Machine vision: guida all’integrazione di telecamere board level

Foto: Flir System

Scopri gli aspetti più importanti da considerare prima di scegliere una telecamera per visione incorporata, dal set di funzionalità al fattore di forma e all'ingombro fisico, per passare poi alle opzioni di interfaccia, al montaggio degli obiettivi, al supporto software, alla gestione termica e alla compatibilità elettromagnetica.

Introduzione

La disponibilità di computer a scheda singola potenti e compatti sta aprendo la strada a nuovi prodotti dal design estremamente interessante. Ciò è particolarmente vero nel caso di applicazioni in cui la miniaturizzazione riduce i costi e/o migliora l'efficienza.

Inoltre, i sistemi di visione sono in grado di sfruttare al meglio le telecamere dei sistemi di visione board level dotate di funzionalità complete per ridurre ulteriormente le dimensioni complessive dei prodotti e offrire un'eccellente flessibilità operativa, supportando nel contempo ottiche personalizzate o non standard.

Flir guida all installazione di telecamere
Foto: Flir System

Alcuni esempi tipici sono la diagnostica medica, la metrologia, la robotica, la visione integrata, il controllo di packaging e stampa, gli scanner portatili, i laboratori da banco e altri sistemi compatti.

Fattore di forma e set di funzionalità disponibili

Quando si passa dalle telecamere in custodia alle telecamere board level, i progettisti di sistemi devono considerare con attenzione i requisiti in termini di produzione di immagini e prestazioni della telecamera.

Molte delle telecamere board level più piccole supportano solo sensori a risoluzione ridotta, poche linee GPIO a funzionalità limitate integrate nella telecamera. D'altra parte, le varianti board level di molte telecamere per machine vision dotate di funzionalità complete non sono altro che telecamere standard prive di custodia.

Flir guida all installazione di telecamere
Foto: Flir System

Le telecamere di questo tipo assicurano magari il livello di prestazioni richiesto, ma non sono molto più piccole dei modelli standard completi di custodia. Queste telecamere spesso sono dotate di connettori GPIO e di interfaccia standard particolarmente ingombranti e non ideali per le applicazioni incorporate. Ad esempio, i soli connettori di blocco industriali tipici occupano all'incirca lo stesso spazio di una telecamera board level Blackfly S.

Le telecamere Blackfly S board level di Flir sono state progettate ex novo proprio in considerazione dei nuovi sistemi incorporati. Queste telecamere offrono le medesime prestazioni in termini di imaging e il medesimo ricco set di funzionalità disponibili sui modelli Blackfly S con custodia in un fattore di forma compatto di 29x29x10 mm.

I connettori GPIO e di interfaccia inoltre assicurano un ulteriore risparmio di spazio. Un altro importante vantaggio della linea di telecamere di visione Flir è la disponibilità dello stesso fattore di forma per tutte le telecamere sull'intera gamma da 1/3" a 1,1".

Un fattore di forma coerente su più modelli di telecamera semplifica di gran lunga lo sviluppo e l'aggiornamento di sistemi e varianti future dei prodotti.

Attacco dell'obiettivo

Le telecamere board level rappresentano un'opzione particolarmente gradita per i clienti che intendono integrare ottiche non standard o posizionare un sensore di immagini quanto più vicino possibile al target.

Senza un attacco dell'obiettivo fisso, le telecamere board level garantiscono ai progettisti la massima libertà di scelta delle ottiche diverse dalle C, CS o S standard in genere utilizzate nel settore della machine vision. Questo design è inoltre ideale nel campo delle biotecnologie e della profilazione a raggio laser, applicazioni per le quali spesso non si utilizza alcun obiettivo.

Un'altra applicazione comune per le telecamere board level prevede l'integrazione dell'attacco dell'obiettivo in un'altra parte del prodotto, da cui deriva la definizione "telecamera di visione incorporata".

L'integrazione di un attacco dell'obiettivo direttamente nella custodia del prodotto, inoltre, consente di ridurre ulteriormente i costi semplificando la produzione e l'assemblaggio. Per valutare una telecamera board level fornita senza un attacco dell'obiettivo, è necessario acquistare anche un accessorio per l'attacco.

Se esistono modelli con custodia dotati di sensori e funzionalità identici a quelli dei modelli board level, questi si possono utilizzare come piattaforme di sviluppo.

Al momento di scegliere l'attacco dell'obiettivo ideale per una telecamera board level, uno dei fattori più importanti da considerare sono le dimensioni del sensore che si utilizza. In generale, gli obiettivi con attacco a S sono progettati per l'uso con sensori da 1/3" o più piccoli, con risoluzioni ridotte, in genere meno di 2 MP.

Gli obiettivi con attacco CS d'altro canto sono progettati per l'uso con sensori compresi tra 1/3" e 1/2". Se il sensore è da 1/2" o ancora più grande, è preferibile utilizzare un obiettivo con attacco a C.

Foto: Flir Systems

Gestione termica

Le telecamere per machine vision con custodia dissipano il calore prodotto da sensore, Fpga e altri componenti attraverso la superficie della custodia.

In assenza di una custodia, le telecamere board level a prestazioni elevate potrebbero avere ulteriori requisiti di progettazione per garantire il funzionamento entro i limiti di temperatura raccomandati. In tali casi, è fondamentale garantire una dissipazione adeguata del calore.

I produttori in genere indicano una temperatura massima della giunzione per questo componente. Sulle telecamere Flir Blackfly S la temperatura massima della giunzione del Fpga specificata è di 105 °C.

I progettisti di sistemi devono garantire che la propria soluzione di gestione termica soddisfi queste linee guida. Le dimensioni del dissipatore, l'area superficiale del telaio su cui è montata la telecamera o il tipo di sistema di raffreddamento attivo necessari dipenderà da sensore, frame rate, ambiente operativo e quantità di elaborazione delle immagini eseguita dalla telecamera.

Per collegare il dissipatore alla telecamera, consigliamo di utilizzare della pasta termica stesa su uno zoccolo termico, per ridurre al minimo lo stress per la scheda sulla telecamera.

Progettazione della custodia e prototipazione rapida

Nella maggior parte dei casi, le telecamere board level sono incorporate direttamente in un sistema/prodotto di visione e l'uso di una custodia non è richiesto. Tuttavia, nel caso di applicazioni in cui la telecamera non viene integrata nel prodotto e, quindi, i componenti interni della telecamera restano esposti agli elementi, è consigliabile utilizzare una custodia per evitare danni.

Per la prototipazione rapida, i progettisti di sistemi incorporati possono progettare e stampare con facilità una custodia per la telecamera utilizzando stampanti 3D o utilizzare custodie generiche in materiale plastico in grado di incapsulare la telecamera e montarla quindi in posizione con spaziatori e staffe.

Connettori e interfacce

L'interfaccia Usb 3.1 Gen 1 è ideale per i sistemi incorporati. La sua diffusione garantisce il supporto su una gamma di componenti hardware diversificata, dai pc desktop ai computer a scheda singola basati su Arm (Sbc).

L'accesso diretto alla memoria (Dma, Direct Memory Access) riduce al minimo la latenza senza dover utilizzare driver di filtro. L'interfaccia USB 3.1 Gen 1 inoltre fornisce alimentazione elettrica e trasporta fino a un massimo di 480 MB/s di dati su un unico cavo, semplificando la progettazione sia meccanica che elettrica.

Un obiettivo fondamentale dei progettisti di sistemi incorporati è spesso la miniaturizzazione di prodotti già esistenti. In questi casi la lunghezza massima del cavo è molto meno importante del volume occupato da cavo e connettore.

I cavi Fpc (Flexible Printed Circuit, circuito stampato flessibile) supportano la connessione Usb  3.1 Gen 1 su cavi di lunghezza fino a 30 m. Come il nome stesso suggerisce, i cavi Fpc sono flessibili e si possono piegare e avvolgere in modo da adattarsi a sistemi particolarmente piccoli. Inoltre i connettori di blocco di alta qualità e i cavi Fpc schermati con linguette di blocco garantiscono una connessione sicura e affidabile.

Tuttavia, un potenziale inconveniente dell'interfaccia Usb 3.1 è la sua natura di segnale a ad alta frequenza, che può causare interferenze sui dispositivi wireless fino a 5 GHz (ad esempio, il segnale Gps). Per le applicazioni che utilizzano questo tipo di frequenze wireless, Flir propone le telecamere board level Flir con interfacce GigE.

La MIPI CSI è un'altra interfaccia comune su molte schede incorporate. Tuttavia, la complessità del protocollo e dei driver MIPI può prolungare i tempi di sviluppo rispetto all'interfaccia Usb.

Sono anche disponibili le interfacce basate su Lvds (Low-Voltage Differential Signalling, segnalazione differenziale a bassa tensione), progettate per interfacciarsi direttamente con un Fpga lato host; tuttavia, ogni canale di trasmissione del segnale richiede due fili, un piccolo ma importante inconveniente in alcune applicazioni.

Supporto software

Quando si sceglie una telecamera da utilizzare in un sistema incorporato, il supporto del software è un fattore importante che non deve essere ignorato.

Un Sdk che supporti i sistemi sia desktop sia incorporati offre ai progettisti la libertà di sviluppare le proprie applicazioni di visione con strumenti familiari e di implementarle sulla piattaforma incorporata preferita.

Lo Spinnaker Sdk di Flir offre supporto per i sistemi desktop Windows e Linux basati su x86, x64 e Arm.

Compatibilità elettromagnetica

Senza la schermatura garantita da una custodia, la compatibilità elettromagnetica (EMC) delle telecamere board level risulta diversa rispetto ai modelli dotati di custodia.

Tutte le telecamere per machine vision dotate di custodia prodotte da Flir sono certificate Emc, ma le telecamere board level non sono certificate allo stesso modo. Poiché le telecamere board level sono incorporate in altri prodotti/sistemi, è necessario certificare separatamente il prodotto finale.

Indipendentemente dall'applicazione, è sempre consigliabile attenersi alle best practice per la gestione delle interferenze elettromagnetiche (EMI), come per qualsiasi altro componente elettrico.

Conclusione

Le telecamere board level stanno rivoluzionando i sistemi di visione incorporati, poiché offrono la libertà e la flessibilità necessarie per progettare prodotti innovativi compatti e versatili.

Oltre ai fattori illustrati in questo articolo, è importante proteggere dagli sviluppi futuri il proprio sistema incorporato utilizzando sensori, ottiche e componenti affidabili e di alta qualità.

L'intera gamma di telecamere board level di Flir è stata progettata ex novo proprio per tenere conto di queste applicazioni e viene fornita con una garanzia di tre anni leader del settore. Gli esperti Flir di machine vision sono sempre a disposizione per assistere nella scelta del livello di prestazioni di imaging più adeguato e del fattore di forma ottimizzato per qualsiasi sistema incorporato.

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