USB 3.0 사용 사례 및 비전 구성 요소 테스트

자료제공 : Basler AG

산업용 화상 처리용으로 특별히 개발된 USB 3.0 인터페이스 및 USB3 Vision 표준은 2013년 초에 출시되었다. 그 후 USB 3.0 인터페이스에 많은 변경 및 개선이 이루어져 USB 3.1 Gen1로 새롭게 명명되었다. 카메라는 더욱 강력해졌고 비전 시스템에 대한 새로운 요구사항들이 추가되고 있다. Basler AG가 작성한 이 글을 통해 액세서리와 관련된 다양한 활용 사례와 USB 3.0 제품들의 신뢰성을 보장하기 위해 이용하는 다양한 테스트 및 측정 방법에 대해 알아보자.

기술적 배경
높은 재생률의 새로운 고해상도 CMOS 센서는 엄청난 데이터 전송 과제를 던져준다. 과거에는 150 MB/s 이상의 데이터 전송 속도가 매우 비쌌으며, 일반적으로 고가의 Camera Link 인터페이스를 사용하여 구현되었다. USB3 Vision 표준의 중요성은 최근 몇 년 사이에 급격히 커졌다. USB 3.0 인터페이스는 최대 380MB/s의 데이터 전송 속도를 처리할 수 있으며 케이블과 컴퓨터 CPU의 호스트 컨트롤러를 통해 전원을 공급한다. 도표 1에서는 최신 애플리케이션이 높은 데이터 전송 속도를 어떻게 처리하는지 보여준다.

- 소비자 대 사무용 애플리케이션
USB 3.0 애플리케이션에 관해 얘기할 때는 이 인터페이스가 이미 소비자 시장에 깊이 파고들어 친숙하다는 점을 빼놓아서는 안 된다. 최신 애플리케이션을 위한 도표 1에 나열된 일반적인 작동 상태에서는 USB3 Vision 프로토콜의 모든 역량이 발휘된다. USB3 Vision 프로토콜은 아주 저렴한 액세서리를 통해 데이터를 전송할 때 일부 취약점이 발견된다.
이러한 취약점은 외장 하드 드라이브 또는 간단한 로딩 및 스트리밍 애플리케이션과 같은 가정용 애플리케이션에서는 허용 범위 안에 들어온다. 하지만 전문적인 USB 3.0 애플리케이션용으로는 적합하지 않다. 데이터 전송 체인의 구성 요소는 각각 자체 기능을 완벽하게 수행해야 이러한 오류를 줄일 수 있다. 이렇게 제품들의 세심한 선택과 검증은 산업용 제품들이 소비자용 제품과 구분되는 기준들 중 하나가 된다.

구성 요소
다음은 기능 및 초점을 포함하여 안정적인 전송을 위한 주요 액세서리 목록이다. Basler의 마케팅 노트 ‘안정적인 USB 3.0 시스템을 위한 액세서리’ 에는 USB 3.0 인터페이스를 갖춘 고급 비전 시스템용 추가 구성 요소가 포함되어 있다.

- 케이블
케이블이 비전 시스템에서 담당하는 역할은 아주 핵심적인 요소인데, 한 편으로는 데이터 전송을 손쉽게 하고 다른 한 편으로는 전원 공급 장치 역할을 한다. 이 데이터 전송과 전원 공급에서 가장 중요한 것은 손실을 최대한 줄이는 것이다. USB3 Vision은 표준 자체에 케이블 연결 및 핵심 케이블 특성을 규정하는 최초의 화상 처리 표준이다.
그 일부분으로 높은 주파수 특성 및 동선의 두께 사이의 비율은 사용 가능한 최대 케이블 길이로 변환된다. 이는 다시 USB 3.0 전압 강하를 파악하는데 도움을 준다. 전압 강하는 특별히 규정된 제한치 아래로 떨어져선 안 된다. 차동 전송 중에 데이터 신호가 너무 강하게 꺾이면 안 되며, 서로 영향을 주거나 지연 시간을 유발하지 않아야 한다.

- 호스트 어댑터/PCI 카드
사용하는 USB 3.0 칩셋 및 메인보드에 따라 이용할 수 있는 USB 3.0 대역폭이 좌우된다. 내장형 USB 3.0 단자를 사용해 메인보드에 카메라를 연결할 수 있는 옵션은 항상 존재한다. 사용할 수 있는 내장형 USB 3.0 단자가 없을 경우 PCI Express 카드를 설치할 수 있다. 호스트 어댑터는 칩셋을 이용해 PC의 CPU를 위해 데이터를 번역하고 카메라에 전원을 공급하는데, 이는 빠른 데이터 전송을 보장한다. 고주파 표준을 바탕으로 한 스트립 컨덕터의 경로 연결 및 통합은 필수적이다. 가능한 최고의 성능을 제공하려면 포트별로 칩셋을 한 개씩 사용해야 한다. 내부 스위치가 멀티 칩셋 애플리케이션 전환을 처리할 때, 전력은 포트에서 직접 또는 컴퓨터의 파워 팩을 통해 공급된다. 안정적인 케이블 고정을 보장하기 위해 모든 USB 3.0 케이블은 스크루 다운 스레드로 고정해야 한다.

- 허브
허브는 PC 호스트에 여러 대의 USB 3.0 카메라를 연결하는 역할을 한다. 데이터는 단 한 개의 칩셋이 처리하며 USB 3.0 ‘업스트림’ 포트를 이용할 수 있다. 데이터는 ‘다운스트림’ 포트에서 개별 카메라 사이의 가용 대역폭을 구분할 수 있다. 다시 말해, 멀티 카메라 애플리케이션은 각각의 개별 카메라에 보다 낮은 데이터 전송 속도를 제공한다.

품질 검사 및 테스트 절차
애플리케이션에서 결함 없이 작동하도록 보장하려면 Basler 구성 요소 포트폴리오에서 보여지는 것과 같이 검증된 제품들이 필요하다. 각각의 개별 구성 요소는 Basler 테스트 절차에 들어가기 전에 Basler 품질 검사 절차를 밟게 되며 이후 포트폴리오에 포함된다.

- 전원 공급 장치
기본적인 요구 사항은 전력 공급 능력이다. 이것은 결국 준수해야할 엄격한 사양 및 임계치를 포함한 사항을 의미한다. 여기에는 케이블의 전원 공급 와이어 및 호스트 컨트롤러 및 허브의 포트가 포함되어 있다. 그림 2는 전원 공급 장치에 대한 도식적인 예를 보여준다. 이것은 특별한 설정이 USB 3.0 호스트 컨트롤러에 최대 부하를 싣는데 사용할 수 있음을 증명하기 위한 그림이다. 사용 가능한 전압을 측정하는 데는 멀티미터가 사용되고, 오실로스코프는 간격 일치 모니터링에 사용된다.

- 전송 거리
전송 거리의 기능은 벡터 기반 네트워크 분석을 사용하여 보장된다. 그림 3은 이런 종류의 측정 장비를 그림으로 보여준다. 각각의 데이터 선은 네트워크 분석 장치의 측정 커넥터에 연결되는 특수 측정 어댑터를 통과한다. 이렇게 해서 각각의 커넥터에 최대 20GHz의 고주파 신호가 생성된다. 이 신호는 모든 커넥터에 동시에 전달되며 경로 속성은 산란 변수 매트릭스를 사용해 기술된다.
전송 감소(Transmission dampening) 및 반사는 제일 먼저 수행되는 평가이다. 특징적인 임피던스뿐 아니라 Crosstalk 및 timerelated signal 속성도 검사한다. 시간 또는 주파수 범위에 분열이 있는 부분을 조사하는 데는 특수 소프트웨어가 사용된다. 여기에는 전송 거리를 위한 개별 솔루션의 평가 및 품질 검사와 함께 USB 3.0 사양 준수 확인이 포함된다.

- 전체 시스템
비전 시스템 개별 구성 요소에 대한 품질 검사를 넘어 전체 시스템에 대해서도 테스트와 측정을 수행한다. Basler AG에서는 전자 개발팀과 제품 품질 검사팀이 제품 품질 검사를 위해 긴밀한 협력 시스템을 구축하고 있다. USB3 Vision 프로토콜은 사양이 규정되는 소위 ‘Compliance Mode’를 제공한다. 각각의 USB 3.0 장치는 규정된 특정 비트 패턴을 매끄럽게 처리할 수 있어야 하는데 이러한 패턴들을 검사 및 평가하기 위해 고감도 광대역 오실로스포크가 사용된다.
수신기에 특수 측정 어댑터를 연결해 사전에 데이터 선을 연결하지 않은 채 카메라에 전력을 공급하면 카메라가 Compliance mode로 전환되고 첫 번째 테스트 비트 패턴을 전송하게 된다. 테스트 신호는 USB 3.0 케이블을 통해 신호가 기록 및 평가되는 오실로스코프에 전달된다(측정 어댑터에 연결). 이 예시에서 신호는 아이 패턴 형태로 나타난다(그림 4 참조). 이 외에도 특수 신호로 테스트 패턴을 전환하여 소프트웨어를 이용해 신호의 표준 준수 여부를 테스트할 수 있다. 이것은 카메라 전송기에서 호스트로의 경로, 그리고 호스트 전송기에서 카메라로의 경로에 적용된다.
개별 구성 요소에 대한 품질 검사가 완료되면 전체 시스템에 대해 테스트 과정이 확장된다. 여기에는 전체 시스템 설치, 가동 및 테스트가 포함된다.
이에 따라 Basler는 자체적으로 고유의 테스트 절차를 개발해왔으며, 프로토콜 분석 절차를 시험-검증해왔다.

사용 사례
USB 3.0 인터페이스는 다양한 애플리케이션 및 설정이 가능하다. 고객의 비용 및 리소스 한도에 따라 단일 카메라 및 멀티 카메라 시스템을 상상할 수 있는 모든 플러그 앤 플레이 방식으로 구현할 수 있다. 모든 사례를 이 글에 나열하는 것은 불가능하기에 세 가지 애플리케이션을 이용하여 액세서리와 연결된 USB 3.0 시스템의 예시를 제공하고자 한다.
이 시스템들에 대한 설정 및 테스트는 과거부터 계속 진행되어왔으며 앞으로도 지속될 것이다. 또한 시스템 변경 가능성 또는 단일 시스템의 최대 카메라 대수는 달라질 수 있다. 시스템 디자인은 궁극적으로 컴퓨터 CPU 및 사용 칩셋의 성능에 좌우된다. 동기화된 이미지 캡처를 위한 하드웨어를 이용해 다음 샘플 시스템도 외부적으로 실행된다. 이 밖에 모니터링을 위한 측정 장치들이 사용된다.

- 사용 사례 1: 카메라 한 대를 사용한 기본 애플리케이션
첫 번째 사용 사례(그림 5)는 고전적 시스템을 그림으로 표현한 것이다. 이 예시에는 높은 해상도와 재생률을 가진 한 대의 카메라가 사용된다. 카메라 쪽에는 5미터 길이의 기역자형 플러그가 사용된다. 이것은 Sandy, IvyBridge, Haswell 그리고 Skylake 프로세서 칩셋을 이용해 구현할 수 있는 검증된 시스템이다.

- 사용 사례 2: 12대의 카메라를 연결한 멀티 카메라 시스템
이 설정(그림 6)은 Haswell CPU, PCIe 2.0 & 3.0 슬롯, 각각 4개의 FL1100 칩셋을 사용하는 USB 3.1 Gen1 호스트 컨트롤러 내장 4포트 카드 3개가 장착된 강력한 PC로 구성되어 있다. 카메라의 전원은 PC 파워팩에서 공급된다. 여기에서 작동 대역폭은 몇 가지가 있다. 각 호스트 어댑터 카드는 4개의 Basler ace USB 3.0 카메라(acA1920-155u)를 작동시키고 각각 2.3MP의 full AOI로 작동할 때 380MB/s의 데이터를 전송한다.
이는 각 호스트 어댑터 카드에서 초당 1.5GB를 처리해야 함을 의미한다. 카드의 성능을 전부 활용할 경우 카드 세 개로 CPU가 처리해야 하는 합계 4.5GB의 데이터를 분산 처리가 가능하다. 카메라 쪽에는 5미터 길이의 기역자형 플러그가 연결되며, 이는 아무런 오류 없이 내구성 및 스트레스 테스트를 통과했다. 이 설정은 멀티 카메라 애플리케이션용으로 완벽히 신뢰할 수 있는 시나리오이다.

- 사용 사례 3: 1개의 PCIe 슬롯을 통해 16대의 카메라를 연결한 멀티 카메라 시스템
세 번째 샘플 애플리케이션(그림 7)은 한 개의 PCIe 슬롯을 통해 작동되는 멀티 카메라 시스템과 관련된 것이다. 4포트 카드의 각 포트에 4포트 허브 한 개씩을 끼운다. 이로써 모두 16대의 카메라를 연결할 수 있으며 각 카메라에는 5미터 길이의 기역자형 플러그가 연결된다. 여러 대의 카메라와 관련 대역폭으로 인해 시스템에 과부하가 걸려선 안 된다. 이를 위해 필요한 요소들로는 저해상도 센서, full AOI로 동작하지 않는 카메라, 낮은 프레임 속도 또는 낮은 비트 깊이가 있다.
여기에서 제시한 샘플의 대역폭은 카메라 당 60MB/s로 감소되어 있다. 이 설정은 아무런 오류 없이 내구성 및 스트레스 테스트를 통과했다. 따라서 이 설정은 멀티 카메라 애플리케이션용으로 완벽히 신뢰할 수 있는 시나리오로 여겨진다.
Basler의 품질 검사 및 테스트 프로세스는 이 세 가지 샘플 시스템을 위해 완벽한 작동 모드를 보여준다. 케이블 길이, 카메라 대수 또는 심지어 멀티 시스템 솔루션까지 변경된 다른 설정들도 이용할 수 있으며 성공적인 검증을 마쳤다. 10미터 이상 장거리용 솔루션 또한 이용이 가능하다.

요약
USB 3.0은 기본 애플리케이션부터 대용량 멀티 카메라 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션을 지원한다. 매끄러운 동작을 보장 하려면 사전 검증을 거친 고품질 액세서리 제품들이 필요하다. USB 3.0 액세서리들이 처음 출시되었을 때 목격되었던 문제점들은 이제 사라졌으며, USB 3.0은 머신 비전 시장을 위한 간단하면서도 비용 대비 효율적인 데이터 인터페이스로 주목받고 있다.
카메라를 넘어 다양한 애플리케이션 이용을 쉽게 하는 신뢰할 수 있는 다양한 액세서리 제품들이 개발 되었다. 소비자 시장의 저렴한 제품들은 대개 처리하지 못하는 업무를 처리하기 위해서는 USB 3.0 액세서리 제품 및 산업용으로 적합한 고품질 제품을 선택하는 것이 필수적이다.