板級(jí)攝像頭集成指南

簡(jiǎn)介

功能強(qiáng)大的精簡(jiǎn)型單板計(jì)算機(jī)的推出催生了令人興奮的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在通過小型化優(yōu)化成本及(或)效率的應(yīng)用中，它的效用尤為明顯。另外，視覺系統(tǒng)可以利用功能全面的板級(jí)機(jī)器視覺攝像頭進(jìn)一步縮小產(chǎn)品總體尺寸并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行靈活性，同時(shí)還支持定制或非標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)部件。典型示例有：醫(yī)療診斷、計(jì)量、機(jī)器人技術(shù)、嵌入式視覺、包裝和印刷檢查、手持式掃描儀、臺(tái)式實(shí)驗(yàn)室和其他空間受限的系統(tǒng)。

本文涵蓋選擇嵌入式視覺攝像頭時(shí)需考慮的數(shù)個(gè)重要方面，包括功能組、外形因素和物理占用空間、接口選項(xiàng)、透鏡支架、軟件支持、熱管理以及電磁兼容性。

外形因素和功能組

從封裝相機(jī)轉(zhuǎn)換為板級(jí)相機(jī)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真考慮其成像和相機(jī)性能要求。許多小型板級(jí)相機(jī)僅支持低分辨率傳感器、少量 GPIO 線路以及有限的相機(jī)內(nèi)部功能。相反，許多全功能機(jī)器視覺相機(jī)的板級(jí)型號(hào)僅僅是拆除了外殼的標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)。雖然這些相機(jī)可能會(huì)達(dá)到所需的成像性能，但它們的尺寸可能不會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)封裝型號(hào)小巧多少。這類相機(jī)經(jīng)常采用標(biāo)準(zhǔn)的 GPIO 和接口連接器，因體積較大而不適合嵌入式應(yīng)用。例如，傳統(tǒng)工業(yè)鎖定連接器的尺寸便與一臺(tái) Blackfly S 板級(jí)攝像頭一般大小。

FLIR 的 Blackfly S 板級(jí)攝像頭整體上就是為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它們的外形尺寸十分緊湊，僅為 29mm x 29mm x 10mm，可提供相同的成像性能和封裝式 Blackfly S 型號(hào)的完整豐富功能;而緊湊型 GPIO 和接口連接器則額外節(jié)省了空間。FLIR 嵌入式視覺攝像頭產(chǎn)品的另一重要優(yōu)勢(shì)是使用 1/3” 至 1.1” 尺寸傳感器的所有攝像頭因外形系數(shù)相同而可用性良好——多種攝像頭型號(hào)采用一致的外形系數(shù)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)及未來產(chǎn)品變型的開發(fā)與升級(jí)。

透鏡支架

對(duì)于希望集成非標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件或?qū)D像傳感器盡可能靠近目標(biāo)放置的客戶而言，板級(jí)相機(jī)是一個(gè)具有吸引力的選擇。板級(jí)相機(jī)沒有固定的透鏡支架，設(shè)計(jì)人員可自由選擇除機(jī)器視覺行業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn) C、CS 或 S 接口透鏡以外的光學(xué)元件。對(duì)于通常無(wú)需透鏡的生物技術(shù)和激光束分析應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)也非常適合。板級(jí)攝像頭的另一種常用應(yīng)用是將透鏡支架集成到另一產(chǎn)品部件中——“嵌入式視覺攝像頭”的名稱由此而來。另外，采用模塑成型的方式將透鏡支架直接集成到產(chǎn)品外殼可有效簡(jiǎn)化制造和組裝，從而進(jìn)一步降低成本。為了評(píng)估未配備透鏡支架的板級(jí)相機(jī)，還應(yīng)購(gòu)買安裝配件。如果封裝型號(hào)具有與板級(jí)型號(hào)相同的傳感器和功能，它們便可用作開發(fā)平臺(tái)。

為板級(jí)攝像頭選擇正確的透鏡支架選件時(shí)，其中一個(gè)最重要的因素是所使用的傳感器的尺寸。通常，S 型支架透鏡設(shè)計(jì)用于 1/3" 或更小的低分辨率(通常低于 2MP)傳感器。CS 型支架透鏡則設(shè)計(jì)用于 1/3” 至 1/2” 的傳感器。如果傳感器尺寸是 1/2” 或以上，最好使用 C 型支架透鏡。

熱管理

封裝機(jī)器視覺相機(jī)依靠其外殼表面區(qū)域來消散傳感器、FPGA 和其他組件產(chǎn)生的熱量。如果沒有外殼，對(duì)高性能板級(jí)相機(jī)可能會(huì)有其他設(shè)計(jì)要求，從而確保其在推薦溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。這種情況下，提供足夠的散熱是關(guān)鍵所在。制造商通常會(huì)為溫度最高的組件提供最高結(jié)溫。對(duì)于FLIR Blackfly S 攝像頭，規(guī)定的 FPGA 的最高結(jié)溫為 105 攝氏度(221 華氏度)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確保其熱管理解決方案符合此指標(biāo)。散熱器尺寸、相機(jī)所安裝的機(jī)架表面積或所需主動(dòng)散熱器的類型取決于傳感器、幀速率、運(yùn)行環(huán)境及正在執(zhí)行的相機(jī)圖像處理數(shù)量。為便于在攝像頭上安裝散熱器，我們推薦在導(dǎo)熱墊上使用散熱膏，盡可能減少板對(duì)攝像頭的應(yīng)力。

外殼設(shè)計(jì)和快速原型制作

多數(shù)情況下，板級(jí)攝像頭直接集成到嵌入式視覺系統(tǒng)/產(chǎn)品中，不需要外殼。但對(duì)于攝像頭不與某一產(chǎn)品集成而使內(nèi)部暴露在元件下的應(yīng)用，可能有必要通過外殼防止損壞?？焖僭椭谱髦校度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)師可以用 3D 打印機(jī)輕松設(shè)計(jì)打印一個(gè)攝像頭外殼，或使用足以容納攝像頭的通用塑料外殼，然后通過墊片和安裝支架將攝像頭安裝到位。

接口和連接器

第一代 USB 3.1 是嵌入式系統(tǒng)的理想接口。其通用化功能可確保為從臺(tái)式計(jì)算機(jī)到基于 ARM 處理器的單板計(jì)算機(jī) (SBC) 等各類硬件提供支持。直接存儲(chǔ)器訪問 (DMA) 無(wú)需使用過濾器驅(qū)動(dòng)程序，便可將延遲保持在最低限度。第一代 USB 3.1 還采用單根電纜供電并可提供高達(dá) 480 MB/s 的數(shù)據(jù)吞吐量，有效地簡(jiǎn)化了機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的一個(gè)重要目的包括現(xiàn)有設(shè)計(jì)的小型化。在這種情況下，電纜最大長(zhǎng)度就遠(yuǎn)不如電纜和連接器體積重要。撓性印制電路 (FPC) 電纜采用長(zhǎng)達(dá) 30 米的電纜，支持第一代 USB 3.1。FPC 電纜顧名思義指的是可以彎曲扭轉(zhuǎn)以適應(yīng)緊密包裝系統(tǒng)的電纜。另外，高品質(zhì)鎖定連接器和帶鎖凸耳的 FPC 屏蔽電纜可確保高度安全、可靠的連接。

不過 USB 3.1 接口有一個(gè)潛在的弊病，它的高頻信號(hào)會(huì)對(duì)無(wú)線設(shè)備造成高達(dá) 5 GHz 的干擾(如 GPS 信號(hào))。對(duì)于使用此類無(wú)線頻率的應(yīng)用，我們也提供帶 GigE 接口的 FLIR 板級(jí)攝像頭。

MIPI CSI 是另一種許多嵌入式主板使用的通用接口。但與 USB 相比，MIPI 協(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性可能會(huì)使得開發(fā)更加耗時(shí)。基于低壓差分信號(hào) (LVDS) 的接口同樣可用，而且專為直接連接主機(jī)端 FPGA 而設(shè)計(jì);但每個(gè)信號(hào)傳輸通道需要兩條電線——這在某些應(yīng)用中是一個(gè)微小卻又重大的弊端。

軟件支持

選擇用于嵌入式系統(tǒng)的相機(jī)時(shí)，軟件支持是一個(gè)不容忽視的重要考慮因素。有了支持臺(tái)式和嵌入式系統(tǒng)的 SDK，設(shè)計(jì)人員能夠通過熟悉的工具輕松自如地開發(fā)視覺應(yīng)用程序，并輕松地將其部署到所選擇的嵌入式平臺(tái)上。FLIR 的 Spinnaker SDK 可為基于 x86、x64 和 ARM 處理器的 Windows 和 Linux 臺(tái)式系統(tǒng)提供支持。

電磁兼容性

如果沒有外殼提供的屏蔽作用，板級(jí)相機(jī)的電磁兼容性 (EMC) 與封裝型號(hào)會(huì)有所差異。所有封裝的 FLIR 機(jī)器視覺攝像頭均經(jīng)過了 EMC 認(rèn)證;不過板級(jí)攝像頭尚未進(jìn)行該認(rèn)證。這些板級(jí)攝像頭要嵌入其他產(chǎn)品/系統(tǒng)，因此需單獨(dú)對(duì)成品進(jìn)行認(rèn)證。無(wú)論是哪種應(yīng)用，我們都建議它們和其他電氣組件那樣遵循電磁干擾 (EMI) 管理最佳實(shí)踐。

結(jié)論

板級(jí)攝像頭對(duì)嵌入式視覺系統(tǒng)的革新，使緊湊多功能的創(chuàng)新性產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加自由和靈活。除本文提出的因素外，還要注意使用高質(zhì)量傳感器、光學(xué)元件和可靠部件，讓您的嵌入式系統(tǒng)適應(yīng)未來。FLIR 的全系列板級(jí)攝像頭專為這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)，提供業(yè)界領(lǐng)先的 3 年質(zhì)保。我們的機(jī)器視覺專家可以幫助您針對(duì)嵌入式系統(tǒng)選擇正確成像性能和外形因素等級(jí) 。