當要同時滿足日益嚴格的質量要求和極快的檢查速度時，PC的總線傳輸最后可能陷入堵塞和停滯。本文將Basler公司的Websight系統(tǒng)作為研究案例來說明現成的元器件是如何能以更少的成本提供出眾的系統(tǒng)性能，這兩方面對任何檢查系統(tǒng)都是關鍵要素。
Basler公司(位于德國Ahrensburg)是工業(yè)圖像處理系統(tǒng)的領先制造商。從2001年公司就開始為連續(xù)剝離材料開發(fā)以Websight命名的檢查系統(tǒng)。Basler公司的目標用戶是特殊的技術薄片(例如用于TFT LCD顯示器的極化薄膜)制造商。這些用戶必須檢查100%的薄片表面并遵守嚴格的質量標準。
這個有著巨大壓力的市場經常要求生產廠商執(zhí)行24/7(即每天24小時，每周7天)的生產計劃，因此擁有一個高性能的連續(xù)檢查系統(tǒng)非常重要。這種解決方案必須有極高的可靠性，因為檢查系統(tǒng)中的任何故障都會立即導致生產的中斷。另外，從客戶的立場看，能夠節(jié)省空間的安裝方式也是非常重要的，因為大多數系統(tǒng)都放置在無塵室中。
Basler的Websight系統(tǒng)必須以50um分辨率、30米/分鐘的速度檢查那些薄片。薄片的寬度最高可達160厘米。根據這一規(guī)格要求，第一代Websight系統(tǒng)裝備了9個行掃描照相機，每個照相機具有4,096個像素，可產生41MHz的數據速率(圖1)。
Websight作為最終用戶生產線的重要組成部分在多個方面占據著重要地位。除了完成實際故障識別外，Basler的Websight開發(fā)團隊還特別優(yōu)先考慮設計文檔化和報告功能，全面的分析和報告功能不僅為客戶提供了滿足他們質量要求的100%文檔，而且能夠為質量改進措施的決策過程提供所需的數據。
采用新總線系統(tǒng)的考慮
Basler公司最初是采用下面所列的系統(tǒng)結構來滿足上述要求的。每個行掃描照相機有它自己的幀捕捉器(基于PCI總線)，考慮到PCI總線的帶寬，每個幀捕捉器都要擁有自己的PC。被提議的原型系統(tǒng)由以下幾部分組成：
1. 9個行傳感器照相機，每個照相機有4,096個像素；
2. 9個PCI總線幀捕捉器；
3. 一個網絡中有9臺PC；
4. 由Basler開發(fā)的特殊的燈具，可在低溫下提供均勻的高流明亮度等級。
這種解決方案性能很穩(wěn)定，但成本也非常高。在部署后不久，系統(tǒng)運行顯然已非常接近其性能極限。PC網絡消耗了分析真正需要的大部分處理能力。另外，客戶機的數量也降低了系統(tǒng)的實時性能。
圖1：Basler公司的Websight系統(tǒng)(照片來自Basler公司)。
移植到Windows XP下可以在某種程度上緩解該，但不可避免會導致系統(tǒng)設計的重新構建。因此接下來的目標是大量地減少PC和幀捕捉器的數量，同時仍需要提高性能以滿足未來的系統(tǒng)升級。
Basler公司的開發(fā)團隊希望將Camera Link繼續(xù)保留用作照相機的接口。在這個思想指導下，他們實現了帶寬得到極大提高的新總線系統(tǒng)，即PCI-X和PCI-Express(PCIe)。通過對市場的仔細調查他們清楚地發(fā)現，PCIe x4插槽可以提供足夠的帶寬來控制具有40MHz以上數據速率的兩個照相機，但目前市場上只有提供一個x4插槽的PCIe母板。從理論上講，實現PCIe可以減少一半的PC數量(一個捕捉器帶2個照相機，一臺PC帶一個捕捉器)。而另一方面，PCI-X已經提供了單個插槽所要求的數據速率(PCI-X/133MHz插槽帶寬最高達1Gbps)，因此允許在單個系統(tǒng)中使用多個捕捉器。PCI-X解決方案的缺點是目前的PCI-X計算機數量還相當有限，而且價格非常高。理想的解決方案要求成像硬件在合適的母板上市時就盡快地遷移到PCIe。
成像硬件的理想選擇
在此背景下，Basler公司的開發(fā)團隊決定采用Matrox Imaging Camera Link幀捕捉器—Matrox Solios XCL作為成像硬件的理想選擇。Matrox Solios是同時支持PCI-X和PCIe(Maxtrox Solios eCL)的高性能幀捕捉器系列，內含一個在幀捕捉器中越來越常見的FPGA。由于FPGA能夠通過編程實現對輸入圖像數據的預處理，因此系統(tǒng)資源可更輕松地應對密集的處理操作。
Basler公司發(fā)現，采用Matrox Solio XCL(支持PCI-X)后Websight系統(tǒng)可以控制連接到單個PC中三個幀捕捉器上的6個照相機，每個系統(tǒng)可以節(jié)省7臺PC和4個幀捕捉器!
Basler公司目前已經交付了3個系統(tǒng)，節(jié)省了21臺PC和15個幀捕捉器的成本。更多的成本節(jié)省將來自大為簡化的系統(tǒng)結構、更容易的安裝和投入使用以及運輸物流與備件庫存。銷售人員憑借新技術還可以開拓新的市場，因為這樣的系統(tǒng)總是能通過重新配置滿足更多的要求。
前景展望
選用Matrox Solios幀捕捉器后，Basler可以很容易地集成新的6k像素和8k像素分辨率的行掃描照相機。
今后可能要求降低到25μm以實現大約2倍的分辨率，從而會將速度提高到兩倍，并產生對更多數量高數據速率照相機的需求。通過開發(fā)高度靈活的系統(tǒng)，Basler可以輕松滿足現在和未來的各種客戶要求，包括集成更多的照相機，適應不同系統(tǒng)制造商的不同機器以及塑膠加工所采用的不同機器。
為系統(tǒng)中的圖像處理選擇軟硬組件從來都不是件容易的事，必須仔細斟酌。除了上述討論的實際考慮因素外，在強調“服務”的原則下一般還需要考慮規(guī)格的比較和許多其它重要評判標準。這包括了對問題的技術支持、交貨的可靠性和產品長期可用性、供應商滿足特殊要求的意愿和能力。
總之，新的總線系統(tǒng)在圖像處理方面具有極大的優(yōu)勢。然而就像以往那樣，各個組件之間必須要很好地相互適應。Basler公司成功地利用Matrox Solios幀捕捉器使得性能和穩(wěn)定性實現了最大化，同時顯著地降低了系統(tǒng)成本。同時公司還創(chuàng)建了也能滿足新要求的平臺。例如通過遷移到PCIe，仍有進一步節(jié)省成本的潛力。
最后，對Basler公司來說，客戶利益至關重要。Basler公司的產品除了能夠節(jié)省無塵室內寶貴的空間外，其更簡化的結構、更快的安裝和投入使用對最終客戶來說都是很明顯的優(yōu)勢。
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