Behalten Sie den Anschluss mit USB 3.1

Abbildung 1 - Marktumfrageergebnis der Vision Systems Design: Beliebtester Kameratyp in 2 Jahren.

USB wird nun von Herstellern und Anwendern von Machine Vision Kameras akzeptiert und verwendet.

4. USB 3.1

Natürlich war die Entwicklung des USB-Standards hier nicht beendet. Im Juli 2013 verabschiedeten die üblichen Verdächtigen – Microsoft, Intel Renesas, usw. – die „Universal Serial Bus 3.1 Spezifikation“.

Aber was war neu an USB 3.1? Die offensichtlichen Antworten schienen klar:

• Es ist schneller
• Es gibt einen neuen Stecker
• Es kann mehr Energie übertragen werden

Mit USB 3.1 hat sich jedoch etwas geändert: Es führt nicht zwangsläufig nur eine höhere Bandbreite ein. Leider werden mit der neuen Version die Dinge für die USB Anwender etwas komplizierter.

Neuer Stecker

Und was hat es mit diesem neuen Stecker auf sich? Derzeit gibt es kaum ein Technologie-Magazin, das nicht ein oder mehrere Produkte mit diesem neuen Stecker vorstellt.

Dieser Stecker ist dazu bestimmt in Zukunft der allgegenwärtige und einzige Universalstecker in einem PC zu werden. Das Apple MacBook wurde 2015 erstmals mit nur einer einzigen USB-C Buchse präsentiert, die für die Stromversorgung, für den Anschluss von Peripherie-Geräten oder eines zweiten Display verwendet wird. Die aktuelle Generation besitzt vier USB-C Buchsen aber keine anderen Verbinder. Aktuell wird der USB-C Stecker an Kabeln, Smartphones, Tablets, Festplatten, Monitoren, Docking-Stationen, Netzteilen, Notebooks, Desktop PC’s, USB-Sticks, usw. verwendet.

USB-C ist ein innovativer Steckverbinder, vielleicht die beste Stecker-Spezifikation, die jemals definiert wurde:

Er ist klein, schnell, sehr vielseitig und kann sehr viel Energie übertragen – und das Beste an ihm: er ist verdrehsicher! Überlegen Sie nur einmal, wie oft Sie selbst den USB-A Stecker mehrfach gedreht haben, bis Sie die richtige Orientierung zum Einstecken gefunden haben.

Mit einer Höhe von nur 2,5 mm und einer Breite von etwa 8 mm ist er kleiner als die aktuellen Type-A oder Micro-B Stecker. Ein Riesenvorteil um kleinere Geräte zu bauen.

Type-C weist 24 Pins auf und damit mehr als doppelt so viel, wie jeder andere USB Stecker. Jedoch müssen nicht alle davon in jedem Kabel verwendet werden. Beinhaltet sind Superspeed Datenbusse, ein USB 2.0 Interface zur Abwärtskompatibilität, Stromversorgung, Masse und der Kommunikationskanal für das Power Delivery Protokoll.

Ebenfalls neu bei USB Type-C sind Controller-Chips für den Konfigurationskanal (CC) in den Steckern und Buchsen, durch welche eine USB Host-zu-Geräte-Beziehung geschaffen wird. Ein Type-C Kabelaufbau, der diesen Chip in einem oder beiden Steckerenden beinhaltet ist ein „Smart“-Kabel und wird als „elektronisch markiertes Kabel“ (EMCA) bezeichnet. Diese Type-C Kabel kommunizieren mit dem Host-PC oder anderen Geräten und teilen ihnen ihre besonderen Fähigkeiten mit, wie z.B. ihre Stromtragfähigkeit, mögliche Datentransferrate oder die Hersteller-ID (USB Type-C Kabel ID).

Da diese Kabel bis zu 100 W Leistung transportieren können, ist es besonders wichtig, dass sie ihre elektrischen Fähigkeiten korrekt weitergeben. Alle vollbelegten USB Type-C Kabel müssen deshalb elektronisch markiert sein.

Wenn Sie eine USB Type-C Kamera kaufen, benutzen Sie nur hochwertige Kabel von einem zuverlässigen Lieferanten. Idealerweise direkt vom Kamerahersteller selbst.

Power Delivery

Schauen wir auf das dritte Feature, das mit USB 3.1 eng verbunden ist: höhere Leistung. USB Power Delivery  (PD) ist aber auch keine neue Funktionalität. Es wurde schon 2013 zum ersten Mal mit einem bescheidenen, maximalen Leistungstransfer von 7.5 W eingeführt, um Akkus über USB zu laden. Seitdem wurde der USB PD Standard konstant erweitert und verbessert. Die aktuelle Spezifikation 3.0 wurde im März dieses Jahres veröffentlicht und erlaubt einen Leistungstransfer bis 20 V und 5 A (100 W), abhängig von Host und Gerätefähigkeiten. Das ist sehr viel und ist damit für viele Anwendungen ausreichend – obwohl es leider noch nicht reicht um ein Elektroauto zu laden… noch nicht.

Power Delivery ist keine zwingende Voraussetzung für Type-C Verbinder. Grundsätzlich ist es möglich, den Type-C Stecker auch für Geräte zu verwenden, die das Power Delivery Protokoll nicht unterstützen. Jedoch funktioniert der unabhängige Rollentausch von Daten- bzw. Stromlieferant für höchste Flexibilität nur mit PD. Alternativ kann ein Monitor einen PC mit Strom versorgen, der wiederum eine angeschlossene Kamera versorgt. Diese Rollen der einzelnen Geräte können unterbrechungsfrei getauscht werden, sogar während des Betriebs. Das ist zum Beispiel dann sinnvoll wenn die Spannungsversorgung eines Geräts nachlässt oder es von der Spannungsquelle getrennt wird.

Power Delivery unterstützt beide Rollen. Das bedeutet, es kann in beide Richtungen arbeiten. Der Host-PC kann ein angeschlossenes Gerät genauso versorgen wie anders herum. Oder sowohl PC als auch eine Kamera werden durch ein Display mit Spannung versorgt, usw.

Von der bevorstehenden Verdopplung der Transferrate auf SuperSpeed 10 Gbps und einer Datenpaktgröße von etwa 1 GByte/s werden nicht nur sehr schnelle Sensoren profitieren, auch alternative Datenausgabeformate in RGB oder Bittiefen mit mehr als 8 Bit sind damit möglich.

Abbildung 3 - Ausgabedatenrate von 4 CMOS Sensoren der aktuellen Generation, die von der höheren USB 3.1 Gen 2 Transferrate profitieren würden.

Die offensichtlichen Vorteile von USB 3.1, dem neuen Type-C Verbinder und Power Delivery bringen viele neue Möglichkeiten für Ihre Anwendungen mit sich. Aber eine weitere wichtige Frage für Machine Vision Anwender ist: „Wie sieht es mit der Kabellänge aus?“

Im Grunde hat sich gegenüber den vergangenen USB-Implementierungen in dieser Hinsicht nichts verändert, zumindest nicht für die 5 Gbps Geschwindigkeit. Ein allgemeines Missverständnis besagt, dass die Kabellänge durch die Spezifikation limitiert wird. Das stimmt nicht. Tatsächlich sagt die Spezifikation sogar ganz klar, dass die Kabellänge nicht festgelegt ist. Sie definiert jedoch elektrische Parameter, wie den Spannungsabfall, die Signal-Anstiegszeit, den Widerstand, usw. Zusätzlich werden Kabellängen gelistet, die mit handelsüblichem Kabelmaterial wirtschaftlich hergestellt werden können. Werden jedoch hochqualitative Materialien und Montagemethoden verwendet, gibt es keine Beschränkung der maximalen Länge.

Mit langen USB 3.1 Gen 2 Kabel wird es offensichtlich noch anspruchsvoller für die Kabelhersteller, die vorgegebenen Parameter einzuhalten. Möglicherweise wird es zu Anfang nur kurze 1 oder 2 m Kabel für die SuperSpeed 10 Gbps Spezifikation geben.

Für USB 3 Kameras gibt es passive Micro-B Kabel bis zu 8 m Länge. Mit USB 3.1 und Type-C sieht IDS derzeit Kabellängen von 3 m, erwarten aber, dass bald längere Kabel verfügbar sein werden.

Ein weiterer Vorteil von Type-C zeigt sich bei der Herstellung von langen Kabeln. In aktiven EMCAs kann zusätzliche Elektronik eingesetzt werden, um die Signale der Datenpfade aufzubereiten bzw. auf ein optisches Trägermedium (Glasfaser, Active-Optical-Cable) umzusetzen, um die möglichen Kabellängen zu maximieren. Aktive Kabel, die ihre Konfiguration kommunizieren bzw. Signalaufbereitung betreiben, werden als „managed-active-cables“ bezeichnet.

Mit den vielen zusätzlichen Signalleitungen eines vollbelegten Kabels mit Type-C Stecker an beiden Seiten, steigt der Kabeldurchmesser etwas an. Die neuen Kabel sind mit verschiedenen Stecker-Kombinationen verfügbar. Z.B. Type-C zu Type-C (full-featured) oder Type-C zu Type-A (für reine Datenverbindungen).

Aber ist der USB Type-C Stecker wirklich für industrielle Anwendungen geeignet? Ja. USB Type-C ist als verschraubbare Variante verfügbar und auch hoch-flexible Schleppkettenkabel für Robotik-Anwendungen sind möglich. Im März dieses Jahres hat die USB-IF Arbeitsgruppe „Device Working Group (DWG)“ die Spezifikation für verschraubbare USB Type-C Stecker ver­öffentlicht. Mitglieder dieser Gruppe kommen von bekannten Unternehmen wie Apple, Dell, und Intel.

6. Fazit

Derzeit gibt es verschiedene neue Begriffe und Spezifikationen um USB 3.1, die für etwas Verwirrung sorgen:

• USB 3.1 Gen 1 und USB 3.1 Gen 2
• Type-C Stecker
• Power Delivery

Um es für alle Anwender etwas einfacher zu gestalten hatte das USB-IF die Idee, dass die Hersteller von USB 3.1 Komponenten klar darauf hinweisen sollen, welche Geschwindigkeit, welche Energie und Steckereigenschaften jedes einzelne Gerät besitzt. Eine Kamera, die all diese neuen Features in sich vereint, müsste dann folgendermaßen heißen:

USB 3.1 Gen 1 Kamera mit Type-C™ Stecker und Power Delivery

USB SuperSpeed Kameras werden bereits in einer großen Anzahl Anwendungen eingesetzt und machen einen zunehmenden Anteil von neuen Machine Vision Projekten aus. Wenn Sie Hochleistungskameras benötigen, sollten Sie zuerst USB 3.1 Produkte in Erwägung ziehen bevor Sie zu unhandlichen, stromhungrigen, vergleichsweise teuren Lösungen mit Frame Grabbern greifen.

Wenn Sie sich heute für eine USB 3.1 Gen 1 Kamera entscheiden, bietet Ihnen ein USB Type-C Modell in ein bis zwei Jahren einen absolut einfachen und nahtlosen Übergang zur doppelten Datenrate. Und ganz nebenbei profitieren Sie schon heute von vielen großartigen Features einer USB 3.1 Gen 1 Kamera mit Type-C Stecker:

• Sehr hohe Datenraten von mehr als 400 MB/s
• Das beste Verhältnis von Kosten zur Datenrate, das Sie bei keinem andern Kamerainterface finden.
• Sehr kompakte Stecker, die verschraubbar, vielseitig und verdrehsicher sind.
• Power Delivery versorgt ihr Gerät mit ausreichend Leistung, vereinfacht dabei die Verkabelung, was wiederum Zeit und Kosten einspart.
• Natürlich sind USB 3.1 Gen 1 und Gen 2 vollständig kompatibel zu USB 3 Vision
• USB 3.1 in Verbindung mit USB Type-C bietet so viele Möglichkeiten alle Arten von Geräten zu verbinden, wodurch es zum alleinigen, allgegenwärtigen, digitalen Interface werden wird.

Kameras, die alle diese Vorteile in sich vereinen, sind bereits verfügbar. Im Spätsommer 2016 stellte IDS mehrere Modelle mit USB 3.1 Gen 1, dem vielseitigen Type-C Stecker und einer Hardwareunterstützung von 12 W über Power Delivery vor.

Warten Sie nicht länger. Gönnen Sie sich einen Vorgeschmack auf die Zukunft. “Behalten Sie den Anschluß mit USB 3.1”.