采用Xilinx7系列技术的

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1、WP453 （1.0 版） ，2014 年 7 月 13 日1白皮书 ： 7 系列 FPGA 与 Zynq SoCWP453 （1.0 版） ，2014 年 7 月 13 日采用 Xilinx 7 系列技术的 高性能机器视觉系统作者 ： 赛灵思公司的 Mark Timmons 与 Sensor to Image 公司的 Werner Feith赛灵思携手其联盟合作伙伴 Sensor to Image 公司为日益增长的高性能机器视觉市场开发了硬件、软件、IP 及完整的交钥匙系统解决方案。摘要机器视觉市场正经历着高端视觉系统像素速率的空前增长。这种加速增长已经超越了半导体制造商及其市场多年来已经适

2、应的摩尔定律，因而对高性能连接功能呈现日益增加的迫切需求态势，采用该连接技术只需最少数量的电缆就可在 100 米的范围内无缝支持 10G+ 的链路速率。本白皮书将探讨这种高性能尖端技术的系统需求，同时重点介绍基于赛灵思7 系列 FPGA 设计并符合相关标准的交钥匙机器视觉系统的应用领域。赛灵思的机器视觉合作伙伴 Sensor to Image 公司（S2I）现已开始提供基于赛灵思技术的交钥匙设计方案。本白皮书介绍了多种可供客户选择的赛灵思解决方案，其能够满足关键应用需求，如 ： 降低功耗、降低系统总成本，以及当系统负载要求最终超过当前趋势时易于扩展。赛灵思与 S2I 的此次开创性协作可以为潜在

3、客户带来业界领先的端对端解决方案，其中包括能够解决目前市场中全新机器视觉挑战的相机 / 采集卡硬件和符合标准的可靠软件。 Copyright 2014 Xilinx, Inc. Xilinx, the Xilinx logo, Artix, ISE, Kintex, Spartan, Virtex, Vivado, Zynq, and other designated brands included herein are trademarks of Xilinx in the United States and other countries. AMBA, AMBA Designer, ARM

4、, ARM1176JZ-S, CoreSight, Cortex, and PrimeCell are trademarks of ARM in the EU and other countries. PCI, PCI Express, PCIe, and PCI-X are trademarks of PCI-SIG. All other trademarks are the property of their respective owners.容采用 Xilinx 7 系列技术的 高性能机器视觉系统简介用于机器视觉系统的业经验证的连接解决方案10G+ 技术 ： 高性能视觉系统采用 10G

5、+ 技术的系统示例赛灵思 7 系列Artix-7 系列 6Kintex-7 系列 6Virtex-7 系列 6CoaXPress（CXP）与 10G+ 系统GigE Vision 与 10G+ 系统采用 Zynq-7000 SoC 的高性能 10G+ 系统总结修订记录采用Xilinx 7系列技术的高性能机器视觉系统WP453 （1.0 版） ，2014 年 7 月 13 日2简介大型平板显示器的质量测量等众多新型应用迫使机器视觉应用需要更高的相机分辨率和更高的帧速率，以满足量产需求。同样需要高分辨率、高速图像采集的其它应用包括半导体晶圆检验、PCB 检验和邮政包裹识别等。所有此类应用的扩展显著

6、提高了带宽需求。由于机器视觉需求极其广泛，涵盖低端、中端和高端系统，因此本白皮书主要针对链路速度达到 10Gbps或更高总带宽的应用。此类系统的设计人员势必会遇到极具挑战性的技术障碍，而赛灵思 7 系列（包括Zynq全可编程 SoC 平台）可利用功能强大的新技术解决上述挑战。本白皮书介绍的可扩展解决方案可为设计人员提供稳健可靠的系统平台，其性能已经过验证能够在长达 100 米的范围内处理超高像素速率。在打造新一代机器视觉连接技术时已经考虑到了整个系统设计的三大方面 ： 成本、性能与功耗（包括远程供电与散热考虑因素） 。本白皮书详细介绍的相关解决方案不仅可满足上述需求，同时能够让设计人员对于解决

7、方案的使用寿命充满信心。赛灵思器件系列的长使用寿命在市场中众所周知，也就是说，赛灵思产品从最初投产到使用寿命结束的时间通常会超过 10 年。另外，本文介绍的所有机器视觉解决方案的实现过程均符合公认的通信标准要求。在引入 Zynq-7000 全可编程 SoC 系列之后，设计人员现在可以在智能可编程器件中支持 10G+ 连接技术，此类器件能够运行广泛的高性能机器视觉软件，如 ： MVtec 的 HALCON。采用 Zynq 器件的可编程逻辑（PL）可为系统适当配置机器视觉软件和先进图像处理技术，以加速视觉处理，然后将此功能与Zynq 器件中的高性能 ARM 双核 Cortex -A9 处理系统（P

8、S）结合在一起。这种技术组合能够用于以下基于 Zynq 器件的紧凑型视觉系统应用 ： 采用高性能 10G+ 连接功能的嵌入式接收器 无需 PC 的低功耗可定制嵌入式平台 长使用寿命 高效可编程平台 ： Zynq 器件 PL 中的加速视觉处理 Zynq 器件 PS 中高达 1GHz 的高性能串行处理 采用Xilinx 7系列技术的高性能机器视觉系统WP453 （1.0 版） ，2014 年 7 月 13 日3用于机器视觉系统的业经验证的连接解决方案在标准的机器视觉系统中，由机器视觉相机采集图像，其中包括 CMOS/CCD 成像器与图像的预处理功能 ； 然后这些图像实时 （低时延） 传输到基于 P

9、C 的采集卡或嵌入式采集卡 （紧凑型视频系统） 。参见图 1。?WP453_01_061814工业 PC 或 PLC用户接口软件 应用程序线性机器人 系统 RL 10相机照明远心相机图像处理板 采集卡照明各种光源CCD/CMOS 相机 模拟相机 智能相机传感器图 1 ：基本机器视觉系统此类系统严重依赖业经验证的接口连接技术，如 ： GigE Vision、Camera Link、Firewire、USB 2.0，以及 USB3 Vision 等新标准。这些标准能够提供充足的可用链路带宽，让图像可靠传输到采集卡，从而轻松满足大多数中低端应用的需求。另一个重要考虑因素是某些应用需要将相机放置在离采

10、集卡 / 视觉处理设备较远的地方。例如，Camera Link 与 USB3 Vision 等标准虽然能够提供 5Gbps 以上的超高传输速率，但是距离却限制在几米之内（未采用昂贵的专用电缆的情况下） 。这正是 CoaXPress （CXP）和 GigE Vision V2 等最新机器视觉标准（可支持 10G 以太网带宽）的用武之地，它们提供能够支持 100 米及更长电缆距离的解决方案，从而为视觉系统的系统集成商带来更大灵活性。另一种通过铜电缆进行高速通信的替代方案是 Camera Link HS，其能够通过多对线路（四对）提供 10G连接功能 ； 但是该技术支持的距离仅限 15 米。面向此标

11、准的布线解决方案是基于 CX-4 Infiniband，其成本高于其它铜电缆解决方案，因此最适合固定应用，否则会降低可靠性。就 GigE Vision 而言，还可以采用光纤电缆将所支持的距离延长到 300 米以外。采用Xilinx 7系列技术的高性能机器视觉系统WP453 （1.0 版） ，2014 年 7 月 13 日4作为 GEV2.x 的组成部分，10G GigE Vision 目前支持以太网标准所支持的所有比特率和布线 / 捆绑技术。例如，基于四信道链路聚合组（LAG）的 10G 以太网技术目前可以采用 QSFP+ 连接器将距离延长到 1 公里以外。当然必须要在成本和性能之间进行权衡取

12、舍。表 1 说明了上述以及其它连接解决方案的要求与功能。表 1 ：机器视觉连接标准对比CoaXPressCamera LinkGigE Vision 1.xUSB3.0GigE Vision 2.xCamera Link HS单链路速度6.25Gbps2Gbps （基础，1 根电缆）1Gbps5Gbps高达 10Gbps3.125Gbps最高速度N * 6.25Gbps （N 根电缆）5.5Gbps （Deka，2 根电缆）2Gbps （LAG）5Gbps20/40Gbps （2/4 LAG）2N * 3.125Gbps （N 根电缆）成本中低 （需要采集卡）中高 （需要采集卡）中低中 / 高

13、中复杂性低低高中高中布线同轴电缆定制多核六类网线（Cat-6）复杂，量 产六类网线（Cat- 6） 、光纤CX-4最大长度100 米 /50 米10 米 /7 米100 米3 米光纤可达 20 公里 以上15 米，光纤可达 300 米以上数据完整性CRC、8B/10B无CRC, 8B/10B, 重 发CRCCRC、8B/10B 或 64B/66B，重发CRC、重发实时触发器有，4ns有无无有、基于 IEEE1588 （25ns）无本白皮书的下面部分主要介绍这些带宽更高的新技术。赛灵思已经拥有了采用 Virtex-7 器件支持每对收发线路超过 28G 带宽的先进技术。这些技术可以组合在一起提供

14、100Gbps 的超高带宽链路。它们目前主要针对超高端应用，不过随着技术趋于成熟以及新一代赛灵思全可编程器件上市，它们有可能成为较为主流的技术。10G+ 技术 ： 高性能视觉系统如前所述，CoaXPress 和速度达 10Gbps 的 GigE Vision 2.x（简称 10G GigE Vision）等技术是能够满足高带宽需求的备选方案。下文将介绍几种替代解决方案以及对这些技术目前轻松实现的带宽进行扩展的可行方法。例如，可以采用 GigE Vision 标准中的链路聚合组（LAG）把所有的 1G 链路整合成 2G 链路，但设计人员很难在此基础上再上一个台阶。当不采用 CXP 或 10GE

15、Vision 等高速通信链路时，为了获得所需吞吐量，系统设计人员必须通过更多的链路传输图像，这样会带来更多难题，必须考虑更多因素，如表 2 所述。采用Xilinx 7系列技术的高性能机器视觉系统WP453 （1.0 版） ，2014 年 7 月 13 日5表 2 ：采用多条链路以获得高吞吐量多链路的不利因素原因 / 影响降低可靠性更多机械连接与电缆增加功耗系统中需要更多的发射器增加互联复杂性更多布线、连接器和处理增加安装复杂性增加 LAG 设计复杂性增加组件成本增加采集卡复杂性需要有更多端口的采集卡，或者不采用标准以太网 NIC（GigE Vision）降低可扩展性降低剩余的链路带宽裕量要求机

16、器视觉设备具备高吞吐量速率的设计人员发现 ： CXP 和 10GE Vision 等系统既可以满足高带宽视频传输的需求，又不会存在多股电缆和多个连接器所带来的复杂性与高成本问题，同时能够支持为了满足快速变化的市场需求而轻松适应与扩展的平台。由于像素速率需求不断提高，设计出具有“面向未来”元件的系统至关重要。例如，CXP 允许添加更多链路以支持 25Gbps（甚至在单根混合电缆中） ，而10GigE Vision 可支持双端口 LAG。此外，为了简化 10GigE Vision 的集成（以及降低其成本） ，赛灵思 Kintex-7 与 Virtex-7 系列支持利用赛灵思的 10GBase-R IP 模块直接连接到 SFP+/CFP 光纤模块。这些技术降低了相机的预处理要求，而且无需复杂图像处理的图像传输也可减少带宽。所有图像处理都在采集卡