簡介

功能強大的精簡型單板計算機的推出催生了令人興奮的新產品設計。在通過小型化優化成本及（或）效率的應用中，它的效用尤為明顯。另外，視覺系統可以利用功能全面的板級機器視覺攝像頭進一步縮小產品總體尺寸并實現運行靈活性，同時還支持定制或非標準光學部件。典型示例有：醫療診斷、計量、機器人技術、嵌入式視覺、包裝和印刷檢查、手持式掃描儀、臺式實驗室和其他空間受限的系統。

本文涵蓋選擇嵌入式視覺攝像頭時需考慮的數個重要方面，包括功能組、外形因素和物理占用空間、接口選項、透鏡支架、軟件支持、熱管理以及電磁兼容性。

外形因素和功能組

從封裝相機轉換為板級相機時，系統設計人員應認真考慮其成像和相機性能要求。許多小型板級相機僅支持低分辨率傳感器、少量 GPIO 線路以及有限的相機內部功能。相反，許多全功能機器視覺相機的板級型號僅僅是拆除了外殼的標準相機。雖然這些相機可能會達到所需的成像性能，但它們的尺寸可能不會比標準封裝型號小巧多少。這類相機經常采用標準的 GPIO 和接口連接器，因體積較大而不適合嵌入式應用。例如，傳統工業鎖定連接器的尺寸便與一臺 Blackfly S 板級攝像頭一般大小。

FLIR 的 Blackfly S 板級攝像頭整體上就是為嵌入式系統而設計。它們的外形尺寸十分緊湊，僅為 29mm x 29mm x 10mm，可提供相同的成像性能和封裝式 Blackfly S 型號的完整豐富功能；而緊湊型 GPIO 和接口連接器則額外節省了空間。FLIR 嵌入式視覺攝像頭產品的另一重要優勢是使用 1/3” 至 1.1” 尺寸傳感器的所有攝像頭因外形系數相同而可用性良好——多種攝像頭型號采用一致的外形系數簡化了系統及未來產品變型的開發與升級。

透鏡支架

對于希望集成非標準光學元件或將圖像傳感器盡可能靠近目標放置的客戶而言，板級相機是一個具有吸引力的選擇。板級相機沒有固定的透鏡支架，設計人員可自由選擇除機器視覺行業常用的標準 C、CS 或 S 接口透鏡以外的光學元件。對于通常無需透鏡的生物技術和激光束分析應用，這種設計也非常適合。板級攝像頭的另一種常用應用是將透鏡支架集成到另一產品部件中——“嵌入式視覺攝像頭”的名稱由此而來。另外，采用模塑成型的方式將透鏡支架直接集成到產品外殼可有效簡化制造和組裝，從而進一步降低成本。為了評估未配備透鏡支架的板級相機，還應購買安裝配件。如果封裝型號具有與板級型號相同的傳感器和功能，它們便可用作開發平臺。

為板級攝像頭選擇正確的透鏡支架選件時，其中一個最重要的因素是所使用的傳感器的尺寸。通常，S 型支架透鏡設計用于 1/3“ 或更小的低分辨率（通常低于 2MP）傳感器。CS 型支架透鏡則設計用于 1/3” 至 1/2” 的傳感器。如果傳感器尺寸是 1/2” 或以上，最好使用 C 型支架透鏡。

熱管理

封裝機器視覺相機依靠其外殼表面區域來消散傳感器、FPGA 和其他組件產生的熱量。如果沒有外殼，對高性能板級相機可能會有其他設計要求，從而確保其在推薦溫度范圍內運行。這種情況下，提供足夠的散熱是關鍵所在。制造商通常會為溫度最高的組件提供最高結溫。對于FLIR Blackfly S 攝像頭，規定的 FPGA 的最高結溫為 105 攝氏度（221 華氏度）。

系統設計人員必須確保其熱管理解決方案符合此指標。散熱器尺寸、相機所安裝的機架表面積或所需主動散熱器的類型取決于傳感器、幀速率、運行環境及正在執行的相機圖像處理數量。為便于在攝像頭上安裝散熱器，我們推薦在導熱墊上使用散熱膏，盡可能減少板對攝像頭的應力。

外殼設計和快速原型制作

多數情況下，板級攝像頭直接集成到嵌入式視覺系統/產品中，不需要外殼。但對于攝像頭不與某一產品集成而使內部暴露在元件下的應用，可能有必要通過外殼防止損壞。快速原型制作中，嵌入式系統設計師可以用 3D 打印機輕松設計打印一個攝像頭外殼，或使用足以容納攝像頭的通用塑料外殼，然后通過墊片和安裝支架將攝像頭安裝到位。

接口和連接器

第一代 USB 3.1 是嵌入式系統的理想接口。其通用化功能可確保為從臺式計算機到基于 ARM 處理器的單板計算機 （SBC） 等各類硬件提供支持。直接存儲器訪問 （DMA） 無需使用過濾器驅動程序，便可將延遲保持在最低限度。第一代 USB 3.1 還采用單根電纜供電并可提供高達 480 MB/s 的數據吞吐量，有效地簡化了機械和電氣設計。

嵌入式系統設計人員的一個重要目的包括現有設計的小型化。在這種情況下，電纜最大長度就遠不如電纜和連接器體積重要。撓性印制電路 （FPC） 電纜采用長達 30 米的電纜，支持第一代 USB 3.1。FPC 電纜顧名思義指的是可以彎曲扭轉以適應緊密包裝系統的電纜。另外，高品質鎖定連接器和帶鎖凸耳的 FPC 屏蔽電纜可確保高度安全、可靠的連接。

不過 USB 3.1 接口有一個潛在的弊病，它的高頻信號會對無線設備造成高達 5 GHz 的干擾（如 GPS 信號）。對于使用此類無線頻率的應用，我們也提供帶 GigE 接口的 FLIR 板級攝像頭。

MIPI CSI 是另一種許多嵌入式主板使用的通用接口。但與 USB 相比，MIPI 協議和驅動程序的復雜性可能會使得開發更加耗時。基于低壓差分信號 （LVDS） 的接口同樣可用，而且專為直接連接主機端 FPGA 而設計；但每個信號傳輸通道需要兩條電線——這在某些應用中是一個微小卻又重大的弊端。

軟件支持

選擇用于嵌入式系統的相機時，軟件支持是一個不容忽視的重要考慮因素。有了支持臺式和嵌入式系統的 SDK，設計人員能夠通過熟悉的工具輕松自如地開發視覺應用程序，并輕松地將其部署到所選擇的嵌入式平臺上。FLIR 的 Spinnaker SDK 可為基于 x86、x64 和 ARM 處理器的 Windows 和 Linux 臺式系統提供支持。

電磁兼容性

如果沒有外殼提供的屏蔽作用，板級相機的電磁兼容性 （EMC） 與封裝型號會有所差異。所有封裝的 FLIR 機器視覺攝像頭均經過了 EMC 認證；不過板級攝像頭尚未進行該認證。這些板級攝像頭要嵌入其他產品/系統，因此需單獨對成品進行認證。無論是哪種應用，我們都建議它們和其他電氣組件那樣遵循電磁干擾 （EMI） 管理最佳實踐。

結論

板級攝像頭對嵌入式視覺系統的革新，使緊湊多功能的創新性產品的設計更加自由和靈活。除本文提出的因素外，還要注意使用高質量傳感器、光學元件和可靠部件，讓您的嵌入式系統適應未來。FLIR 的全系列板級攝像頭專為這些應用而設計，提供業界領先的 3 年質保。我們的機器視覺專家可以幫助您針對嵌入式系統選擇正確成像性能和外形因素等級。