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케이블 난제

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2015/05/08

십여 년 전 Camera Link는 거의 유일한 머신 비전 전용 인터페이스 표준이었습니다. Camera Link 케이블은 상당히 부피가 크고 10 m까지만 사용할 수 있지만, 머신 비전 업계의 요구 사항에서는 아직 매우 잘 동작하고 있습니다. 머신 비전은 여전히 틈새시장으로, 카메라에서 PC로 데이터를 전송하는 가장 비용 효율적인 솔루션은 Gigabit Ethernet과 USB와 같은 소비자 중심의 인터페이스 표준을 사용하거나 산업용 이미징의 요구 사항을 충족하기 위해 GigEVision과 USB3 Vision과 같은 전용 인터페이스 표준을 사용하고 있습니다. 


업계에서 일어나는 경향 중 하나는 통신 시장에서 개발된 기술 대부분이 광케이블 연결로 이동되고 있다는 것입니다. 


새로운 표준 중 하나로 Camera Link의 후속 버전인 CLHS(Camera Link HS)는 필요한 경우 1 km까지 케이블의 사용할 수 있는 광섬유 케이블 연결을 기반으로 하는 프로토콜이 있습니다. CLHS의 광섬유 레인은 X-protocol에서 10GB/s의 속도로 연결됩니다. 


“SFP+ (small form-factor pluggable) 모듈은 중국에서 약 2만 원으로 구매할 수 있습니다. 5 m 광섬유 케이블은 주변에서 1만 원 정도로 구매할 수 있습니다. 5만 원으로 1.2GB/s 속도를 낼 수 있는CLHS용 케이블을 찾을 수 있습니다. 광섬유 케이블은 구리보다 저렴하게 구매할 수 있고 더 긴 거리와 더 높은 대역폭을 제공합니다.” 라고 Camera Link HS 위원장인 Michael Miethig가 언급했습니다. 


CLHS는 머신 비전 위원회에 표준으로 제공되기 전에 TeledyneDalsa가 HS Link로 먼저 개발했습니다. 


“구리 케이블은 가장 저렴한 솔루션에서 사용할 수 있지만, 10 m 이상의 거리에서 사용할 수 있는 방법은 10Gb/s에서는 광섬유만이 유일합니다. 현재 10 m 구리 케이블의 비용과 SFP+ single lane 솔루션이 경쟁하고 있습니다. 이 가격도 곧 내려갈 것입니다. 짧은 거리를 연결하기 위해서는 여전히 구리 케이블이 일부 장점이 있지만, 몇 년 내에 바뀔 것으로 생각합니다.”라고 Miethig가 계속 말했습니다.


CLHS 구리 케이블 비용은 Camera Link 케이블 비용과 거의 같고, 2개의 Camera Link 케이블을 사용하면 850MB/s의 대역폭을 사용할 수 있지만, CLHS 케이블은 2.1GB/s의 대역폭을 사용할 수 있습니다. CLHS 구리 케이블은 15 m까지 사용할 수 있지만, Camera Link 케이블은 최대 10 m까지만 사용할 수 있습니다. 이 표준은 CX4 또는 Infiniband 케이블(M-protocol)을 사용하므로 플러그인 구리-광섬유 모듈을 사용하여 15 m에서 100 m까지 연장할 수 있습니다.


CLHS의 설계 목표 중 하나는 적은 비용으로 이미 입증된 장시간 사용할 수 있는 통신 업계의 기술과 케이블을 사용하도록 만드는 것이었다고 Miethig가 언급했습니다.


“머신 비전 업계에서 사용하는 수량이 많지 않으므로 머신 비전에서만 사용할 수 있는 기술을 개발하고 싶지 않았습니다.”


높은 대역폭의 애플리케이션 요구 사항을 해결할 수 있는 다른 머신 비전 표준인 CoaXPress 역시 이미 기존에 입증된 동축 케이블 솔루션을 기반으로 합니다.


CLHS M-protocol CX4 케이블은 인코딩된 실제 계층인 8b/10b 인코딩을 사용하는 5Gb/s를 위해 설계되었습니다. Camera Link는 부호화되지 않으므로 극소량의 긴 스트링을 전송하면 Camera Link 케이블에 문제를 발생시킨다고 Miethig가 지적했습니다. M-protocol에서 8b/10b 인코딩을 하므로 DC 레벨의 균형을 맞춰 데이터를 전송하고 케이블이 더 높은 bit rate를 처리할 수 있습니다.


적은 대역폭의 연결이 카메라로 전송되고 많은 대역폭의 데이터가 카메라로부터 전송되므로 머신 비전 연결 솔루션은 비대칭 대역폭이 필요하다고 Miethig이 말했습니다.


두 번째 요건은 실시간 제어입니다.


Miethig에 따르면 CLHS는 패킷 기반 프로토콜 중 가장 높은 실시간 성능을 낸다고 합니다. (트리거시 3ns의 지터)


“높은 실시간 성능을 사용하면 아무것도 예약하지 않아도 됩니다."라고 말했습니다. 또한, 케이블의 지연 시간이 중요해지고 있다고 덧붙였습니다. 현재 개발 중인 2개 버전의 CLHS는 나노초 단위의 정밀도를 위해 다양한 케이블 길이를 사용하더라도 여러 대의 카메라를 동기화할 수 있습니다. PC가 처리할 수 없는 너무 많은 데이터를 카메라가 생성할 수 있으므로 CLHS는 여러 프로세싱 장치에 걸쳐 데이터를 분할하는 기능을 가지고 있습니다. 웹 검사와 기타 높은 대역폭의 애플리케이션에서 이것은 매우 중요합니다.


케이블 연결 고려사항

머신 비전 시스템을 설치할 때 카메라, 렌즈, 조명 등과 같이 케이블 역시 중요한 요인입니다. 필요한 케이블 길이와 함께 더 긴 거리를 달성하는 데 필요한 기술과 관련된 비용을 고려해야 합니다.

앤비젼에 케이블을 제공하는 Components Express의 대표인 Ray Berst가 언급한 또 다른 고려 사항은 케이블을 연결할 환경입니다. 케이블을 이동형 또는 고정형으로 선택해야 하는지, 전자기 간섭에 대한 우려가 있는지 등을 고려해야 합니다. 앤비젼에 케이블을 공급하고 있는 Components Express는 최근 25 m USB3 Vision 구리 케이블 솔루션을 발표했습니다. 상대적으로 짧은 USB3 Vision 케이블을 연장한 것입니다.


해당 애플리케이션에 적절한 케이블을 결정하는 것 역시 똑같이 중요합니다. 여러 종류의 움직임이 있을 수 있고 특정 움직임 유형에 적합한 케이블을 결정해야 합니다. 예를 들어, 비틀림과 같은 움직임은 롤링 움직임 또는 틱톡 움직임과는 다릅니다. 수백만 번 이상의 구부러짐을 견딜 수 있는 최고의 솔루션을 제공할 수 있도록 애플리케이션 유형을 이해하는 것이 중요합니다.


기술 발전 측면에서 현재 케이블 어셈블리는 신호, 프리엠퍼시스, 이퀄라이제이션을 포함할 수 있는 통합 신호 컨디셔닝과 함께 사용할 수 있습니다. 같은 케이블로 모터와 여러 장치를 연결해야 하는 로봇 케이블 어셈블리에 대한 수요가 많이 있습니다.


Camera Link HS에서는 프레임 그래버의 각 버퍼가 다양한 픽셀 유형과 Bit depth를 가질 수 있도록 여러 버퍼를 추가할 예정입니다. 따라서 예를 들면 3D 카메라는 3D 데이터를 하나의 버퍼로 전송하고 원본 이미지는 두 번째 버퍼로 전송할 수 있습니다. M- 및 X-protocol 모두 속도를 향상할 것이고, 새로운 버전은 더욱 견고한 프레임 헤더와 프레임 트레일러 패킷을 추가할 예정입니다.


넓은 머신 비전 케이블 시장에서 USB 3.1과 Thunderbolt와 같은 많은 표준이 표준 케이블이 필요할 것이고, 긴 거리를 달성하기 위한 새로운 방법을 볼 것으로 전망하면서 곧 무선 애플리케이션 역시 개발되고 있습니다.


 “대역폭과 데이터 속도는 현재 무선 기술을 활용하기에 큰 제한 요소입니다. 향후 10년 이내에 이러한 장벽을 극복할 수 있는 몇 가지 새로운 솔루션을 확인할 수 있을 것으로 생각합니다.”