Vision via coax kabel wint gestaag aan terrein

Eind 2009 won Adimec de Vision Award in Stuttgart voor hun CoaXPress vinding. De door de Nederlanders ontwikkelde communicatiestandaard die vision via een coaxkabel mogelijk maakt, viel niet voor niets in de prijzen. CoaXPress is snel en voordelig en kan meer dan 100 meter overbruggen. Wat is na ruim 7 jaar laer de stand van zaken? Waar komt CoaxPress goed tot zijn recht en wat zijn de plannen voor de nabije toekomst?

Er zijn heel wat communicatiestandaarden voor vision die elk hun eigen voor- en nadelen hebben. Enkele eigentijdse smaken zijn HS CameraLink, 10GigE en USB 3.0 . Dit artikel gaat echter over het relatief jonge en een tikkeltje eigenwijze CoaXPress. Want hoewel het even heeft geduurd lijkt de standaard inmiddels door de meeste cameraleveranciers omarmd.

Wat is CoaXPress?

Coaxpress is een seriële communicatiestandaard voor high speed vision die gebruikt maakt van coaxkabel. De huidige versie ondersteunt een downlink snelheid van 6,25 Gbit per seconde en beschikt over een uplink kanaal van 20,8 Mbit per seconde voor het instellen van camera’s of het versturen van triggers. De camera kan ook een interface voor meerdere camera’s zijn: via die ene coaxkabel is het mogelijk om beeldgegevens en/of meta data van meerdere camera’s te ontsluiten. Mocht een snelheid van 6,25 Gbit per seconde niet genoeg zijn, dan kunnen meerdere coaxkabels ook parallel worden ingezet. Bijkomende voordeel van CoaXPress is bovendien dat er per kabel 13W aan vermogen beschikbaar is om ook veeleisende camera’s van stroom te voorzien. Last but not least: zonder versterkers of andere trukendozen kunnen afstanden van meer dan 100 meter worden overbrugd.

Kleine geschiedenis

Waar heeft de wet van Moore eigenlijk geen debet aan. Beginjaren 2000 gaf de exponentiele groei van rekenkracht de visionleveranciers naast kansen, toch ook wel enkele kopzorgen. Want wat doe je met die toenemende stroom aan beeldgegevens? Helemaal met de opmars van CMOS, zou de toenmalige defacto standaard voor high speedvision – CameraLink – tegen enkele grenzen aan gaan lopen. Snelheid was toen nog geen direct probleem (5,44 Gbit/s in ‘full configuration’), maar dan mocht je niet langer dan 7 meter. Wie wel eens kabels door een machine heeft getrokken weet dat dat niet overhoudt. Bovendien waren diverse sectoren die snelheid en lengte vroegen niet de meest ‘fijngevoelige’. Voor militaire toepassingen bijvoorbeeld is een 26-pins oplossing niet de meest robuuste. Voor Adimec was het rede om visioncommunicatie eens goed te heroverwegen. Coaxkabel bleek een ideaal rechttoe rechtaan alternatief. Geen 26 pinnetjes, maar één ader met degelijke EMC-afscherming. Bovendien was seriële communicatie de nieuwe norm en was coaxkabel al in allerlei soorten en maten te krijgen. Extra soepel, hallogeenvrij of in een versie voor cleanroomtoepassingen. Dat zou de adaptatie ten goede komen en de kosten aanzienlijk drukken. Dit vonden ook diverse vakgenoten en eindgebruikers. CoaXPress werd tot standaard verheven en won in 2009 de Vision Award tijdens Europa’s grootste visionbeurs.

3D AOI

Tot zover de theorie en accolades. Hoe doet CoaXPress het in de praktijk? Een plek waar CoaXPress veel wordt toegepast is 3D Automated Inspection – 3D AOI voor de acroniemenliefhebber. Hier worden meerdere hogesnelheid camera’s gebruikt om zeer kleine fouten en afwijkingen in printplaten (PCB’s) te detecteren. Denk aan de plaatsing en hoogte van microchips, elektronische componenten, maar ook aan hoe het soldeer is aangebracht (SDI – Solder Paste Inspection). Om optimaal van alle pixels van gebruik te maken, is een communicatiestandaard nodig die de grote hoeveelheden data die deze high end camera’s genereren weet te verplaatsen. Koren op de molen van CoaXPress.

De reden van het grote aantal pixels bij dit type applicatie komt enerzijds omdat er met meerdere camera’s gelijktijdig gekeken wordt. Dit kunnen er tot 5 stuks zijn, waarbij verschillende ROIs (Regions of Interest) worden bekeken en tegelijkertijd worden onderzocht. Bovendien is de controle inline en 100 procent. Elke printplaat en elk chipje wordt bekeken, terwijl de machine op volle snelheid draait. De vergaarde pixelgegevens worden vervolgens aan een framegrabber aangeboden, welke ze via een PCI of PCIe bus doorgeeft aan een PC met beeldverwerkingssoftware.
De cameraspecificaties zijn anno 2017 eveneens behoorlijk- een resolutie van 12 megapixels bij 180 frames per seconde is zo’n beetje de norm – wat betekent dat de beschikbare bandbreedte dit ook moet zijn, wil men de pixeldata op tijd aan de beeldverwerkings-PC kunnen aanbieden.

Hier begint het 3D AOI-verhaal pas echter. Een van de grote aanjagers in elektronica is de smartphone-industrie. Wil je als fabrikant meetellen? Dan is één nieuw model per jaar eigenlijk al niet meer genoeg. De cycli worden daarmee al maar korter. Wie de concurrent wil voorblijven met snellere marktintroducties zijn zal niet alleen zijn telefoon sneller moeten ontwerpen en engineeren. Dit geldt natuurlijk ook voor de productiemiddelen. De productie staat onder een continue druk om goedkoper, efficiënter hogere volumes in een kortere tijd te produceren. En wat voor de productie geldt, geldt natuurlijk ook voor de kwaliteitscontrole. Snelheid is allesbepalend. Voor de machine, de camera en de bus. Gelukkig kan een en ander onder de invloed van Moore’s law ook steeds sneller. Want hoewel de grenzen voor wat betreft transistordichtheid in zicht lijken, verdubbelt de rekenkracht zich nog steeds elke 1,5 tot 2 jaar door nieuwe architecturen. Moore echter ook een keerzijde: alles wordt steeds kleiner. Voor een visionsysteem dat die kleinere componenten wil bekijken betekent dat, dat het steeds preciezer moet zijn. Preciezer betekent een hogere resolutie en dat betekent weer een hogere pixelkwaliteit en dus meer data. Aangegeven in pixel-depth – voor 3D AOI is 8 bit de norm – bepaalt de pixelkwaliteit niet alleen hoe klein de dingen zijn waar we naar kunnen kijken, maar ook de betrouwbaarheid van onze waarneming. Of om het nog anders te zeggen: data-integriteit is in toenemende mate een factor voor 3D AOI. En dan worden ineens ook dingen als ruis door elektromagnetisme (EMC) een issue, helemaal als de kabels langer worden.

Semiconductor: front-end en back-end inspectie

Een tweede tak van sport waar CoaXPress inmiddels vaak wordt toegepast is bij de productie van halgeleiders. Grofweg kan deze in twee delen worden opgesplitst: front-end processing en back-end packaging. Tijdens front-end processing wordt in het substraat van de wafer middels dotering structuren aangebracht (transistoren, condensatoren) die gezamenlijk het ‘integrated circuit’ vormen. Tijdens back-end deel wordt het geheel als het ‘ingeframed’ en ‘ingepakt’. Omdat kleine fouten in productie tot falen van IC’s kan leiden, wordt elke stap nauwkeurig gecontroleerd. Tijdens front-end deel betekent dit het middels verschillende technieken kijken naar de wafer zelf. Tijdens het back en deel wordt tijdens de ‘bump inspection’ gekeken of alle bumps er zijn, maar ook naar vormafwijkingen, mogelijke sluiting tussen bumps en natuurlijk of alles met frame en package in orde is. Hierbij wordt met verschillende camera’s tegelijkertijd naar bepaalde ROI’s gekeken, waarbij één camera ‘het overzicht bewaard’ en andere voor een specifieke hiervoor genoemde taak zijn­­ ingesteld. Ook hier worden alle pixel gegevens aan de framebragger doorgegeven en aan de PC aangeboden ter analyse. De belangrijkste parameters voor succes? Resolutie en pixel depth. In halfgeleiderland praten we dan over 25 megapixels en 12 bits. Dit betekent echter niet dat snelheid geen rol spelt. Bij dit soort getallen gaat 80 frames per seconde niet in de koude kleren zitten en zo hebben we ook bij halfgeleiderinspectie een uitdaging voor wat betreft beschikbare bandbreedte.
Grappig genoeg zijn in het geval van halfgeleiders de productie uitdagingen ook deel van de oplossing. De opmars van CMOS is hiervan een duidelijk voorbeeld. Met een flinke boost vanuit de consumentenelektronica, die steeds sneller krachtigere en kleinere camera’s in zijn telefoon wil, zijn het de almaar krachtiger en kleiner geworden CMOS-sensoren die de productiekwaliteit van de volgende generatie nauwgezet garanderen. En omdat er steeds preciezer kan worden gekeken, blijven resoluties stijgen en de pixelkwaliteit stijgen. Die pixelkwaliteit is bij machinebouwers voor de halfgeleiderindustrie overigens geen te onderschatte grootheid. Zij willen data zo ‘ruw mogelijk’ met zo min mogelijk ‘vervorming’ aan hun algoritmes aanbieden. Het interpreteren van ruwe precieze pixels, daar ligt hun onderscheidende expertise. En dan blijkt naast bandbreedte en meters, die elektromagnetische afscherming van CoaXPress een aangenaam voordeel.

High-end vision

En toen bleven er nog tal van toepassingen over waar CoaXPress de uitgelezen kandidaat is om de pixeldata te transporteren. Hoewel arbitraal, noemen we ze voor het gemak maar even high-end toepassingen. High-end omdat ze zo razend snel gaan bijvoorbeeld, dat je maar beter niet met de ogen knippert, wil je niks missen. Met nieuwe camera’s die full frame 540 frames per seconde aanbieden bijvoorbeeld. Je vindt ze in high-speed scanning, procesanalyse, materiaaltesten en uiteenlopende R&D kunststukjes. In dit domein vindt je ook de camera’s met de echt hoge resoluties: 50 megapixels of meer zijn geen uitzondering. Hoewel ook andere parameters een toepassing terecht als high-end kunnen classificeren, is de trend sneller betere beslissingen maken op basis van almaar meer nauwkeurige gegevens. In deze categorie vallen high-speed machinevision, slimme verkeerssystemen, 3D-robotvision en hyperspectrale analyse. Vaak zijn dergelijke high-end toepassingen maar specificatiegedreven. Over de lage kosten van een coaxkabel hoor je echter maar weinig high-end gebruikers klagen.

CoaXPess 2.0

Nog deze lente komt versie 2.0 van CoaXPress uit. De opvolger van CoaXPress 1.1.1 verhoogt de beschikbare bandbreedte naar 10 Gbit/s en 12,5 Gbit/s. Gebruikers kunnen deze verdubbeling natuurlijk aanwenden om snellere camera’s of camera’s met een hogere resolutie toe te passen. Ook kan met er voor kiezen om minder en flexibelere kabels en/of framegrabbers te gebruiken en zo kosten te besparen. Naar verwachting komen eind 2017 de eerste CXP 2.0 producten op de markt.

Kijk voor meer informatie op: www.coaxpress.com of www.hi-speed.vision

Liam van Koert

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *