Изготовление печатных плат машинного зрения для промышленных камер

Камеры машинного зрения захватывают изображения для автоматизированного контроля, наведения и измерения с частотой кадров от нескольких Гц до тысяч кадров в секунду. Печатная плата должна взаимодействовать с датчиками изображения, обрабатывать и передавать гигабайты данных изображения в секунду и реагировать на внешние триггеры с точностью до микросекунды — и все это в рамках тепловых и механических ограничений компактных корпусов камер.

В этом руководстве рассматриваются вопросы проектирования печатных плат, определяющие производительность и надежность камер машинного зрения в промышленных условиях.

В этом руководстве

Проектирование интерфейса датчика изображения
Архитектура высокоскоростного тракта данных
Триггер и синхронизация
Управление питанием для датчиков
Управление температурой в компактных корпусах
Реализация промышленного интерфейса

Проектирование интерфейса датчика изображения

КМОП-датчики изображения выводят данные через параллельные интерфейсы LVDS, протоколы MIPI CSI-2 или Sub-LVDS со скоростью передачи данных, достигающей нескольких гигабит в секунду. Интерфейс печатной платы должен поддерживать целостность сигнала от датчика к ПЛИС или процессору посредством трассировки с контролируемым импедансом и жестким согласованием длины.

Интерфейсы датчиков LVDS используют несколько дифференциальных пар, передающих тактовый сигнал и данные со скоростью от 200 Мбит/с до 1 Гбит/с на полосу. Перекос между полосами данных и тактовым сигналом влияет на надежность захвата данных — типичные требования указывают перекос между полосами в пределах 0,1 UI (единичного интервала), что соответствует согласованию длины дорожки в несколько миллиметров для высокоскоростных интерфейсов.

Интерфейсы MIPI CSI-2 обеспечивают стандартизированные соединения с высокой пропускной способностью, но требуют тщательного внимания к контролю импеданса и согласованию. Методы проектирования высокоскоростных печатных плат для этих интерфейсов включают трассировку с контролируемым импедансом, правильные переходы через переходные отверстия и внимание к непрерывности обратного пути.

Требования к интерфейсу датчика

Контроль импеданса: 100 Ом дифференциальный для LVDS; 85-100 Ом дифференциальный для MIPI CSI-2 в зависимости от версии спецификации.
Согласование длины: Внутрипарное согласование в пределах 2 мил; согласование между полосами в соответствии с требованиями к синхронизации датчика.
Опорные плоскости: Неразрывные опорные плоскости под высокоскоростными дорожками; контролируемые переходы через переходные отверстия.
Согласование: Согласование на кристалле обычно для датчиков; внешнее согласование, если требуется спецификацией интерфейса.
Фильтрация питания: Разделяйте аналоговое и цифровое питание датчика с соответствующей фильтрацией.
Монтаж датчика: Контролируемое выравнивание датчика относительно платы для оптической точности.

Архитектура высокоскоростного тракта данных

Данные изображения поступают от датчика через обработку ПЛИС на выходной интерфейс с устойчивой скоростью в несколько гигабит в секунду. 5-мегапиксельный датчик при 100 кадрах в секунду с глубиной 10 бит генерирует 5 Гбит/с непрерывных данных. Тракты данных печатной платы должны поддерживать эту пропускную способность, не создавая проблем с температурой или целостностью сигнала.

Выбор ПЛИС балансирует пропускную способность ввода-вывода, ресурсы обработки и энергопотребление. Высокоскоростные последовательные приемопередатчики (5-10 Гбит/с на канал) обрабатывают выходы Camera Link, CoaXPress или 10GigE. Стек многослойной печатной платы должен поддерживать несколько высокоскоростных интерфейсов, управляя перекрестными помехами и поддерживая контроль импеданса.

Интерфейсы памяти для кадровых буферов добавляют дополнительную высокоскоростную трассировку. Интерфейсы DDR3/DDR4 требуют тщательного внимания к синхронизации, в то время как новые варианты HyperRAM или LPDDR4x предлагают более простую трассировку при достаточной пропускной способности для многих приложений.

Проектирование тракта данных

Планирование ввода-вывода ПЛИС: Группируйте связанные интерфейсы в одном банке ПЛИС; планируйте питание в соответствии с требованиями банка.
Интерфейс памяти: Ограничения синхронизации DDR определяют назначение слоев печатной платы и правила трассировки.
Высокоскоростная трассировка: Микрополосковая линия для трассировки верхнего слоя; полосковая линия для внутренних слоев с контролируемой связью.
Переходы через переходные отверстия: Переходные отверстия с обратным сверлением или глухие/скрытые минимизируют «пеньки» для мультигигабитных сигналов.
Целостность питания: Проектирование PDN поддерживает требования к переходному току от ПЛИС и памяти.
Бюджет перекрестных помех: Расстояние и экранирование поддерживают перекрестные помехи ниже запаса шума интерфейса.

Триггер и синхронизация

Приложения машинного зрения часто требуют точной синхронизации между захватом изображения и внешними событиями — стробоскопами, положением детали или командами контроллера движения. Камера должна реагировать на триггерные входы с известной минимальной задержкой и, возможно, должна синхронизировать несколько камер для стерео- или многоракурсной съемки.

Входные цепи триггера должны подавлять электрический шум, распространенный в заводских условиях, обеспечивая при этом быструю реакцию. Оптопара защищает электронику камеры, но добавляет задержку распространения; высокоскоростные цифровые изоляторы обеспечивают более быструю реакцию, когда требуется изоляция. Входная фильтрация должна пропускать допустимые фронты триггера, подавляя шум.

Синхронизация кадров между несколькими камерами использует аппаратное распределение триггеров или IEEE 1588/PTP. Чтобы сохранить чистоту тактовых сигналов и краткость выходов вокруг PHY с мелким шагом и разъемов, многие проекты выигрывают от изготовления печатных плат HDI.

Проектирование системы триггера

Входные характеристики: Диапазон входного напряжения 5-24 В типичен для промышленной совместимости; настраиваемая полярность фронта.
Устранение дребезга: Аппаратное или программное устранение дребезга подавляет дребезг контактов без чрезмерной задержки.
Спецификация задержки: Документированная задержка от триггера до экспозиции со спецификацией джиттера.
Варианты изоляции: Оптопара или цифровой изолятор для защиты контура заземления.
Выход стробоскопа: Синхронизированный выход триггера стробоскопа с программируемым смещением синхронизации.
Синхронизация нескольких камер: Аппаратное распределение триггеров или корреляция временных меток PTP.

Управление питанием для датчиков

Источники питания датчика изображения напрямую влияют на качество изображения. Шум на аналоговых источниках проявляется как шум фиксированного шаблона на захваченных изображениях; пульсация питания на определенных частотах создает видимые артефакты полос. Распределение питания печатной платы должно обеспечивать чистое, стабильное питание для достижения спецификаций производительности датчика.

Крупные датчики изображения потребляют 1-3 Вт, создавая локальный нагрев, который влияет на темновой ток и шумовые характеристики. Требования к последовательности подачи питания от производителей датчиков должны соблюдаться точно — неправильная последовательность может повредить датчики или вызвать защелкивание. Проектирование силовой электроники должно соответствовать требованиям как к качеству, так и к последовательности.

Камеры Power-over-Ethernet (PoE) получают рабочее питание от соединения Ethernet, устраняя отдельную проводку питания. Печатная плата должна включать схему PoE PD (питаемого устройства) с изолированным преобразованием CC-CC для удовлетворения требований к питанию датчика.

Проектирование питания для датчиков изображения

Шум питания: Аналоговые источники требуют пульсации <10 мВ (размах); более жесткие требования для научных камер.
LDO против импульсных: LDO обеспечивают меньший шум; импульсные допустимы при наличии адекватной фильтрации.
Последовательность: Последовательность подачи питания согласно техническому описанию датчика; последовательность на основе мониторинга для сложных требований.
Объемная емкость: Адекватная емкость для переходного тока во время считывания датчика.
Тепловая координация: Расположение рассеиваемой мощности влияет на тепловую среду датчика.
Интеграция PoE: Интерфейс IEEE 802.3af/at PD с изолированным CC-CC для камер PoE.

Печатная плата машинного зрения

Управление температурой в компактных корпусах

Камеры машинного зрения упаковывают электронику со значительным рассеиванием мощности — 10-25 Вт типично для промышленных камер — в компактные корпуса, в которых может отсутствовать вентиляция. Тепловая конструкция печатной платы должна проводить тепло к поверхностям корпуса для рассеивания, поддерживая температуру датчика в рабочих пределах.

Температура датчика изображения влияет на шумовые характеристики. Темновой ток удваивается примерно каждые 6-8°C, увеличивая уровень шума при повышенных температурах. Критические приложения могут потребовать активного охлаждения (TEC) для поддержания постоянной температуры датчика; печатная плата должна поддерживать подачу питания TEC и мониторинг температуры.

Тепловая конструкция печатной платы должна балансировать требования к распределению тепла с целостностью высокоскоростного сигнала. Тяжелые медные плоскости улучшают теплопроводность, но могут влиять на контролируемый импеданс; тщательная конструкция стека обеспечивает выполнение как тепловых, так и электрических требований.

Подходы к тепловому проектированию

Распределение тепла: Медные плоскости проводят тепло от локализованных источников к зонам контакта корпуса.
Тепловой интерфейс: Тепловые прокладки или заполнители зазоров передают тепло от печатной платы к корпусу.
Размещение компонентов: Горячие компоненты размещаются для эффективных путей тепла; чувствительные схемы в более прохладных зонах.
Тепловой путь датчика: Выделенный тепловой путь от датчика к корпусу, возможно, через металлический носитель.
Поддержка TEC: Схемы управления TEC и мониторинг температуры для охлаждаемых датчиков.
Учет воздушного потока: Для камер с вентиляцией размещение компонентов учитывает схемы воздушного потока.

Реализация промышленного интерфейса

Камеры машинного зрения подключаются к хост-системам через интерфейсы GigE Vision, Camera Link, CoaXPress или USB3 Vision. Каждый интерфейс имеет различные требования к печатной плате для целостности сигнала, выбора разъема и подачи питания.

Камеры GigE Vision используют стандартный Ethernet PHY с магнитами промышленного класса и разъемами. M12 или RJ45 с винтовой фиксацией с удержанием кабеля справляются с вибрацией и натяжением кабеля. Компоновка PHY и трансформатора следует изготовлению высокоскоростных печатных плат для целостности сигнала и ЭМС.

Камеры CoaXPress передают видео с высокой пропускной способностью по коаксиальному кабелю с подачей питания по тому же кабелю. Интерфейс печатной платы включает высокоскоростной сериализатор, коаксиальный драйвер и схемы извлечения питания PoCXP.

Реализация интерфейса

GigE Vision: Промышленный Ethernet PHY; блокируемые разъемы M12 или RJ45; изоляция 1500 В (ср. кв.).
Camera Link: Параллельный интерфейс LVDS; разъемы MDR26 или SDR26; коррекция кабеля для длинных кабелей.
CoaXPress: Высокоскоростной SERDES; коаксиальный разъем и драйвер; извлечение питания для PoCXP.
USB3 Vision: Контроллер USB 3.0; разъемы USB с винтовой фиксацией для промышленного удержания.
Интерфейс GPIO: Изолированный цифровой ввод-вывод для триггерного входа и выхода стробоскопа.
Интерфейс конфигурации: Последовательный интерфейс для конфигурации камеры и обновления прошивки.

Резюме

Проектирование печатных плат камер машинного зрения интегрирует высокоскоростные интерфейсы датчиков, гигабитные тракты данных, точную синхронизацию и управление температурой в компактные пакеты, которые должны надежно работать в промышленных условиях. Сочетание проблем целостности сигнала, требований к качеству питания и тепловых ограничений в ограниченных объемах создает сложности проектирования, требующие скоординированной инженерии в нескольких областях. Успех зависит от понимания того, как требования к качеству изображения переводятся в спецификации проектирования печатных плат и производственные допуски.