常に接続を維持

1. インターフェースを切り替える理由

産業環境では、信頼性、生産性、安定性がすべての中心になっています。プロセスや機器には多数の認定が適用されます。変更は事前に余裕を持って計画され、テストされます。まだ初期段階にあるテクノロジーの無限の可能性に、とまどっている余裕はありません。そして、新しい物事に対して懐疑的になるのは、当然のことです。いずれにしろ、プロセスやワークフローを最適化するには、既知のテクノロジーを使用して計画するのが最善です。

しかし、テクノロジーの導入準備が整ったことを、どのように判断できるのでしょうか。テクノロジーの時限爆弾に危険がないと、どの時点で確証できるでしょうか。そしてその時が来るまで、ただ手をこまねいて待つだけでよいのでしょうか。しかし、新しいテクノロジーをこれまで取り入れていなければ、今どのような状態になっていたか、考えてみましょう。十分に試されたテクノロジーに固執して、その他の知識は不完全なままでは、第 4 次産業革命を起こせるわけがありません。

2. テクノロジーの変遷

USB 3.0 テクノロジーを搭載した最初のカメラの登場からおよそ 5 年が経過し、新しいカメラインターフェースには成熟する十分な時間がありました。産業用マシンビジョンで試験済みのデジタルカメラインターフェースとの初期比較の結果は明白で、簡単にまとめられます。USB 3.0 には以下の特徴があります。

  • きわめて高速
  • 産業用途に最適
  • 操作が簡単
  • 汎用用途に最適

USB インターフェースの論理的な開発は、現時点では膨大な可能性があるのではないかという手がかりが見つかった段階です。

その後、当初の問題が特定され、それ以来解消されています。そこで残るのが、ビジョン分野で優勢を維持する、高度なテクノロジーです。システムの全面的な切り替えは一夜にして起こるものではありません。大きな変化を起こすには、たくさんの小さなステップが必要なのです。それでも、USB 3.0 へ今すぐ切り替えるという行為に賛同する意見は多数あります。

  • USB 2.0 の製品ライフサイクルは終了に近づいています。そのため、適切なハードウェアとサポートを受けるのは困難になってきています。さらに費用も上昇しています。
  • 2012 年、Intel は「Ivy Bridge」プロセッサーを発表し、USB 3.0 をメインストリームインターフェースとしました。
  • Intel の「Sunrise Point」(Skylake アーキテクチャ) などの現在のチップセットは、また別の目標を掲げています。USB 3.0 コントローラインターフェース (xHCI) は、すべての USB 速度クラスを統合した初のインターフェースです。
    • 低速 (1.5 MBit/s)
    • フル速度 (12 MBit/s)
    • 高速 (480 MBit/s)
    • SuperSpeed (5 GBit/s)
  • その結果、USB 2.0 高速コントローラ (eHCI) は内蔵されなくなりました。古いテクノロジーは新しいテクノロジーに取って代わられます。新しいドライバーは、古いテクノロジーを新たな世界に順応させます。

同様にして、消費者市場からも、必然的に新しいメインストリームテクノロジーが産業環境に導入されます。

3. ひたすら改善 – USB 3.0

図 1 – USB 3.0 だけが、最新の CMOS センサーが提供する性能面でのすべてのメリットを活用できる

カメラインターフェースの分野では、USB 3.0 はいまだに新参者とみなされています。それでも、そのテクノロジーにはきわめて高いスループット以外にも多数の利点があるいうことは広く知られています (図 1)。

最新式センサーの使用

表 1 に、IDS カメラに現在使用されているセンサーの概要を示します。センサーの最大ピクセルレートを制限して、センサー容量を、使用されるインターフェースの帯域幅に合わせて調整できます。フレームレートの減少量が多すぎると、該当するインターフェースで機能しなくなります。

そのためカメラメーカーは、新しいセンサーにどのインターフェースを搭載するか、判断に迫られます。このとき、市場からの要求も当然考慮します。どのカメラを使用するかは、カメラの用途で決定します。その逆ではありません。特に画像センサーの場合は、用途に適合するオプションを提供しなければなりません。必要なデータインターフェースは、必要なデータ転送に該当する要件によって、自動的に決定されます。つまり、最新式センサーは、USB 2.0 などの「古い」インターフェースのカメラには取り入れられないのです。

表 1

表 1 – 最新式高性能センサーの最大データレートは、USB 3.0 を使用しないと発揮できない。 USB 2.0 と GigE は、センサー帯域幅が小さい場合のみ機能する、または使用されない。

センサー

e2v
EV76C560

onsemi
MT9P006STC

CMOSIS
CMV4000-3E5C1PP

Sony
IMX174LQJ-C

フレームレート (1/s)

25,8

50

60

 

6,3

14,1

15,2

 

-

19

80

 

-

-

166

 

解像度

SXGA

QSXGA

4MP

2MP

インターフェース

USB2

GigE

USB3

 

USB2

GigE

USB3

 

USB2

GigE

USB3

 

USB2

GigE

USB3

 

センサー帯域幅 (メガピクセル/s)

35

71

86

 

43

96

104

 

-

84

344

 

-

-

480

 

「使用するカメラシステムは用途で決まる。その逆ではない」

— Patrick Schick, Produkt Marketing Manager, IDS Imaging Development Systems GmbH —

最終的にユーザーが変化を起こそうと動機付けるものがあれば、それも変革の一部です。新しいテクノロジーの導入は、常に学習曲線を伴います。直接経験することは、価値のある利点です。遅くとも使用してきたテクノロジーでは対応できなくなったときには、別のテクノロジーを探さなければなりません。

センサーの性能の最大化

メガピクセルセンサー (e2v EV76C560 など) は同一でもインターフェースが異なる 2 つのカメラを直接比較すると、最大データレートの違いが明確になります。
IDS では、長年にわたってこのセンサーを、USB 2.0 カメラ UI-1240 でさまざまなハウジングバリエーションを用意し、販売してきました。USB 3.0 カメラファミリーにインターフェースを切り替えると、同じセンサーを使いながら、本来の機能を発揮できるようになります。最大ピクセルレートを使用すると、毎秒 86 メガピクセルまでセンサー帯域幅が増加します。USB 3.0 のおかげで、センサーの最大フレームレート (毎秒 60 枚) を目的の用途で完全に発揮できます。

CPU 使用率の低下

ホストコントローラは新規データを定期的に問い合わせる必要はありません。これは、USB 2.0 で使用されて実証済みの「ポーリング」とは異なる、USB 3.0 の非同期通信を利用しているからです。これはホスト PC 上での CPU ロードがはるかに小さい証拠でもあります。e2v センサーのテストで、CPU ロードは、USB 2.0 カメラは、同一のカメラパラメーター構成の USB 3.0 バリエーションよりも 3 倍高くなりました。つまり、CPU の空き時間が増加することになり、他のタスクに使用できるようになります。

4. USB 3.0 システム – 動作の仕組み

USB 3.0 によって、用途に提供できる画像データ量が倍増します。ただし、ギガヘルツ範囲のデータ転送には、すべての関連するシステムコンポーネントが認定され、品質が承認されている必要があります。

USB 3.0 カメラは、F1 レースカーに例えることができます。無鉛のレギュラーガソリンではスムーズに走行せず、最高速度 (SuperSpeed) に達しません。それに対して USB 2.0 は大衆車と言えます。どのケーブルも難なく USB データを高速で転送します。システムコンポーネントの品質と許容差は、ターゲットの帯域幅が低ければ、実質的に関係ありません。USB 2.0 自身がボトルネックなのです。

すなわち、USB 3.0 SuperSpeed システムの性能は、特定のカメラと対応するドライバーパッケージを PC システムに取り込んだ結果で決まるのではありません。「システムの効率はその最も弱い点で決まる」という言い回しが、まさにこの状況を言い当てています。USB 3.0 は、転送プロセス内のすべてのコンポーネントでサポートされる必要があるデータ速度を達成しようとします。USB テクノロジーにおける大幅な性能向上により、すべてのシステムコンポーネントが、常にフル稼働で機能する必要があります。

IDS は、正しいアクセサリを選択するサポートを行い、弱点があれば突き止めて解消します。これが、高データレートでのスムーズな運用を可能にする、最高品質の
USB 3.0 アクセサリだけを IDS が推奨し、販売している理由です。

「USB 3.0 システムの効率はその最も弱い点で決まる」

— Patrick Schick —

高品質のケーブルが必須

「高品質」とは正確には何で、なぜ USB 3.0 にとってこれほど重要なのでしょうか。この質問に答えるため、ケーブルはどのようなタスクを実行し、どのような要件をみたすべきか、考えてみてください。

ケーブルを使うと、長距離にある 2 つのデバイスを着脱可能な方式で柔軟に接続して、電気信号または電力を損失せずに伝送できます。

これは、機械的および電気的要因が、ケーブル動作に干渉する可能性を示しています。具体的には、プラグの緩み、銅線のねじれや裂け目、信号強度の不足などがあります。

従来の銅線ベースのパッシブケーブルには、基本的な物理法則が適用されます。これが原因となって、ケーブルメーカーがすべての要件を満たす適切なケーブルを生産しづらくなることがあります。何らかの妥協が必要になります。

USB 3.0 (5 GHz) のような高周波数データ信号は、物理的な線路抵抗によって減衰します。これが強いほど、銅線を長く、口径を小さくする必要があります。生じる信号損失を挿入損失と呼びます。

線路抵抗は、線の口径を大きくすることで減少できます。言い換えると、USB 3.0 の銅線を太くするほど、高周波数 (HF レンジ) での伝送プロパティが改善されます。
AWG 値 (American Wire Gauge) は、電線の口径を示します。AWG 値が低いと口径が大きくなり、線路抵抗は低くなります。ただし、USB 3.0 ケーブルの最終的な厚みが増すので、柔軟性が低くなり、コネクターの取り付けが複雑になります。

つまり、USB 3.0 ケーブル製造に悪影響を与える要因は多数あります。特に、コンシューマー市場向けに安価で手軽に製造されるケーブルは、産業環境での厳しい条件を満たすために必要な製造品質基準に達していません。これでは USB の伝送エラーや接続損失が増加することになります。さらに、伝送性能 (帯域幅) が減少したり、接続が不安定になったりします。

伝送品質が低下すると、カメラドライバーと接続を確立するときに、USB 3.0 ハードウェア搭載カメラが
USB 2.0 高速デバイスとして登録されることにもなりかねません。これは使用される USB ポートと内部配線が原因です。詳細については、「「適切」な USB 3.0 接続

ケーブルの長さ

USB 3.0 の仕様は、最大ケーブル長に制限されません。これは、ケーブル長と対応する高周波プロパティ (挿入損失) または電圧降下との間の、妥協とも言うべき関係によって説明されます。これらの要素を最小にすると、より長く、正常に機能するケーブルを製造することができます。

IDS は経験を積んだ USB ケーブルメーカーと密接な協力のうえ、高品質で効率的案ケーブルの開発を支援しています。IDS では、さまざまな用途向けのさらに長いパッシブケーブルの提供にも取り組んでいます。線路品質を維持するため、5 m および 8 m のケーブルには大きな口径の芯線が技術的に必要です。強力なパートナーの協力の下、弊社はケーブルとプラグ間で安定した接続を保証できます。

その結果、8 m を超える長いケーブル接続が必要な用途でも、カメラインターフェースを切り替えずに済みます。アクティブ光ファイバーケーブルも、USB 3.0 データを一定した高データレートで長距離を伝送します。

図 2

図 2 – IDS のアクティブ USB 3.0 ハイブリッドケーブルで最大 50 m の USB 3.0 接続を実現

IDS は、長さ 50 m までの既製品の USB 光ファイバーケーブル (アクティブ光ケーブル – AOC) を販売しています。必要に応じて、さらに長いパッシブケーブルに直接交換できます。信号処理および増幅に必要な電子機器は、コネクターに直接内蔵されています。それでも、パッシブコネクターより少し長くて厚いだけです。

光ファイバーケーブルの他に、銅線ベースの電力線も内蔵されています。これは「ハイブリッド」ケーブルと呼ばれており、カメラに AOC ケーブルから直接、ホスト PC からも電力を供給できます。電源電圧はホスト PC の USB ポートから供給され、カメラとケーブルの電子機器の両方に給電されます。オプションの Y-USB ケーブルを使用すると、2 つ目の USB ポートを接続して、最初のポートからの電力を補完し、消費電力の多いデバイスへの電力供給を確保します。

「適切」な USB 3.0 接続

注意: ポートが SuperSpeed USB ポートであると明示されていても、USB 3.0 製品の中には不良品もあり、性能が悪いものもあります。

前面ポートは、PC 内部のケーブルブリッジでマザーボードに接続します。そのため、PC とカメラを接続するケーブルと同じ規則が適用されます。それでも、市販されている大半のケーブルアセンブリは、USB 3.0 との互換性はありません。

  • プラグ接続のシールドが非常に弱い、またはケーブルより線が露出している。
  • このような「ケーブル延長」によるカメラと
    USB コントローラ間のプラグ接続の追加は、信号品質を損なう。
  • これらのポートに十分な安定した電源があるかは疑わしい。

さらに、複数の前面ポートが同じ USB コントローラに接続されることがよくあります。この場合、ポートは
USB 3.0 の帯域幅で許容される最大値を互いに共有します。そのため、最大のスループットを望む場合は、複数のカメラを同時に動作するのは避けてください。

PC の背面ポートは、マザーボードにはんだ付けで固定されています。背面ポートには、ケーブルやコネクターによる問題は予期されません。ただし、経験上、マザーボードの数や使用するオペレーティングシステムに応じて、性質は大きく異なります。したがって、高性能
USB 3.0 データ伝送への適性を一般的に保証することはできません。

チップセットドライバーも重要な役目を担っています。USB コントローラ以外にも多数のハードウェアコンポーネントに対応するので、新世代の各プロセッサー向けに設定し、強化する必要があります。そのため、システム上のソフトウェアエラーを防止するため、ドライバーの設定と管理が可能な状態に維持する必要があります。古いオペレーティングシステムには、新しいハードウェア向けに無制限の更新は提供されません。つい先頃、
Microsoft が Intel の現在の Skylake プロセッサーアーキテクチャの Windows 7 のサポートを停止したと発表しました。

USB カメラハードウェアのユーザーにとって、テクノロジーの変化を迎える時期とあいまって、予期しない結果を引き起こす可能性があります。Microsoft、Intel、AMD などの大手メーカーは、自社製品を市場に送り込み、個人および法人の顧客の手に渡るようにします。

図 3 – PCIe x4 Rev.2 カードにより、4 台の USB カメラから、USB 3.0 の最大帯域幅で、4 つの独立した USB ホストコントローラから、並列データストリームを伝送できる

解決策は次のようなものです。USB 3.0 PCI Express プラグインカード (図 3) を使用して、USB 3.0 ポートのプロパティに、直接影響を及ぼすことができます。内部 PCI Express バスによって、必要なすべてのものを各
PC システムに装着できます。

  • すべてのシステムに同一の USB 3.0 ハードウェア

  • PC ハードウェアの変更に依存しない

  • メーカーから直接供給される、安定したドライバーソフトウェア

  • 確立された、長期的なハードウェア品質

  • PC 電源ユニットから直接供給される、適切な電源

  • 各 USB ポートの専用 USB コントローラによる、最大データ帯域幅

IDS がこのような要件を満たす USB 3.0 PCI Express プラグインカードをテストし、販売しているのは、このためです。これらのプラグインカードを使用すると、弱点や非互換性が最小限に抑えられ、リファレンスハードウェアによってシステムの信頼性が向上します。

弊社独自の uEye カメラとプラグインカードを併用すると、安定した USB 3.0 カメラシステム向けの、高性能で最適化された基盤が実現します。

5. USB 3.0 マルチカメラ – とても簡単です!

マルチカメラシステムは、少数のカメラの場合は高いデータスループットを発揮し、多数のカメラの場合はカメラ 1 台当たりのスループットは低くなります。ここでも、使用する用途の種類が、ホストシステムで運用されるカメラの数と、データ帯域幅とケーブル長を決定します。

マルチカメラシステムを構築する際には、安定した
USB 3.0 システムに適用されるものと同じ規則が適用されます。これらの規則に従う限り、不愉快な結果を招くことにはならないでしょう。

IDS が提供するシステムコンポーネントを使用すると、安定した USB 3.0 マルチカメラシステムを非常に簡単に構築できます。長さ 50 m のアクティブケーブルであっても、マルチカメラの運用に支障はありません。

マルチカメラシステムを構築する際に常に念頭に置くべき重要事項が 2 つあります。

  • すべてのカメラに必要なデータ帯域幅を保証するために、ホストシステム内には十分な数の高性能 USB 3.0 が必要です。
  • 信頼できる運用を保証するために、すべての接続されたカメラに適切な電力供給も必要です。

USB コントローラは、USB データとの間に接続を確立して、PC 内にほぼ無制限のデータハイウェイを作成します。各 SuperSpeed コントローラは、このハイウェイの小さな部分を用途に使用します。コントローラに接続されている USB ポートが 1 つだけの場合、USB 3.0 帯域幅の全部を、その 1 つのデバイスで使用できます。

この 1 対 1 の接続が、カメラにとって最も強力な構成になります。システム内のシングルコントローラポートが多いほど、マルチカメラシステムは、PCI Express などの内部データインターフェースのパフォーマンスから利点を活用できます。上記で説明した USB 3.0 PCI
Express カードを使用して、これらのコントローラポートを有効に活用できます。

カメラで USB 3.0 の帯域幅をフルに活用する必要がない場合は、複数のデータプロバイダーでこの帯域幅を互いに共有できます。

USB ハブを使用して、1 対多接続を構成できます。各分配点で、すべての接続したカメラに十分な電力が供給されるようにしてください。アクティブ USB ハブは、独立した電源ユニットからこの電源供給の追加を保証します。

図 4 – 直接使用および分散使用で USB 3.0 マルチカメラシステムで実現されるスループット

しかし、マルチカメラ用途の落とし穴の可能性もあるのも、この部分です。メーカーが誤った部分でコストを削減して価格を落とすと、組み込みハードウェアが SuperSpeed カメラ用途に適さない寸法になります。すると電圧降下や電力停止が発生します。このような場合、カメラの安定した動作は保証されません。

この理由から、IDS のポートフォリオには、すべての負荷条件で動作する、完璧な USB ハブのみを取り入れています。言い換えれば、IDS は安定した高性能のマルチカメラシステムを保証する、適切なコンポーネントのみをお客様に提供します。

各カメラの伝送性能を要件に合わせるため、接続経路と他のカメラとの帯域幅供給を監視する必要があります。IDS Software Suite にも、サポートのための便利なツールが備わっています。

図 5 – IDS Camera Manager に表示された、カメラの USB 接続パラメータ

IDS Camera Manager には、各 USB 3.0 カメラのハブを経由した伝送速度と接続が表示されます (図 5)。カメラの USB 接続トポロジーを詳細に把握できます。

一方で、uEye Cockpit のパフォーマンス概要で、システムをオーバーロードさせることなく、カメラのデータレートを最適な状態で同期できます。

図 5

6. まとめ

カメラインターフェーステクノロジーがo USB 3.0 に推移していることは明らかです。USB 3.0 はすでに成熟したテクノロジーで、非常に急速に普及しています。最新式センサーによる新しい用途に最適のデータインターフェースです。

USB 3.0 テクノロジーについて現在までに培った豊富な知識と経験を活かして、カメラとアクセサリの進化の方向性に応用しています。IDS は現在まで約 12 年にわたって USB テクノロジーを搭載した産業用カメラを開発および販売し、ここ 5 年間では、USB 3.0 カメラおよびアクセサリの先駆者となっています。多数のカメラの新たに改良した第 2 世代をすでに発表しています。新しい各センサーについて、IDS Software Suite は強化され、常に改良されています。

これによって、IDS は USB カメラの強力なパートナーとなり、USB 高速クラスがカメラインターフェースとして最初に導入されたときから、豊富な経験を獲得しています。今こそ USB 3.0 の波に乗るチャンスです。

次の進化の段階である USB 3.1 はもうまもなく公開され、10 GBit/s などの技術革新が実現されています。「USB 3.1 Type C」ユニバーサルケーブルがその先陣を切り、USB 3.0 帯域幅の uEye LE シリーズですでに使用されています。「常に接続を維持しましょう」