友思特方案
"稳中求进"：便携式设备如何实现多台10GigE相机的即插即用
前言导读
高带宽数据的实时传输随着 GigE Vision 带宽增加而愈发成为挑战。友思特开发的转换多10GigE Vision相机为 Thunderbolt 接口的硬件采集方案，有效保证了实时传输的稳定负载和处理精度。
前言
GigE Vision作为当前机器视觉行业最常见的传输标准，如今出现了5GigE、10GigE、甚至是几百GigE数据传输。随着带宽的不断增加，如何实现高带宽数据实时传输成为一大挑战。
友思特从GigE Vision传输限制入手，开发了全新的将多台10GigE Vision相机转换为 Thunderbolt 接口的硬件采集解决方案，该方法充分结合了GigE Vision、PCIe和Thunderbolt 的优势。
GigE Vision 传输限制
GigE Vision基于UDP协议实现保低延迟传输，并集成数据包重发机制，以确保数据包能够成功传输以供处理、分析和记录。而利用UDP作为GigE Vision底层的传输机制，限制了在现有的网络接口卡（NIC）上对数据处理优化过程。
NIC生产商将网卡的数据包最大设置为9KB，并且板载卸载引擎是为传输控制协议（TCP）传输而构建的。随着GigE Vision吞吐量的增加，数据包必须经历拆包、组装成帧的过程，并由CPU复制到内存数据包中以便进一步处理、分析、显示和记录。这导致数据被复制三次，从而增加了不必要的CPU消耗和延迟。
图1. 友思特高精度单据与产品智码存档系统平台
随着速率达到5Gbps，导致CPU利用率激增和出现数据丢失情况。因此，为确保接收所有数据，必须缓冲多个数据包（buffer），这进一步增加了内存消耗和延迟。这些问题在5Gbps（或更高）速率的GigE Vision相机进行流传输时普遍存在，在10Gbps速率运行时更为常见。
随着GigE Vision的发展，利用融合以太网上的RDMA（RoCEv2）的GigE Vision 3.0标准可确保将图像数据直接从设备复制到主机上的系统内存中。这将解决高速GigE Vision相机（>5Gbps）的带宽和CPU过载问题，但现有 GigE Vision 1.x和2.x设备仍存在过多的CPU负载降低系统可靠性和处理精度。
GigE Vision转Thunderbolt采集卡
友思特提供相关硬件解决方案，该方法结合了GigE Vision、PCIe和Thunderbolt的优势。在此解决方案中，外置式图像采集卡将多台10GigE Vision相机转换为Thunderbolt 接口相机，并通过标准电缆将高带宽（高达22.5Gbps）图像和视频数据进行传输，具有延迟低且可预测特点，可直接传输到Thunderbolt/USB 4端口或Thunderbolt 3/4 USB-C端口。由于无需使用传统的带PCIe插槽的台式计算机，设计人员可以使用更小的笔记本电脑、嵌入式计算机和单板计算机来减小系统尺寸、成本和功耗。
图2. GigE Vision到Thunderbolt图像采集卡，有助于消除更高带宽成像应用的CPU瓶颈
同时通过将PCIe总线扩展到图像采集卡中，优化了CPU使用率，使用采集卡内置DMA（直接内存访问）引擎会获取并复制完整的图像数据到主机PC的内存中，从而为应用程序任务释放宝贵的处理资源，同时避免数据包丢失。
通过这种方法，用户可以充分利用 GigE Vision 成像解决方案的布线和多播优势，以应对更复杂的高速应用，同时充分利用低成本、小型CPU平台在处理、分析、显示和记录方面的能力。
现成的外置式采集卡解决方案降低了设计师的系统复杂性，尤其是在必须使用网卡增加额外的集成度和互操作性要求，但又限制GigE Vision应用程序性能的场景下。同时内置的GPIO功能可实现确定性实时、低抖动触发和同步其他视觉系统组件。此外，IEEE 1588功能可确保输入设备网络之间的同步，并通过GigE Vision操作命令提供进一步的触发功能。