Teledyne Flir 就 “板級攝像頭集成指南” 發(fā)布專題文章

簡介

功能強大的精簡型單板計算機的推出催生了令人興奮的新產(chǎn)品設計。在通過小型化優(yōu)化成本及（或）效率的應用中，它的效用尤為明顯。另外，視覺系統(tǒng)可以利用功能全面的板級機器視覺攝像頭進一步縮小產(chǎn)品總體尺寸并實現(xiàn)運行靈活性，同時還支持定制或非標準光學部件。典型示例有：醫(yī)療診斷、計量、機器人技術、嵌入式視覺、包裝和印刷檢查、手持式掃描儀、臺式實驗室和其他空間受限的系統(tǒng)。

本文涵蓋選擇嵌入式視覺攝像頭時需考慮的數(shù)個重要方面，包括功能組、外形因素和物理占用空間、接口選項、透鏡支架、軟件支持、熱管理以及電磁兼容性。

外形因素和功能組

從封裝相機轉(zhuǎn)換為板級相機時，系統(tǒng)設計人員應認真考慮其成像和相機性能要求。許多小型板級相機僅支持低分辨率傳感器、少量 GPIO 線路以及有限的相機內(nèi)部功能。相反，許多全功能機器視覺相機的板級型號僅僅是拆除了外殼的標準相機。雖然這些相機可能會達到所需的成像性能，但它們的尺寸可能不會比標準封裝型號小巧多少。這類相機經(jīng)常采用標準的 GPIO 和接口連接器，因體積較大而不適合嵌入式應用。例如，傳統(tǒng)工業(yè)鎖定連接器的尺寸便與一臺 Blackfly S 板級攝像頭一般大小。

FLIR 的 Blackfly S 板級攝像頭整體上就是為嵌入式系統(tǒng)而設計。它們的外形尺寸十分緊湊，僅為 29mm x 29mm x 10mm，可提供相同的成像性能和封裝式 Blackfly S 型號的完整豐富功能；而緊湊型 GPIO 和接口連接器則額外節(jié)省了空間。FLIR 嵌入式視覺攝像頭產(chǎn)品的另一重要優(yōu)勢是使用 1/3” 至 1.1” 尺寸傳感器的所有攝像頭因外形系數(shù)相同而可用性良好——多種攝像頭型號采用一致的外形系數(shù)簡化了系統(tǒng)及未來產(chǎn)品變型的開發(fā)與升級。

透鏡支架

對于希望集成非標準光學元件或?qū)D像傳感器盡可能靠近目標放置的客戶而言，板級相機是一個具有吸引力的選擇。板級相機沒有固定的透鏡支架，設計人員可自由選擇除機器視覺行業(yè)常用的標準 C、CS 或 S 接口透鏡以外的光學元件。對于通常無需透鏡的生物技術和激光束分析應用，這種設計也非常適合。板級攝像頭的另一種常用應用是將透鏡支架集成到另一產(chǎn)品部件中——“嵌入式視覺攝像頭”的名稱由此而來。另外，采用模塑成型的方式將透鏡支架直接集成到產(chǎn)品外殼可有效簡化制造和組裝，從而進一步降低成本。為了評估未配備透鏡支架的板級相機，還應購買安裝配件。如果封裝型號具有與板級型號相同的傳感器和功能，它們便可用作開發(fā)平臺。

為板級攝像頭選擇正確的透鏡支架選件時，其中一個最重要的因素是所使用的傳感器的尺寸。通常，S 型支架透鏡設計用于 1/3" 或更小的低分辨率（通常低于 2MP）傳感器。CS 型支架透鏡則設計用于 1/3” 至 1/2” 的傳感器。如果傳感器尺寸是 1/2” 或以上，最好使用 C 型支架透鏡。

熱管理

封裝機器視覺相機依靠其外殼表面區(qū)域來消散傳感器、FPGA 和其他組件產(chǎn)生的熱量。如果沒有外殼，對高性能板級相機可能會有其他設計要求，從而確保其在推薦溫度范圍內(nèi)運行。這種情況下，提供足夠的散熱是關鍵所在。制造商通常會為溫度最高的組件提供最高結(jié)溫。對于FLIR Blackfly S 攝像頭，規(guī)定的 FPGA 的最高結(jié)溫為 105 攝氏度（221 華氏度）。

系統(tǒng)設計人員必須確保其熱管理解決方案符合此指標。散熱器尺寸、相機所安裝的機架表面積或所需主動散熱器的類型取決于傳感器、幀速率、運行環(huán)境及正在執(zhí)行的相機圖像處理數(shù)量。為便于在攝像頭上安裝散熱器，我們推薦在導熱墊上使用散熱膏，盡可能減少板對攝像頭的應力。

外殼設計和快速原型制作

多數(shù)情況下，板級攝像頭直接集成到嵌入式視覺系統(tǒng)/產(chǎn)品中，不需要外殼。但對于攝像頭不與某一產(chǎn)品集成而使內(nèi)部暴露在元件下的應用，可能有必要通過外殼防止損壞?？焖僭椭谱髦?，嵌入式系統(tǒng)設計師可以用 3D 打印機輕松設計打印一個攝像頭外殼，或使用足以容納攝像頭的通用塑料外殼，然后通過墊片和安裝支架將攝像頭安裝到位。

接口和連接器

第一代 USB 3.1 是嵌入式系統(tǒng)的理想接口。其通用化功能可確保為從臺式計算機到基于 ARM 處理器的單板計算機 (SBC) 等各類硬件提供支持。直接存儲器訪問 (DMA) 無需使用過濾器驅(qū)動程序，便可將延遲保持在最低限度。第一代 USB 3.1 還采用單根電纜供電并可提供高達 480 MB/s 的數(shù)據(jù)吞吐量，有效地簡化了機械和電氣設計。

嵌入式系統(tǒng)設計人員的一個重要目的包括現(xiàn)有設計的小型化。在這種情況下，電纜最大長度就遠不如電纜和連接器體積重要。撓性印制電路 (FPC) 電纜采用長達 30 米的電纜，支持第一代 USB 3.1。FPC 電纜顧名思義指的是可以彎曲扭轉(zhuǎn)以適應緊密包裝系統(tǒng)的電纜。另外，高品質(zhì)鎖定連接器和帶鎖凸耳的 FPC 屏蔽電纜可確保高度安全、可靠的連接。

不過 USB 3.1 接口有一個潛在的弊病，它的高頻信號會對無線設備造成高達 5 GHz 的干擾（如 GPS 信號）。對于使用此類無線頻率的應用，我們也提供帶 GigE 接口的 FLIR 板級攝像頭。

MIPI CSI 是另一種許多嵌入式主板使用的通用接口。但與 USB 相比，MIPI 協(xié)議和驅(qū)動程序的復雜性可能會使得開發(fā)更加耗時?；诘蛪翰罘中盘?(LVDS) 的接口同樣可用，而且專為直接連接主機端 FPGA 而設計；但每個信號傳輸通道需要兩條電線——這在某些應用中是一個微小卻又重大的弊端。

軟件支持

選擇用于嵌入式系統(tǒng)的相機時，軟件支持是一個不容忽視的重要考慮因素。有了支持臺式和嵌入式系統(tǒng)的 SDK，設計人員能夠通過熟悉的工具輕松自如地開發(fā)視覺應用程序，并輕松地將其部署到所選擇的嵌入式平臺上。FLIR 的 Spinnaker SDK 可為基于 x86、x64 和 ARM 處理器的 Windows 和 Linux 臺式系統(tǒng)提供支持。

電磁兼容性

如果沒有外殼提供的屏蔽作用，板級相機的電磁兼容性 (EMC) 與封裝型號會有所差異。所有封裝的 FLIR 機器視覺攝像頭均經(jīng)過了 EMC 認證；不過板級攝像頭尚未進行該認證。這些板級攝像頭要嵌入其他產(chǎn)品/系統(tǒng)，因此需單獨對成品進行認證。無論是哪種應用，我們都建議它們和其他電氣組件那樣遵循電磁干擾 (EMI) 管理最佳實踐。

結(jié)論

板級攝像頭對嵌入式視覺系統(tǒng)的革新，使緊湊多功能的創(chuàng)新性產(chǎn)品的設計更加自由和靈活。除本文提出的因素外，還要注意使用高質(zhì)量傳感器、光學元件和可靠部件，讓您的嵌入式系統(tǒng)適應未來。FLIR 的全系列板級攝像頭專為這些應用而設計，提供業(yè)界領先的 3 年質(zhì)保。我們的機器視覺專家可以幫助您針對嵌入式系統(tǒng)選擇正確成像性能和外形因素等級 - 了解更多。