文/范福永，Euresys 中国区销售及技术支持经理
CoaXPress视觉标准
CoaXPress标准是一种先进的非对称串行高速视觉标准。在机器视觉应用中，主要采用CoaXPress标准作为相机和图像采集卡之间高速图像数据传输的数字接口。该标准于2008年首次作为设计概念推出，并于2011年由日本工业成像协会（JIIA）作为正式的视觉标准发布。
CoaXPress作为新一代高速视觉标准，具有不同于其他视觉标准的特点和优势，见表1。
表1：CoaXPress标准传输特性列表
在当前的CoaXPress 2.1规格中，传输速率提高到了12.5Gbps。在相机或者采集卡的设计中，通过4个通道的数据聚合，可以实现50Gbps的传输带宽。这是目前所有机器视觉传输标准中实现的最高带宽。50Gbps的带宽使用户可以获得更高的图像分辨率、帧率或更快速的图像采集和传输，也成功地将机器视觉的应用效率提高了数倍以上。
CoaXPress-over-Fiber及CXP-12速率
对于CoaXPress标准的未来，以Euresys为代表的CoaXPress技术委员会有着更为远大的设想。视觉标准的基石是传感器、计算机硬件、计算机视觉以及计算机通讯技术。这些技术都处在高速的升级和发展中。带宽达100G/200G的传感器已经批量出货并且迫切需要图像传输标准，以释放传感器的全部潜力，常用的CPU和GPU的算力都达到了TFLOPS的级别，而计算机通讯的带宽已经实现了400G的广泛应用。所有这些技术的高速发展，都为视觉技术和标准升级提供了技术可能性。
在机器视觉应用领域，有多种应用可以通过更高的相机分辨率、更快的帧率来提高检测速度和效率，比如光伏中的硅片/电池片检测、锂电中的隔膜检测、平板显示和电子制造中的AOI检测、纺织印刷品的表面缺陷检测等。而另一些应用却亟需更高的传输带宽来真正满足对检测速率的要求，或者实现更高效的系统设计，比如半导体晶圆缺陷检测、先进封装中的AOI和3D检测等。
以上这些因素都促进了CoaXPress的继续发展。引入更高级的技术，设计更高规格、更有优势的下一代标准，提供更好的性价比是CoaXPress标准发展的目标。在这一设定下，CXP-25的传输速率已被正式推出。CXP-25可以实现单一数据通道上25Gbps的传输带宽，将CXP-12的速率提高了一倍。
虽然CoaXPress标准所基于的各种技术都在更高的规格上成熟运用，但实现CXP-25的信号传输的设计时，却遇到了电缆传输距离缩短的问题。随着传输带宽的增加，同轴电缆的信号衰减加剧。通常使用的75Ω同轴电缆，在12.5Gbps的速率及50Gbps（12.5Gbps×4）的传输带宽下，可以实现40m距离的可靠信号传输。但是当传输速率翻倍至25Gbps、传输带宽达到100Gbps时，可靠传输的距离（最长电缆长度）因为信号衰减而显著缩短，失去了长距离传输这一优势。如果速率和带宽继续提高至50Gbps和200Gbps，同轴电缆已经不能满足传输需要了。
对于这一问题，Euresys的工程师引入了光纤作为更高CXP速率和传输带宽下的传输媒介。在数据中心类的商业应用中，光纤传输已经实现了400G的传输带宽，其直接传输距离则可以实现数百米甚至几十公里。另外，光纤具有更好的抗噪能力以及更经济的制造成本，是同轴电缆的一种很好的替代方案。
重新设计“将CoaXPress数据调制为光信号”的模块，成本巨大，会降低CoaXPress的经济性。工程师们采用了另一种更为聪明的办法，利用以太网数据链路层和物理层的接口nGMII、与CoaXPress数据层和物理层接口具有近似性的特点（见图1），将CoaXPress的数据层通过转换，链接到以太网的物理层，实现CoaXPress的数据在以太网光纤上的传输。这样，CoaXPress的传输媒介可以利用市场上大量使用且具有经济性的光模块和光纤，同时解决了带宽增长带来的同轴电缆衰减和传输距离下降问题。
图1：以太网与CoaXPress-over-Fiber物理层结构对比，左为以太网，右为CoaXPress-over-Fiber。
这个转换是通过对nGMII和CoaXPress的K-Codes的映射完成的，工程师将其命名为CXP-PHY Bridge，接入了光纤以后CoaXPress升级成为CoaXPress-over-Fiber。
CoaXPress-over-Fiber通过CXP-PHY Bridge Device和CXP-PHY Bridge Host来实现发送和接收两个方向的映射，可以实现从数据发送到接收的完整链路（见图2）。
图2：CoaXPress-over-Fiber从发送到接收的完整链路闭环。
CoaXPress-over-Fiber仍然可以实现多链路数据传输，并且具有链路扩展和聚合特性。图3显示了具有4路数据链路的设计结构。根据产品设计需要，还可以扩增链路数量。
图3：CoaXPress-over-Fiber多链路数据通道设计结构图。
需要指出的是，CoaXPress-over-Fiber上传输的数据仍然遵循CoaXPress标准，从而保证了图像信号传输的安全性、低延迟等优点。CoaXPress-over-Fiber技术解决了CoaXPress向CXP-25/50/100以及更高速度发展的瓶颈。2021年，JIIA将其发布为CoaXPress的扩展标准。
基于CoaXPress-over-Fiber的新一代产品
Euresys将CoaXPress-over-Fiber技术应用在了新一代FPGA IP核以及图像采集卡中，推出了CXP-25 FPGA IP核以及100G带宽的采集卡Coaxlink QSFP28。
FPGA IP核是指相对独立的某一些功能的FPGA电路设计。这些设计被封装成IP核后，可以实现设计复用，从而提高基于FPGA的产品开发进度，降低产品开发难度。在机器视觉中，FPGA IP核也被广泛使用。其中，可以标准化并且使用最多的是视觉标准IP核。Euresys的FPGA IP核业务由其子公司Sensor to Image负责。Sensor to Image针对CoaXPress标准提供了CXP Host/Device IP核以及CXPoF Bridge IP核，可以实现CoaXPress-over-Fiber产品的设计。
Sensor to Image的CXP IP核提供CoaXPress数据发送和接收的接口设计。可以支持AMD和Intel两大主流厂商的多种FPGA型号，提供CXP-6/CXP-12以及CXP-25的传输速率支持。CXP发送端（Device）IP核主要负责接收来自传感器的图像数据，对其进行CXP格式的组包操作，并且通过收发器接口发送到CXP的物理层上。CXP接收端（Host）IP 核主要通过收发器接口从CXP物理层接收CXP组包数据，并对其进行解包，然后将其发送至图像处理单元。CoaXPress FPGA IP核结构见图4所示。
CXPoF Bridge IP核实现的是CXP-PHY Bridge转换映射层的功能。它提供了发送端或者接收端的CXP和以太网nGMII接口层之间的映射功能，见图5。CXPoF Bridge和以太网的PCS/PMA直接连接，支持10G和25G的带宽，分别实现对应CXP-12和CXP-25速率的映射工作。
图5：CXPoF Bridge IP核及基于CoaXPress-over-Fiber的产品设计架构示意图，上图为发送端，下图为接收端。
Sensor to Image不仅能提供CoaXPress核心的图像传输和接口功能，而且也提供整体的相机（不含图像处理功能）参考设计，或者嵌入式图像采集卡（不含PCI/e接口以及图像处理功能）的参考设计。这些参考设计为用户的产品开发提供了一个大致的框架和流程标准（见图6）。在此基础上，用户可以依照图6的步骤有序地完成自己的参考设计。除此之外，Sensor to Image还可以为用户提供前期的确认产品设计规格和架构、选择硬件平台的咨询，以及后期的设计和制作产品原型、开发配套软件的可选功能和技术支持。
图6：基于Sensor to Image FPGA IP核进行产品开发的流程。
Euresys基于CoaXPress-over-Fiber和CXP-25，还推出了一款新的图像采集卡Coaxlink QSFP28（见图7）。该采集卡通过对四路CXP-25数据通道的聚合，首次实现了100G的传输带宽。这也是机器视觉行业的首款100G采集卡。该卡继承了EuresysCoaxlink系列产品的优势和功能设计特点，包括板载预处理、线扫支持、相机同步等，支持eGrabber图像采集驱动和开发套件以及Memento事件记录工具。
图7：首款100G带宽的CoaXPress图像采集卡Coaxlink QSFP28。
Coaxlink QSFP28还提供了更多的相机连接拓扑结构。这些连接拓扑使得该卡不但可以和100G带宽的相机配套使用，还可以通过单张采集卡，连接多个甚至混连多个25G或者50G的相机（见图8）。多相机连接的拓扑结构，可以节省主机的空间和总线资源。
图8：Coaxlink QSFP28所支持的单相机和多相机连接拓扑结构。
CoaXPress和CoaXPress-over-Fiber未来应用探讨
随着CoaXPress-over-Fiber技术的采用，CXP传输速率和距离不断提高，这不仅使现有应用视觉系统和设备设计规格升级以及提高检测效率，还会使未来一些新的应用快速发展。
当前的3D应用，多数都集中在2.5D测高以及精度要求较低的物件抓取等应用场景，真正的基于3D图像应用和检测的场景仍然比较少。3D图像采集和传输会产生巨大的数据量，这是3D图像应用受到限制的直接原因之一。随着数据传输瓶颈的突破，3D测量、识别、匹配等需要完整3D信息及高精度检测的应用将得到发展。一些会产生巨大数据的检测应用，如超幅宽的材料、巨大型工件、汽车车身、建筑和道路等，以前需要采用多相机甚至多系统来检测，现在采用新的CoaXPress-over-Fiber相机和采集卡，可以大幅简化系统的复杂性。
在非质检类应用中，CoaXPress-over-Fiber还可以用来捕捉大型空间现场的图像，利用其低延迟、长距离、高带宽的传输特性产生沉浸式影像场景，为AR/VR应用中的体育赛事、现场演出、互动游戏等提供实时的现场影像。另外，诸如卫星/空中测控、农林业监控、气象检测等应用，都可以在CoaXPress-over-Fiber提供的更高规格的传输特性和更具性价比的系统方案的基础上，进一步发展。
参考文献：
1.CoaXPress Version 2.1 JIIA CXP-001-2021, JIIA.
2.CoaXPress over Fiber Bridge Protocol Version 1.0 JIIA CXPR-008-2021, JIIA.
本文转载自：雅时视觉系统设计