Guía de integración de cámaras de nivel de placa

Introducción

La disponibilidad de ordenadores de placa reducida compactos y potentes está permitiendo el diseño de nuevos productos interesantes. Esto es de gran utilidad en aplicaciones en las que la miniaturización mejora el coste o la eficiencia. Además, los sistemas de visión pueden aprovechar las cámaras de visión artificial de nivel de placa con todas las funciones para reducir aún más el tamaño general de un producto y ofrecer flexibilidad operativa y, al mismo tiempo, compatibilidad con ópticas personalizadas o no estándar. Los ejemplos más comunes incluyen diagnóstico médico, metrología, robótica, visión integrada, inspección de embalajes e impresiones, escáneres portátiles, pruebas de laboratorio de mesa y otros sistemas con limitaciones de espacio.

En este artículo cubrimos varios aspectos importantes a tener en cuenta a la hora de escoger una cámara de visión integrada; estos aspectos incluyen el conjunto de funciones, el formato y las dimensiones, las opciones de la interfaz, la montura de lente, la compatibilidad del software, la gestión térmica y la compatibilidad electromagnética.

Formato y conjunto de funciones

Al hacer la transición de cámaras con carcasa a cámaras de nivel de placa, los diseñadores de sistemas deben considerar cuidadosamente sus requisitos de rendimiento de imagen y de cámara. Muchas cámaras de nivel de placa solo admiten sensores de baja resolución, pocas líneas de GPIO y funciones integradas a la cámara limitadas. En cambio, las variantes de nivel de placa de muchas cámaras de visión artificial con todas las funciones son simplemente cámaras estándar sin la carcasa. Si bien estas cámaras pueden lograr el rendimiento de imagen requerido, es posible que no sean significativamente más pequeñas que los modelos con carcasa estándar. Esas cámaras a menudo usan conectores de interfaz y GPIO estándar que son voluminosos y no son lo ideal para aplicaciones integradas. Por ejemplo, solo los conectores de bloqueo industriales comunes son aproximadamente del mismo tamaño que una cámara de nivel de placa Blackfly S.

Las cámaras FLIR de nivel de placa Blackfly S se diseñaron desde cero con los sistemas integrados en mente. Ofrecen el mismo rendimiento de imagen y amplio conjunto de funciones que incluyen los modelos Blackfly S con carcasa en un formato notablemente compacto de 29 mm x 29 mm x 10 mm; mientras que los conectores de interfaz y GPIO compactos permiten ahorrar espacio adicional. Otro beneficio importante de la línea de cámaras FLIR de visión integrada es la disponibilidad del mismo formato en todas las cámaras con una variedad de sensores de 1/3” a 1,1”; un formato constante en varios modelos de cámara facilita enormemente el desarrollo y actualización de los sistemas y variantes de futuros productos.

Montura de lente

Las cámaras de nivel de placa son una opción atractiva para los clientes que buscan integrar ópticas no estándar o colocar el sensor de imagen lo más cerca posible del objetivo. Al no contar con una montura de lente fija, las cámaras de nivel de placa les dan a los diseñadores la libertad de elegir ópticas distintas a las ópticas de montura C, CS o S estándar que se utilizan habitualmente en la industria de la visión artificial. Este diseño también es ideal para biotecnología y perfilado de rayo láser, aplicaciones que no suelen utilizar ninguna lente. Otra aplicación frecuente de una cámara de nivel de placa es que permite la integración de la montura de lente a otra pieza del producto, de ahí el término "cámara de visión integrada". Además, moldear la montura de la lente directamente en la carcasa de un producto puede reducir los costes aún más al simplificar la fabricación y el ensamblaje. Para evaluar una cámara de nivel de placa que no se envía con una montura de lente, también hay que comprar un accesorio de montura. Si se encuentran disponibles modelos con carcasa con sensores y funciones idénticas a los modelos de nivel de placa, se pueden utilizar como plataformas de desarrollo.

A la hora de escoger la opción correcta de montura de lente para una cámara de nivel de placa, uno de los factores más importantes a tener en cuenta es el tamaño del sensor utilizado. En general, las lentes de montura S están diseñadas para usarse con sensores de 1/3" o más pequeños con resoluciones más bajas, normalmente de menos de 2 MP. Las lentes de montura CS, por otro lado, están diseñadas para trabajar con sensores de entre 1/3” y 1/2”. Si el sensor es de 1/2” o más grande, es mejor usar una lente de montura C.

Gestión térmica

Las cámaras de visión artificial con carcasa dependen del área de superficie de la carcasa para disipar el calor generado por el sensor, la FPGA y otros componentes. Al no tener carcasa, las cámaras de nivel de placa de alto rendimiento pueden tener requisitos de diseño adicionales para garantizar que estén operando dentro del rango de temperatura recomendado. En dichos casos, proporcionar un disipador térmico adecuado es fundamental. Los fabricantes normalmente ofrecen una temperatura de conexión máxima para el componente de mayor temperatura. En las cámaras FLIR Blackfly S, la temperatura de conexión máxima de la FPGA está especificada en 105 grados C (221 Fahrenheit).

Los diseñadores de sistemas deben garantizar que su solución de gestión térmica cumpla con esta pauta. El tamaño del disipador de calor, el área de la superficie del chasis en el que está montada la cámara o el tipo de refrigerador activo requerido dependerá del sensor, la velocidad de fotogramas, el entorno de operación y la cantidad de procesamiento de imágenes en cámara que se lleve a cabo. Para colocar el disipador térmico en la cámara, recomendamos el uso de pastas térmicas sobre alfombrillas térmicas para minimizar el estrés de la placa en la cámara.

Diseño de la carcasa y prototipado rápido

En la mayoría de los casos, las cámaras de nivel de placa están integradas directamente en un producto/sistema de visión integrada y no se necesita una carcasa. Sin embargo, para aplicaciones en las que la cámara no se integrará a un producto y, por lo tanto, las partes internas de la cámara quedan expuestas a los elementos, puede ser necesaria una carcasa para prevenir daños. Para el prototipado rápido, los diseñadores de sistemas integrados pueden diseñar e imprimir fácilmente una carcasa para la cámara con impresoras 3D o usar carcasas plásticas genéricas que puedan encapsular la cámara y montar la cámara en su lugar con separadores y soportes de montaje.

Interfaces y conectores

USB 3.1 Gen 1 es una interfaz ideal para sistemas integrados. Su ubicuidad garantiza la compatibilidad con una amplia variedad de hardware: desde equipos de sobremesa a ordenadores de placa reducida (SBC) basados en procesadores ARM. El acceso directo a memoria (DMA) mantiene la latencia al mínimo sin necesidad de controladores de filtro. USB 3.1 Gen 1 también brinda potencia y hasta 480 MB/s de producción de datos con un solo cable, lo que simplifica el diseño tanto mecánico como eléctrico.

Uno de los principales objetivos de los diseñadores de sistemas integrados a menudo implica miniaturizar los diseños existentes. En estos casos, la longitud máxima del cable es mucho menos importante que el volumen del cable y conector. Los cables flexibles para circuito impreso (FPC) son compatibles con USB 3.1 Gen 1 con longitudes de cable de hasta 30 m. Tal como lo sugiere el nombre, los cables FPC son flexibles y se pueden doblar y girar para caber dentro de los compactos sistemas. Asimismo, los conectores de bloqueo de alta calidad y los cables FPC blindados con lengüetas de fijación pueden garantizar una conexión altamente segura y confiable.

Sin embargo, un posible inconveniente de la interfaz USB 3.1 es que es una señal de alta frecuencia que puede causar interferencia en dispositivos inalámbricos de hasta 5 GHz (p. ej., la señal de GPS). Para aplicaciones que utilizan esas frecuencias inalámbricas, también ofrecemos cámaras FLIR de nivel de placa con interfaces GigE.

La CSI MIPI es otra interfaz frecuente en muchas placas integradas. Sin embargo, la complejidad del protocolo y los controladores MIPI puede hacer que el desarrollo lleve mucho tiempo comparado con USB. Las interfaces basadas en señal diferencial de bajo voltaje (LVDS) también se encuentran disponibles y están diseñadas para interactuar directamente con la FPGA del lado host; sin embargo, cada canal de transmisión de la señal requiere dos cables, un inconveniente pequeño pero importante en determinadas aplicaciones.

Compatibilidad del software

Al elegir una cámara para utilizar en un sistema integrado, la compatibilidad del software es una consideración importante que no se debe pasar por alto. Un SDK que es compatible con sistemas integrados y de sobremesa les da a los diseñadores la libertad de desarrollar sus aplicaciones de visión en herramientas familiares y aplicarlas fácilmente a la plataforma integrada de su preferencia. El SDK de Spinnaker de FLIR es compatible con los sistemas de sobremesa Windows y Linux en sistemas x86, x64 y con procesadores ARM.

Compatibilidad electromagnética

Sin la protección que brinda la carcasa, la compatibilidad electromagnética (EMC) de las cámaras de nivel de placa será distinta a la de los modelos con carcasa. Todas las cámaras de visión artificial con carcasa de FLIR cuentan con la certificación EMC; sin embargo, las cámaras de nivel de placa no. Como estas cámaras de nivel de placa están integradas en otros productos/sistemas, se debe certificar el producto final por separado. Independientemente de la aplicación, siempre es aconsejable seguir las mejores prácticas de gestión de interferencia electromagnética (EMI) al igual que con cualquier otro componente eléctrico.

Conclusión

Las cámaras de nivel de placa están revolucionando los sistemas de visión integrada al proporcionar la libertad y flexibilidad para diseñar productos innovadores que son compactos y versátiles. Además de los factores abordados en el artículo, también es importante considerar preparar el sistema integrado para el futuro con sensores, ópticas y componentes confiables de alta calidad. La línea completa de FLIR de cámaras de nivel de placa está diseñada de cero pensando en las aplicaciones y viene con una garantía de 3 años, líder en la industria. Nuestros expertos en visión artificial pueden ayudarle a elegir el nivel adecuado de rendimiento de imagen y formato optimizado para su sistema integrado. Obtenga más información.