Guia para a integração de câmeras ao nível de placa

Introdução

A disponibilidade de computadores de bordo únicos, compactos e poderosos, está possibilitando novos projetos de produtos empolgantes. Isso é particularmente útil em aplicações onde a miniaturização melhora o custo e/ou a eficiência. Além disso, os sistemas de visão são capazes de aproveitar câmeras de visão mecânica com recursos completos e nível de placa para reduzir ainda mais o tamanho total de um produto e proporcionar flexibilidade operacional dando suporte a óptica personalizada ou fora do padrão. Exemplos típicos abrangem diagnóstico médico, metrologia, robótica, visão integrada, inspeção de embalagem e impressão, scanners portáteis, laboratórios de bancada e outros sistemas com restrições de espaço.

Neste artigo cobrimos vários aspectos importantes a serem considerados ao escolher uma câmera de visão integrada; eles contam com um conjunto de recursos, fator de forma e área construída, opções de interface, montagem de lentes, suporte de software, gerenciamento térmico e compatibilidade eletromagnética.

Fator de forma e Conjunto de recursos

Ao fazer a transição de câmeras em estojos para câmeras ao nível de placa, os designers do sistema devem considerar cuidadosamente seus requisitos de imagem e desempenho de câmera. Muitas câmeras pequenas ao nível de placa têm suporte apenas a sensores de baixa resolução, poucas linhas GPIO e características limitadas na câmera. Por outro lado, as variantes ao nível de placa de muitas câmeras de sistema de visão com recursos completos são simplesmente câmeras padrão com seus estojos removidos. Embora essas câmeras possam atingir o desempenho de imagem necessário, elas talvez não sejam significativamente menores que os modelos padrão em estojo. Essas câmeras frequentemente usam conectores padrão GPIO e de interface que são volumosos e não são ideais para aplicações integradas. Por exemplo, só os conectores de travamento industrial típicos têm aproximadamente o mesmo tamanho de uma câmera ao nível de placa Blackfly S.

As câmeras ao nível de placa Blackfly S da FLIR foram projetadas desde o início com sistemas integrados em mente. Elas oferecem o mesmo desempenho de imagem e um rico conjunto de recursos encontrados nos modelos Blackfly S em estojo em um formato incrivelmente compacto de 29 mm x 29 mm x 10 mm; embora os conectores GPIO e de interface compactos proporcionam economia adicional de espaço. Outro benefício importante para a linha de câmeras de visão integrada da FLIR é a disponibilidade do mesmo fator de forma em todas as câmeras com sensores de 1/3" a 1,1" - um fator de forma consistente em vários modelos de câmeras torna o desenvolvimento e a atualização de sistemas e futuras variantes de produtos extremamente fáceis.

Encaixe da lente

As câmeras ao nível de placa são uma opção atraente para os clientes que buscam integrar ópticas não padronizadas ou colocar o sensor de imagem o mais próximo possível de seu alvo. Sem encaixe fixo das lentes, as câmeras ao nível de placa dão aos designers a liberdade de selecionar outras ópticas além das lentes padrão C, CS ou S-Mount comumente usadas na área de sistema visão. Este design também é ideal para a biotecnologia e perfilagem de feixes de laser; aplicações que frequentemente não usam nenhuma lente. Outra aplicação comum de uma câmera ao nível de placa é permitir que a montagem da lente seja integrada a outra parte do produto - daí o termo "câmera de visão integrada". Além disso, moldar um encaixe de lente diretamente no alojamento de um produto pode reduzir ainda mais os custos, simplificando a fabricação e a montagem. Para avaliar uma câmera ao nível de placa que não seja fornecida com encaixe de lente, também deve ser adquirido um acessório de montagem. Se estiverem disponíveis modelos em estojo com sensores e características idênticas aos modelos ao nível de placa, eles podem ser usados como plataformas de desenvolvimento.

Quando se trata de escolher a opção correta de encaixe da lente para uma câmera ao nível de placa, um dos fatores mais importantes a considerar é o tamanho do sensor utilizado. Em geral, as lentes S-mount são projetadas para serem usadas com sensores de 1/3" ou menores com resoluções mais baixas, normalmente menos de 2 MP. As lentes CS-mount, por outro lado, são projetadas para trabalhar com sensores de 1/3" a 1/2". Se o sensor for de 1/2" ou maior, é melhor usar uma lente C-mount.

Gerenciamento térmico

As câmeras de sistema de visão em estojo baseiam-se na área de superfície de seus estojos para dissipar o calor gerado pelo sensor, FPGA e outros componentes. Sem estojo, as câmeras ao nível de placa de alto desempenho podem ter outros requisitos de design para garantir que estejam operando dentro de sua faixa de temperatura recomendada. Nesses casos, é fundamental oferecer dissipação de calor adequada. Os fabricantes geralmente indicam uma temperatura máxima de junção para este componente de temperatura mais elevada. Nas câmeras Blackfly S da FLIR, a temperatura máxima de junção do FPGA é especificada em 105 °C (221 °Fahrenheit).

Os designers do sistema devem garantir que sua solução de gerenciamento térmico atenda a essa orientação. O tamanho do dissipador de calor, a área da superfície do chassi no qual a câmera está montada ou o tipo de resfriador ativo necessário dependerá do sensor, da taxa de quadros, do ambiente operacional e da quantidade de processamento de imagem na câmera que está sendo realizada. Para conectar o dissipador de calor à câmera, recomendamos o uso de pastas térmicas sobre almofadas térmicas para minimizar a tensão da placa na câmera.

Design do estojo e prototipagem rápida

Na maioria dos casos, as câmeras ao nível de placa são integradas diretamente a um sistema/produto de visão integrado e não é necessário um estojo. Entretanto, para aplicações onde a câmera não será integrada a um produto e, portanto, os componentes internos da câmera são deixados expostos aos elementos, pode ser necessário um estojo para evitar danos. Para prototipagem rápida, os designers do sistema integrado facilmente podem projetar e imprimir um estojo para a câmera usando impressoras 3D ou usar estojos plásticos genéricos que podem encapsular a câmera e montá-la no lugar usando espaçadores e suportes de montagem.

Interfaces e conectores

A USB 3.1 Geração 1 é uma interface ideal para sistemas integrados. Sua ubiquidade garante suporte em uma variedade diversificada de hardware - desde PCs desktop até computadores de placa única (SBCs) baseados em ARM. O Direct Memory Access (DMA) mantém a latência mínima sem a necessidade de drivers de filtro. A USB 3.1 Geração 1 também fornece energia e até 480 Mbytes/s de transmissão de dados em um único cabo, simplificando tanto o projeto mecânico quanto o elétrico.

Um objetivo chave dos designers de sistemas integrados muitas vezes envolve a miniaturização dos projetos existentes. Nesses casos, o comprimento máximo do cabo é muito menos importante do que o volume do cabo e do conector. Os cabos Flexible Printed Circuit (FPC) podem ter suporte para USB 3.1 Geração 1 sobre cabos de até 30 m de comprimento. Como o nome sugere, os cabos FPC são flexíveis e podem ser dobrados e torcidos para caber dentro de sistemas bem acondicionados. Além disso, conectores de travamento de alta qualidade e cabos FPC blindados com abas de travamento podem garantir uma conexão altamente segura e confiável.

Entretanto, uma possível desvantagem da interface USB 3.1 é que ela é um sinal de alta frequência que pode causar interferência em dispositivos sem fio de até 5 GHz (por exemplo, sinal de GPS). Para aplicações que utilizam tais frequências sem fio, oferecemos câmeras ao nível de placa FLIR também com interfaces GigE.

A MIPI CSI é outra interface comum em muitas placas integradas. Entretanto, a complexidade do protocolo MIPI e os drivers podem tornar o desenvolvimento mais demorado em comparação com o USB. As interfaces baseadas em LVDS (Low-Voltage Differential Signalling) também estão disponíveis e são projetadas para interagir diretamente com um FPGA do lado do host; entretanto, cada canal de transmissão de sinal requer dois fios - uma pequena, mas importante desvantagem em certas aplicações.

Suporte de software

Ao selecionar uma câmera para uso em um sistema integrado, o suporte de software é uma consideração importante que não deve ser negligenciada. Um SDK que yem suporte tanto para sistemas desktop quanto para sistemas integrados dá aos designers a liberdade de desenvolver suas aplicações de visão em ferramentas familiares e implantá-las facilmente na plataforma integrada de sua escolha. O Spinnaker SDK da FLIR oferece suporte para sistemas desktop Windows e Linux em sistemas x86, x64 e baseados em ARM.

Compatibilidade eletromagnética

Sem a blindagem proporcionada por um estojo, a Compatibilidade eletromagnética (EMC) das câmeras ao nível de placa será diferente dos modelos com estojo. Todas as câmeras de sistema de visão com estojo da FLIR são certificadas para EMC; entretanto, as câmeras ao nível de placa não são. Como estas câmeras ao nível de placa estão integradas a outros produtos/sistemas, o produto final precisa ser certificado separadamente. Independentemente da aplicação, é sempre aconselhável seguir as práticas recomendadas para o gerenciamento de Interferência eletromagnética (EMI) como qualquer outro componente elétrico.

Conclusão

As câmeras ao nível de placa estão revolucionando os sistemas de visão integrados, proporcionando liberdade e flexibilidade para projetar produtos inovadores que são compactos e versáteis. Além dos fatores abordados no artigo, também é importante considerar a proteção futura de seu sistema integrado usando sensores de alta qualidade, elementos ópticos e componentes confiáveis. Toda a linha da FLIR de câmeras ao nível de placa é projetada desde o início com tais aplicações em mente, sendo fornecida com uma garantia de 3 anos, líder no setor. Nossos especialistas em sistemas de visão podem ajudá-lo a escolher o nível certo de desempenho de imagem e fator de forma otimizado para seu sistema integrado - Saiba mais.