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Was ist CoaXPress?

Sprinter und Marathonläufer zugleich: CoaXPress, der Standard für hohe Datenraten

Koaxialkabel sind Ihnen wahrscheinlich schon seit Ihrer Kindheit noch bei Röhrenfernsehern mit Anschluss an die Dachantenne oder die Kabelanschlussdose in der Wohnzimmerwand begegnet. Solche Kabel kommen nun zu neuen Ehren. Doch mit ihren ehrwürdigen Vorgängern aus der Hochfrequenz-Technik haben die modernen Schnittstellen nach CoaXPress Standard nur noch die Kabel gemeinsam.

Der CoaXPress (oder auch kurz: CXP) Standard wurde ursprünglich von 6 Unternehmen aus der industriellen Bildverarbeitungsbranche aus der Taufe gehoben. Ziel war es, eine schnelle Datenschnittstelle zu entwickeln, die auch die Möglichkeit bietet, eine große Datenmenge über größere Distanzen zu überbrücken. Erste CoaXPress-Schnittstellen wurden auf der führenden Messe für die industrielle Bildverarbeitung „Vision“ im Jahr 2008 in Stuttgart vorgestellt. Nach drei weiteren Jahren Entwicklung wurde CXP 1.0 dann offiziell 2011 als Standard freigegeben. Seitdem hat sich der Standard in der industriellen Bildverarbeitung etabliert. Im letzten Jahr erfolgte eine Weiterentwicklung dieses Standards zu CXP 2.0.

Eine Schnittstelle nach CoaXPress 1.0/1.1 Standard unterstützt Datenraten von immerhin 6,25 Gbps. Der zukünftige CoaXPress 2.0 Standard gibt mit bis zu 12,5 Gbps doppelt so hohe Übertragungsgeschwindigkeit vor.

Welche Anwendungsbereiche profitieren von CoaXPress?

Typischer Anwendungsbereich für CoaXPress: Automated Optical Inspection
Typischer Anwendungsbereich für CoaXPress: Automated Optical Inspection

Ein großer Vorteil der CoaXPress-Schnittstelle ist im Vergleich mit anderen Standards also die hohe Datenrate. Aber auch die größeren Distanzen, die zwischen Kamera und PC überbrückt werden können, sind für viele Anwendungen wertvoll und bieten Möglichkeiten auch für sehr anspruchsvolle Bildverarbeitungslösungen. Vor allem in der Halbleiterindustrie findet CoaXPress großen Zuspruch. In AOI-Systemen (automatische optische Inspektion, engl. Automated Optical Inspection) müssen beispielsweise große Datenmengen mit hoher Auflösung ohne nennenswerte Latenzzeit realisiert werden. Weitere Anwendungsbereiche sind z.B. in der Druckinspektion, Lebensmittelinspektion, Verkehrstechnik (ITS) oder der Medizin zu finden.

CXP ist keine Standard-Schnittstelle wie GigE oder USB 3.0:

Werfen wir einen Blick auf zwei altbekannte Schnittstellen, um eine Besonderheit von CXP zu verdeutlichen: USB und GigE.

USB 3.0 ist eine Schnittstelle, die sich in der industriellen Bildverarbeitung als eine zuverlässige Schnittstelle etabliert hat. Der USB3 Vision Standard setzt auf die neue Schnittstelle USB 3.0, die auch im Massenmarkt immer weitere Verbreitung findet. So haben mittlerweile alle Laptops, PCs oder auch Tablets und Smartphones eine USB 3.0-Schnittstelle.

Gigabit Ethernet (GigE) ist seit 2006 ein etablierter Standard in der industriellen Bildverarbeitung. Gemessen an der Zahl der installierten Anwendungen, ist GigE derzeit die am weitesten verbreitete Schnittstellentechnologie für industrielle Digitalkameras.

USB 3.0 und GigE haben den Vorteil, dass sie keine zusätzliche Integration von Einsteckkarten im PC verlangen.

Das ist ein gravierender Unterschied zum CoaXPress Standard, denn hier muss für die Datenübertragung in den PC immer eine entsprechende Einsteckkarte eingesetzt werden. Denn CoaXPress ist, anders als USB oder GigE, nicht bereits Teil des Standard-PCs. Ein weiterer Grund für die Einsteckkarte ist die Einsparung von CPU-Last: die bei CoaXPress üblichen hohen Datenraten würden ohne eine spezielle Einsteckkarte die CPU im PC allein schon mit dem Transfer der Bilddaten stark belasten. Mit der zusätzlichen Hardware steht die CPU dagegen der Anwendung zur Verfügung. Last but not least stellt die Einsteckkarte auch die bei CoaXPress üblichen Stecker und Buchsen zur Verfügung: für CoaXPress 1.0 / 1.1 sind dies BNC und DIN 1.0/2.3 und für den CoaXPress Standard 2.0 Stecker nach der Micro BNC Norm.

Beim CoaXPress Standard muss für die Datenübertagung im PC eine entsprechende Einsteckkarte vorhanden sein.
Beim CoaXPress Standard muss für die Datenübertagung im PC eine entsprechende Einsteckkarte vorhanden sein.

Vergleich CoaXPress-Schnittstelle mit Camera Link-Schnittstelle

Doch wie fällt der Vergleich mit dem langjährigen „Arbeitspferd“ schneller Machine Vision Anwendungen, der Camera Link-Schnittstelle, aus? Camera Link ist seit fast zwanzig Jahren der Standard für die Übertragung von hohen Auflösungen und Bildraten. Die maximale Übertragungsrate von Camera Link beträgt 850 MB/s. Da die Busfrequenz mit 85 MHz vergleichsweise niedrig ist, benötigt Camera Link eine Vielzahl paralleler Übertragungskanäle, sogenannte Taps. Dadurch sind die benötigten Kabel sehr dick, unflexible und teuer. Zudem ist die Kabellänge auf max. 10 m begrenzt. CoaXPress wurde 2008 als Nachfolger von Camera Link eingeführt.

Vergleich CoaXPress-Schnittstelle mit Camera Link-Schnittstelle

Was unterscheidet die Schnittstellenkarte vom Framegrabber?

Nun wäre noch zu klären, welcher Art die Einsteckkarte ist, die für die Anbindung einer CoaXPress-Kamera im PC vorhanden sein muss. Handelt es sich hierbei um eine Art Framegrabber?

Der Begriff Framegrabber stammt aus einer Zeit, als das analoge Videosignal im PC erst noch digitalisiert werden musste. Heutzutage wird das Bild jedoch schon auf dem Kamerasensor digitalisiert und dann in digitaler Form an den PC übertragen. Der Framegrabber stellt also inzwischen nur noch das digitale Interface zur Verfügung (GigE, USB, Camera Link, CoaXPress) und speichert die Bilddaten zwischen. Zudem können einige Framegrabber eine Vorverarbeitung der Daten vornehmen, z.B. binning oder Skalierung. Die Daten werden zudem per Direct Memory Access (DMA) ohne Umweg über den Prozessor des PC direkt in den Arbeitsspeicher geschrieben. Der Zugriff auf die Bilddaten aus dem Framegrabber erfolgt meist über spezielle Software für die Bildverarbeitung (z.B. Matrox MIL) oder standardisierte Schnittstellen wie GenICam. Der Konfigurationsaufwand und die Kosten für ein System mit Framegrabber ist vergleichsweise hoch.

Kamera und Framegrabber
Kamera und Framegrabber

Im Unterschied zum Framegrabber ist eine Schnittstellenkarte einfacher ausgestattet. Sie verzichtet komplett auf die Vorverarbeitung und nimmt lediglich die Bilddaten über den Kamera-Anschluss entgegen, um sie dann direkt im Arbeitsspeicher abzulegen. Dabei wird wieder per DMA die CPU umgangen und damit deutlich entlastet. Da es sich bei CoaXPress im Gegensatz zu USB und GigE, um ein spezielles Machine Vision Interface handelt, ist die Hardware zur Anbindung von CoaXPress-Kameras an üblichen PCs nicht standardmäßig vorhanden. Eine zusätzliche Karte im PC ist daher notwendig. Durch den Verzicht auf die Bildverarbeitung auf der Schnittstellenkarte sind aber die Kosten und auch der Konfigurationsaufwand hierfür geringer.

Eigenschaften Schnittstellenkarte Framegrabber
Vorverarbeitung der Bilddaten (z.B. Skalierung) Nein Ja
CPU-Entlastung per DMA Ja Ja
Standardtreiber/-schnittstellen (z.B. GenICam) Ja Meistens
Schnittstellen zu Bildverarbeitungssoftware (z.B. Matrox MIL) Ja Meistens
Installations- und Konfigurationsaufwand Niedrig Hoch
Kosten Niedrig Hoch

Fazit

Große Datenmengen bei hoher Übertragungsgeschwindigkeit über weite Entfernungen: der zukünftige CoaXPress 2.0 Standard für die industrielle Bildverarbeitung macht all dies möglich. Konzipiert als Nachfolger des verbreiteten Camera Link Standards erfordert dieses Machine Vision Interface aber auch eine zusätzliche Schnittstellenkarte im PC. Angesichts der großen übertragenen Datenmengen ist dies jedoch kein Nachteil, da die CPU des PCs so nicht durch Datenübertragung blockiert wird, sondern in vollem Umfang für die Bildverarbeitungsanwendung zur Verfügung steht.