Erweitern der USB 3.0 Übertragungs-Distanz

Erweitern der USB 3.0 Übertragungs-Distanz

...für den Einsatz von Kameras im Bereich industrielle Bildverarbeitung/Machine Vision

Einleitung

Mit einer wesentlich erhöhten Datenrate gegenüber USB 2.0 ist USB 3.0 gut für den Einsatz im Bereich der industriellen Bildverarbeitung/Machine Vision gerüstet. USB 3.0 eignet sich für die Übertragung von Bilddaten mit höheren Auflösungen (4K Ultra High Definition), Bildraten und Farbtiefe. Die Erhöhung der Bandbreite (von 480 Mbit/s für USB 2.0 Hi-Speed auf bis zu 4 Gbit/s für USB 3.0 SuperSpeed bzw. darüber hinaus mit SuperSpeed+) stellt jedoch auch erhöhte Anforderungen an die Kabel. Die für USB 2.0 maximal mögliche Distanz von 5 m (ohne Hubs) ist für viele Anwendungen schon recht knapp. Bei USB 3.0 werden anstatt einer maximalen Kabellänge Grenzwerte für die elektrischen Parameter festgelegt, innerhalb derer der SuperSpeed-Betrieb sicher funktioniert. Erfahrungsgemäß liegen die Kabellängen dabei je nach Kabel-Ausführung und Qualität bei höchstens 3 m. Bei USB 3.1 dürfen Kabel durch weiter erhöhte Anforderungen typischerweise sogar nur 1 m lang sein. Gerade für den Einsatz mit Kameras sind aber ganz oft viel größere Übertragungsdistanzen erforderlich. Es gibt für solche Anwendungsfälle verschiedene technische Möglichkeiten, USB zu "verlängern".

Industrielle Bildverarbeitung/Machine Vision und USB 3.0

USB 3.0 SuperSpeed hat das Wachstum von USB-Industriekameras für Machine Vision-Anwendungen beflügelt - zum einen wegen seiner gegenüber USB 2.0 verbesserten Bandbreite, zum anderen wegen der Plug&Play-Benutzerfreundlichkeit von USB an sich. Nahezu jeder Hersteller von Industriekameras bietet heute USB 3.0-Geräte in seinem Produktportfolio an. Die Verbesserung der Bandbreite ging jedoch zu Lasten der Kabellänge, die sich von max. 5 m für USB 2.0 auf höchstens ca. 3 m für USB 3.0 reduziert hat. Diese kürzere Reichweite kann zu Installationsproblemen bei Anwendungen führen, bei denen der Host-Computer in einiger Entfernung von der Kamera platziert werden muss. Beispiele sind großflächige Fabrikanlagen oder Bereiche, in denen die Umgebungsbedingungen (Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, Vibrationen usw.) es nicht erlauben, dass der Computer in unmittelbarer Nähe zur Kamera aufgestellt wird. Hinzu kommen Anwendungen, in denen der Computer vor unbefugtem Zugriff gesichert sein soll oder wissenschaftliche und medizinische Anwendungen, in denen zum Beispiel gefährliche biologische Materialien oder Strahlungen für den Techniker am Computer schädlich sein könnten. Es ist jedoch möglich, die Distanz für den Betrieb der USB 3.0-Kamera durch passive Kupferkabel, Hubs mit passiven Kupferkabeln, aktive Kupferkabel oder Glasfaserlösungen zu erweitern.

Passive USB 3.0-Kabel und Hubs

...sind eine beliebte und relativ kostengünstige Option für sehr kurze Entfernungen von 3 bis 5 m bzw. bis 30 m mit Hubs. Das Haupt-Augenmerk bei passiven Kabeln muss dabei auf der Kabel-Qualität liegen, also der Fähigkeit, die Signalintegrität über die erforderliche Distanz aufrechtzuerhalten. Kamerabilder werden erfasst und in Form eines elektrischen Signals übertragen. Ein solches Signal kann während der Übertragung durch Störungen auf dem Kabel mit Verzerrungen oder Rauschen beeinträchtigt werden, was möglicherweise zu Signalverlusten führt. Werden minderwertige Kabel eingesetzt oder die für das Kabel und die Schnittstelle spezifizierte Distanz überschritten, kann der Signalverlust zu unzuverlässiger Übertragung, Fehlern in der Anwendung oder zum kompletten Ausfall der Kamera führen. Ein hochwertiges passives Kabel sollte in der Lage sein, eine USB 3.0-Kamera in 3 m Entfernung zuverlässig zu betreiben. Einige passive und oft recht teure Kabel sind speziell für die Immunität gegen elektromagnetische Störungen (EMI/EMV) optimiert und arbeiten sicher bis zu einer Distanz von 4,5 bis 5 m. Auch hochwertige, arretierende USB-Steckverbinder tragen dabei zur Sicherheit bei. Natürlich ist es zudem möglich, passive Kabel und USB 3.0-Hubs mit eigener Stromversorgung zu kombinieren, um die Distanz zu USB-Kamera zu erweitern. Dabei ist es jedoch auch hier wichtig, die empfohlene Länge zwischen beiden nicht zu überschreiten. So wie es eine Begrenzung der Länge eines passiven USB 3.0-Kabels gibt, so gibt es auch eine Begrenzung, wie viele USB-Hubs miteinander verbunden werden können, um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Die USB 3.0-Spezifikation erlaubt nicht mehr als sieben „Ebenen/Stufen“ von Geräten. Host und Kamera zählen bereits als eine Ebene, so dass fünf weitere Ebenen für zusätzliche Hubs zur Verfügung stehen. Dies ergibt eine maximale Gesamtlänge von 30 m (sechs Abschnitte à 5 m). Zu bedenken ist dabei allerdings, dass ein solcher Aufbau mit mehreren Hubs mechanisch sehr fehleranfällig ist.

Die bessere Lösung: Aktive USB 3.0-Kabel

Für Kamera-Anwendungen oder Systeme, die eine Verlängerung von 5 bis 15 m erfordern, empfiehlt sich der Einsatz eines aktiven Qualitätskabels. Aktive Kabel sind Kupferkabel, in die eine Schaltung zur Erhöhung der Signalleistung integriert ist. Dadurch sind sie in der Lage die Signalintegrität auch über größere Entfernungen aufrechtzuerhalten. Idealerweise wird ein aktives Kabel wie das ▸Icron USB 3.0 Spectra 3001-15 vom Host-Computer mit Strom versorgt, um der Kamera oder einem anderen Peripheriegerät volle 5 V/900 mA Strom (gemäß USB 3.0-Spezifikation) zur liefern. In der Abbildung ist zu erkennen, dass das ▸Icron Spectra 3001-15-Kabel über einen zusätzlichen USB-Anschluss verfügt, um sicherzustellen, dass die volle Stromversorgung gewährleistet ist.

Natürlich ist auch die bewährte Kompatibilität mit Soft- und Hardware ein weiterer wichtiger Faktor. Dazu gehören Betriebssysteme (Windows, Mac OS X oder Linux?), Host-Controller (funktioniert das Kabel mit allen oder nur bestimmten USB 3.0-Host-Controllern?) und die Interoperabilität mit Kameras aller USB 3.0-Kamerahersteller.

Bild 1: Icron Spectra 3001-15 aktives USB 3.0-Kabel, 15 m)

Bild 2: Verlängerung der Distanz um 15 m zu einer USB 3.0-Kamera mit dem Icron Extender/aktiven Kabel Spectra 3001-15

Bis 100 m: USB 3.0 Extender über Glasfaser

...sind eine ausgezeichnete Wahl für die Verlängerung von USB 3.0 über größere Entfernungen bis 100 m, zum Beispiel der ▸Icron Spectra 3022. Ein USB 3.0-Extender-System besteht dabei typischerweise aus zwei Umsetzer-Modulen: Einem Extender-Modul am Host (LEX/Local Extender) und einem abgesetzten Extender-Modul (REX/Remote Extender). Diese beiden Extender-Module wandeln die elektrischen Signale in optische um und wieder zurück. Sie sind über ein Standard-Glasfaserkabel miteinander verbunden. Die Glasfaser-Übertragung hat die Vorteile einer hohen Geschwindigkeit, vollständigen galvanischen Isolierung und Sicherheit gegen elektromagnetische Störungen auf der Übertragungsstrecke. Die Glasfaser kann jedoch keinen elektrischen Strom übertragen und benötigt daher eine externe Stromquelle am entfernten Ende, was sie für manche industrielle Anwendungen ungeeignet macht.

Bild 3 zeigt einen exemplarischen Anwendungsfall mit dem 100 m langen USB 3.0 Spectra 3022 Glasfaser-Extender von Icron.

Wie bei den aktiven Kupferkabeln ist es wichtig, die Spezifikationen solcher Extender zu überprüfen. Dazu gehört auch hier die Kompatibilität mit der Anwendung/erforderlichen Entfernung, Kompatibilität mit Betriebssystemen und Host-Controllern, Interoperabilität mit Kameras, elektromagnetische Kompatibilität und vieles mehr.

Überblick: Die Möglichkeiten der USB 3.0-Verlängerung