USB3 비전 가이드
설정·구성·사용 그리고 변경까지
USB 3.0은 컴퓨터 하드웨어 제조업체들에게 새로운 표준으로 다가왔다. 이 표준은 성능이 급격하게 상승하고 있는 컴퓨터와 주변장치들을 서로 연결할 수 있도록 돕는다. 이런 트렌드에 호응하듯 산업용 카메라 또한 USB 3.0으로 이동하고 있다.
자료제공 | Basler(www.baslerweb.com)
이 백서는 새로운 산업용 카메라 표준인 USB 3.0을 소개하기 위해 만들어졌으며, 카메라 시장에 USB 3.0 표준을 알리고자 한다. USB 3.0 카메라를 시스템에 통합할 수 있는 방법을 설명해 이전의 카메라 표준 기술을 USB 3.0으로 교체하는 데에 도움을 주고자 하는 것.
1. USB 3.0 소개
수퍼스피드 USB라고도 알려진 USB 3.0은 플러그 앤 플레이 범용 직렬 버스 규격을 사용하는 차세대 표준이다. USB 2.0 기술을 기반으로 USB 2.0 기술의 단점을 보완하고자 만들어졌다.
USB 3.0을 이용해 데이터를 전송할 때, USB 3.0이 제공하는 효과적인 가용 대역폭 내에서 약 400Mbytes/s 속도를 달성한다. 이는 기존 USB 2.0이 가진 대역폭의 열 배 가량 되는 수치이며, IEEE 1394b(파이어와이어b)보다 다섯 배 높다.
USB 3.0을 사용하면 연결 장치에 전력을 공급할 수도 있다. 약 900mA(기존 USB 2.0은 500mA) 가량의 비교적 높은 전력을 공급함으로써 전보다 다양한 장치를 작동할 수 있다. 또한 USB 3.0의 에너지 관리 기술이 발전함에 따라 대기 모드로도 여러 조작을 할 수 있게 되었으며, 이를 통해 상당한 전력을 절약한다.
USB 3.0은 플러그 및 케이블 등에 총 아홉 개의 핀과 와이어를 구성한다. 이는 USB 2.0보다 다섯 개 많은 수치다. 유니캐스트 이중 단면 데이터(Unicast Dual Simplex Data) 기능을 활용해 데이터의 양방향 전송을 허용하는 것도 특징. 기존 USB 2.0의 단방향 전송 모델을 개선한 USB 3.0 기술은 파이어와이어/DCAM 및 GigE 비전 표준 등의 전송 모델과 유사한 형태를 띠게 되었다.
USB 3.0은 비동기 알림을 보낼 수 있는 ‘Hosted Device’ 프로토콜을 탑재해 카메라가 호스트에게 전송할 준비가 되었다는 신호를 보낼 수도 있다. 이 기능은 USB 2.0의 폴링 기능과 함께 시스템 총 비용와 CPU 부하를 크게 줄여 경쟁 기술인 파이어와이어와 대등한 위치까지 격상시킨다.
현재 USB 3.0 표준을 후원하는 업체는 마이크로소프트와 인텔부터 르네사스와 텍사스 인스트루먼트까지 다양하다. 현재 점점 늘어나고 있는 추세다.
2. USB3 비전 표준
지난 몇 년간 USB 2.0 이 머신비전 시장에서 활약한 결과 최종 소비자들은 USB 2.0을 하나의 표준으로 받아들였다. 하지만 USB 2.0은 결과적으로 산업 시장을 견인하지는 못했다. 이미지 처리 기술과 매우 불안한 관계를 유지했던 것. USB 2.0의 실패 원인 중 하나는 인터페이스와 정보 처리 상호 운용성을 정의하는 표준이 없다는 점이었다.
머신비전 업체들, 즉 카메라와 케이블 그리고 소프트웨어 제조업체들은 깨달음을 얻었다. 이미지 프로세싱 시장에 USB 3.0 인터페이스를 도입하기 위해서는 표준 설정이 필요했다. 그렇게 해서 탄생한 것이 USB3 비전 표준이다. Basler 역시 USB3 비전의 초기 멤버로써 표준 제작과 홍보에 큰 역할을 했다.
표준이 만들어지면서 사용자들은 어떤 제품들이 USB3 표준으로 만들어져있는지 쉽게 알 수 있게 되었다. 같은 표준으로 만들어진 소프트웨어와 하드웨어를 호환할 수 있게 됨으로써 USB3 비전은 한층 유연한 표준으로 거듭났다. 이미지를 전송하는 동안 성능과 안정성 측면에서 신뢰할 수 있게 된 것은 물론이다. 현재 자동영상협회(AIA)가 USB3 비전 표준을 규제하고 준수하는 책임자 역할을 하고 있기에 신뢰성은 더욱 높다.
위의 그림은 USB3 비전의 공식 로고다. USB3 비전 표준을 준수해 장치 혹은 케이블 적합성 시험에 통과한 업체들만 이 로고를 사용할 수 있다.
윗쪽의 도표는 USB3 비전 표준의 구조를 나타낸 것이다. 이 구조는 ‘온 더 와이어(On the wire)’라고도 불린다. 이 구조도에 입각한 USB3 비전 표준은 호스트 측 소프트웨어를 통해 영상 전송 기능을 제어하는 등 통합 시스템에 여러 이점을 제공한다. 뿐만 아니라 GenICam 표준과 호환하는 기능도 있다.
카메라링크나 GigE 비전 등의 여타 표준과 달리 USB3 비전은 케이블 연결 및 케이블의 여러 주요 요구사항을 포괄적으로 정의하고 있다. 따라서 USB3 비전은 호환하는 액세서리를 설치할 때에도 사용자에게 안정성과 신뢰성을 보장한다.
USB3 비전은 케이블 커넥터에 대해서 정의하고 있지만, 케이블 길이에 대해서는 제한을 두지 않는다. 대신 ‘USB 3.0 전합 강하’라는 개념을 통해 높은 주파수 특성과 최대 케이블 길이 사이의 상관관계를 설명한다. 연구결과에 따르면, 최대 5.3m 거리에서 측정할 때에도 USB 3.0 사양을 충족한다.
Basler는 여러 제조업체의 케이블을 실험 및 인증해왔으며, 그 결과 스크류 락 옵션을 포함했을 때 최대 10m 길이의 수동 케이블을 제공한다.
USB3 비전 표준이 제공하는 기술적 이점은 다음과 같다.
① CPU의 낮은 부하: 제로 카피(zero copy) 기술을 사용해 이미지 검색에 필요한 CPU 부하를 최소한으로 유지한다. 이때 기억장치 직접 접근(DMA, Direct Memory Access) 기능을 사용할 수 있다.
② 가변적인 이미지 크기: 이미지에 대한 정보를 호스트 측에 사전에 제공함으로써 변화 폭이 큰 이미지를 전송할 수 있다.
③ 낮은 지연 시간·지터 시간: 양방향 통신을 실현하여 호스트가 어느 때건 지연 없이 작업할 수 있다.
④ 시스템 안정성: 케이블 및 기타 액세서리를 정의함으로써 데이터 전송 중에 일어날 수 있는 고장 및 오작동을 방지할 수 있다.
3. USB 3.0 카메라의 기능 설정법
사용자는 USB3 비전을 구현하기 이전에 여러 가지 측면을 고려해야 한다. 시스템이 USB3 비전을 호환하는지 확인하는 작업이 필요한 것.
① 어떤 종류의 PC 및 하드웨어가 사용되고 있는가? 어떤 구성요소가 사용되고 있는가? 이 요소들을 사용하기 위해 개조가 필요한가?
② 어떤 케이블이 필요한가? 액티브 혹은 패시브 타입의 USB 3.0 케이블이 있는가?
③ 작업 환경에서는 여러 대의 USB 3.0 카메라를 사용하고 있는가?
④ 카메라와 연결해 사용할 수 있는 소프트웨어가 있는가?
4. PC 하드웨어
USB 3.0의 실 대역폭은 USB 3.0 칩셋 및 마더보드 칩셋의 여부 및 성능에 따라 달라진다.
연결방법에도 여러 가지가 있는데, 우선 통합 USB 3.0 연결을 통해 마더보드에 카메라를 직접 연결할 수 있는 방법이 있다(대표적으로 인텔의 Ivy Bridge 제품군 등이 있다).
통합 USB 연결을 사용할 수 없는 경우라면 PCI Express 카드가 차선책이다. Basler는 full potential bandwidth을 활용하기 위해 최소 PCIe 2.0/2.1을 지원하고 rain당 최대 500MB/s의 데이터 속도를 지원하는 마더보드의 사용을 권장하고 있다. 만약 마더보드가 PCIe 1.0/1.1 연결만을 지원한다면, 전송 속도는 Lain당 최대 250MB/s로 줄어든다. 이 경우에는 여러 Lane을 가진 PCI Express 카드를 추천한다(예를 들어 PCIe×4 등). PCIe 슬롯은 일반적으로 연결된 장치에 전원을 공급하는 기능을 가지고 있기 때문이다.
각 장치의 성능 및 사양에 따라 다르지만, 표준 슬롯의 전달 출력은 최대 25W이다. 반면 낮은 프로파일 카드는 최대 10W 출력을 기록한다. 낮은 전력은 카메라 제품과 총 숫자에 따라 카메라 오작동이나 이미지 손실을 초래할 수 있다. 따라서 Basler는 PCIe 카드를 기존의 내부 공급장치와 연결해 +12VDC의 전력으로 활용하기를 추천한다.
표 1은 PCI Express 카드의 세대별 대역폭을 나타낸 것이다.
하드웨어를 선택할 때에는 카메라 제조업체의 화이트리스트(여기서는 사용에 적합한 제품의 리스트를 말함, 역자 주)를 참조하는 것이 도움이 된다. 화이트리스트는 권장사항을 제공함으로써 호환성 문제를 사전에 방지하는 역할을 한다.
케이블·다중 카메라 설치
머신비전 애플리케이션에 따라 커넥터와 케이블에 대한 여러 요구사항이 있다. 카메라 측면에서는 스크류 락 커넥터와 마이크로B USB 3.0이 주로 쓰인다. 허브 혹은 PC에는 USB 3.0 표준 A로 알려진 커넥터를 사용한다. 여기서 주의할 점은 USB 3.0 A 플러그 및 이와 통신하는 물리적 포트가 USB 2.0 버전과 매우 흡사하게 생겨 구분이 어렵다는 점이다. USB 3.0은 USB 2.0과 쉽게 구분하기 위해 USB 3.0 마크를 붙이거나 푸른색 선을 사용해 USB 3.0 기능 지원 여부를 표시한다. 다음 기호는 USB 3.0 수퍼스피드(SuperSpeed) 기능을 탑재했음을 의미한다.
케이블 길이를 선택할 때는 제품이 USB3 비전 표준과 호환성 테스트를 거친 제품인지를 주의 깊게 살펴야 한다.
패시브 타입 케이블은 최대 10m 거리에서도 작동할 수 있다. 케이블을 통해 전원을 공급하는 액티브 타입은 최대 20m 거리에서도 사용할 수 있다.
소프트웨어
USB3 비전에 알맞은 소프트웨어를 활용하면 다른 머신비전 표준에서 USB 3.0으로 쉽고 간단하게 변경할 수 있다.
소프트웨어적 측면에서 중요한 요소는 구성 도구(configuration tool)이다. 도구를 활용하면 USB 3.0카메라를 손쉽게 연결할 수 있다. 드라이버 환경은 물론이고 하드웨어 토폴로지(노드 및 컨트롤)와 대역폭 측정 작업 등을 통해 여러 정보를 추가적으로 만들 수 있기 때문이다.
Basler는 Pylon 소프트웨어를 누리집(www.baslerweb.com/pylon)에 제공하고 있다. 사용자들은 쉽게 소프트웨어를 내려받을 수 있다. Plyon 소프트웨어는 USB 구성 도구뿐 아니라 SDK(소프트웨어 개발 키트) 환경과 카메라 뷰어 등을 포괄적으로 제공한다.
4. USB 3.0으로 이동하기
기존의 머신비전 표준 시스템에서 USB3 비전으로 표준을 전환하고자 할 때는 어느 정도 시스템 통합 비용이 필요하다. 다음 조건을 충족할 수 있다면 이런 비용을 지불할 만한 가치가 있다고 보면 된다.
① 머신비전 기술 수명주기가 막바지에 달한 경우. 개발 이후 오랜 시간이 지난 표준은 제품 가격이 올라가고 제품 공급자도 줄어들어 제품을 구하기 더욱 어려워진다. 파이어와이어가 이에 해당한다.
② 비전시스템의 대역폭이 현재 혹은 앞으로의 요구사항을 충족시키기에 충분치 않은 경우(즉, 더 높은 프레임율, 더 높은 해상도, 혹은 다른 이미지 형식이 필요한 경우). 최대 64MB/s 속도를 지원하는 파이어와이어(IEEE 1394b)나 최대 40Mb/s 속도를 지원하는 USB 2.0 등이 이에 해당한다.
③ 단 한 번의 시스템 통합 비용을 지출함으로써 전체 생산 비율을 대폭 낮출 수 있다. 파이어와이어 혹은 아날로그나 카메라링크 베이스 등의 프레임그래버 기반 표준에서 USB 3.0으로 변경하고자 할 때 이런 효과를 누릴 수 있다.
이런 고려사항 외에도 여러 방향에서 USB 3.0에 대해 검토해야 한다. 이때 비교 대상은 다른 차세대 표준들이다. 즉, 여러 차세대 표준과 USB 3.0 중 어느 것이 나은지 판단해야 하는 것.
기가빗 이더넷, 즉 GigE 비전은 대역폭 측면에서 125MB/s 수준으로 낮게 제한되어있지만, 매우 긴 전송거리(최대 100여 m)가 큰 장점으로 작용하기 때문에 먼 거리에 카메라를 설치해야 할 때 적합하다. 카메라링크 풀 표준을 사용하려면 프레임그래버를 반드시 설치해야 하지만, 최대 850MB/s라는 대역폭이 매력이다.
통합 비용 역시 무시할 수 없는 부분이다. 각 표준마다 통합 비용이 모두 다르기 때문이다. 특히 기존 인터페이스 종류에 따라 비용은 천차만별이다. 만약 바꾸고자 하는 표준을 시스템에 적용할 때 큰 설정 변경을 필요로 하지 않는다면, 표준 변경 작업은 손쉽게 마칠 수 있다. USB 3.0은 USB 2.0 혹은 파이어와이어 기술을 대체하고자 할 때 특히 간단하다.
파이어와이어는 과거 큰 인기를 끌며 널리 배포된 산업용 인터페이스다. 이 기술은 USB 3.0과 기술적인 측면에서 유사한 점이 많다. 특히 기술을 구성하는 기본적 측면에서 그렇다.
USB 3.0은 파이어와이어와 마찬가지로 하나의 케이블을 통해 데이터 전송과 전원 공급을 해결할 수 있다. 4.5W 출력을 통해 오늘날 머신비전 시장의 고속·고해상도 센서와도 충분히 활약할 수 있다.
소프트웨어 트리거를 전송할 때 지연 현상과 지터 시간(jitter time)을 비교해보면 USB 3.0이 파이어와이어보다 약간 우위에 있음을 알 수 있다. USB 3.0은 DMA모드라고 불리는 기능을 제공하는데, 이 기능을 활용하면 프로세서의 도움 없이도 메모리에 직접 기록하거나 읽을 수 있다. USB 2.0의 폴링 기능을 대체하는 ‘메시지 비동기 전송’ 기능은 CPU의 부하를 줄이는 역할을 하는데, 파이어와이어의 기능과 유사한 점이 많아 두 인터페이스를 자연스럽게 교체할 수 있는 주요 요인이 된다.
다음 그림은 PC나 하드웨어 등 모든 측면에서 동일한 조건을 갖춘 뒤 CPU 부하를 실험한 결과다. 즉, 파이어와이어와 USB 3.0의 CPU 부하에 대한 해답이라고 볼 수 있다.
시스템을 통합할 때에는 기계적 및 광합적 통합도 고려해야 한다. Basler의 ace USB 3.0 시리즈는 29×29×29mm의 적은 크기와 드릴 홀 회로 구조(drill hole schematincs), 그리고 CCD 및 CMOS 이미지센서를 골고루 갖추어 오래된 디지털 혹은 아날로그 인터페이스를 간단히 대체할 수 있다. 초기 조작에 따라 아무런 조정 작업 없이도 바로 적용할 수도 있다. USB 3.0 카메라로 통합하면 시간과 비용을 동시에 절약할 수 있다.
5. 결론
USB 3.0 인터페이스는 기가빗 이더넷 및 카메라링크 사이의 간극을 메우기 위해 설계되었다. 동시에 USB 2.0 및 파이어와이어 인터페이스를 대체할 수 있는 유망주이기도 하다.
인터페이스의 교체에는 USB3 비전이 중심 역할을 한다. USB3 비전은 비전시스템을 구축하고자 할 때 사용 안정성과 유연성을 동시에 보장한다.
