが可能です。

レイヤー解説図です

お問い合わせ

弊社では、USB3.0インタフェースを活用した開発受託を行っています。また、USB3.0マシンビジョンカメラのデモンストレーション環境を準備しています。お気軽にお問い合わせください。

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