板级摄像头集成指南

简介

功能强大的精简型单板计算机的推出催生了令人兴奋的新产品设计。在通过小型化优化成本及（或）效率的应用中，它的效用尤为明显。另外，视觉系统可以利用功能全面的板级机器视觉摄像头进一步缩小产品总体尺寸并实现运行灵活性，同时还支持定制或非标准光学部件。典型示例有：医疗诊断、计量、机器人技术、嵌入式视觉、包装和印刷检查、手持式扫描仪、台式实验室和其他空间受限的系统。

本文涵盖选择嵌入式视觉摄像头时需考虑的数个重要方面，包括功能组、外形因素和物理占用空间、接口选项、透镜支架、软件支持、热管理以及电磁兼容性。

外形因素和功能组

从封装相机转换为板级相机时，系统设计人员应认真考虑其成像和相机性能要求。许多小型板级相机仅支持低分辨率传感器、少量 GPIO 线路以及有限的相机内部功能。相反，许多全功能机器视觉相机的板级型号仅仅是拆除了外壳的标准相机。虽然这些相机可能会达到所需的成像性能，但它们的尺寸可能不会比标准封装型号小巧多少。这类相机经常采用标准的 GPIO 和接口连接器，因体积较大而不适合嵌入式应用。例如，传统工业锁定连接器的尺寸便与一台 Blackfly S 板级摄像头一般大小。

FLIR 的 Blackfly S 板级摄像头整体上就是为嵌入式系统而设计。它们的外形尺寸十分紧凑，仅为 29mm x 29mm x 10mm，可提供相同的成像性能和封装式 Blackfly S 型号的完整丰富功能；而紧凑型 GPIO 和接口连接器则额外节省了空间。FLIR 嵌入式视觉摄像头产品的另一重要优势是使用 1/3” 至 1.1” 尺寸传感器的所有摄像头因外形系数相同而可用性良好——多种摄像头型号采用一致的外形系数简化了系统及未来产品变型的开发与升级。

透镜支架

对于希望集成非标准光学元件或将图像传感器尽可能靠近目标放置的客户而言，板级相机是一个具有吸引力的选择。板级相机没有固定的透镜支架，设计人员可自由选择除机器视觉行业常用的标准 C、CS 或 S 接口透镜以外的光学元件。对于通常无需透镜的生物技术和激光束分析应用，这种设计也非常适合。板级摄像头的另一种常用应用是将透镜支架集成到另一产品部件中——“嵌入式视觉摄像头”的名称由此而来。另外，采用模塑成型的方式将透镜支架直接集成到产品外壳可有效简化制造和组装，从而进一步降低成本。为了评估未配备透镜支架的板级相机，还应购买安装配件。如果封装型号具有与板级型号相同的传感器和功能，它们便可用作开发平台。

为板级摄像头选择正确的透镜支架选件时，其中一个最重要的因素是所使用的传感器的尺寸。通常，S 型支架透镜设计用于 1/3" 或更小的低分辨率（通常低于 2MP）传感器。CS 型支架透镜则设计用于 1/3” 至 1/2” 的传感器。如果传感器尺寸是 1/2” 或以上，最好使用 C 型支架透镜。

热管理

封装机器视觉相机依靠其外壳表面区域来消散传感器、FPGA 和其他组件产生的热量。如果没有外壳，对高性能板级相机可能会有其他设计要求，从而确保其在推荐温度范围内运行。这种情况下，提供足够的散热是关键所在。制造商通常会为温度最高的组件提供最高结温。对于FLIR Blackfly S 摄像头，规定的 FPGA 的最高结温为 105 摄氏度（221 华氏度）。

系统设计人员必须确保其热管理解决方案符合此指标。散热器尺寸、相机所安装的机架表面积或所需主动散热器的类型取决于传感器、帧速率、运行环境及正在执行的相机图像处理数量。为便于在摄像头上安装散热器，我们推荐在导热垫上使用散热膏，尽可能减少板对摄像头的应力。

外壳设计和快速原型制作

多数情况下，板级摄像头直接集成到嵌入式视觉系统/产品中，不需要外壳。但对于摄像头不与某一产品集成而使内部暴露在元件下的应用，可能有必要通过外壳防止损坏。快速原型制作中，嵌入式系统设计师可以用 3D 打印机轻松设计打印一个摄像头外壳，或使用足以容纳摄像头的通用塑料外壳，然后通过垫片和安装支架将摄像头安装到位。

接口和连接器

第一代 USB 3.1 是嵌入式系统的理想接口。其通用化功能可确保为从台式计算机到基于 ARM 处理器的单板计算机 (SBC) 等各类硬件提供支持。直接存储器访问 (DMA) 无需使用过滤器驱动程序，便可将延迟保持在最低限度。第一代 USB 3.1 还采用单根电缆供电并可提供高达 480 MB/s 的数据吞吐量，有效地简化了机械和电气设计。

嵌入式系统设计人员的一个重要目的包括现有设计的小型化。在这种情况下，电缆最大长度就远不如电缆和连接器体积重要。挠性印制电路 (FPC) 电缆采用长达 30 米的电缆，支持第一代 USB 3.1。FPC 电缆顾名思义指的是可以弯曲扭转以适应紧密包装系统的电缆。另外，高品质锁定连接器和带锁凸耳的 FPC 屏蔽电缆可确保高度安全、可靠的连接。

不过 USB 3.1 接口有一个潜在的弊病，它的高频信号会对无线设备造成高达 5 GHz 的干扰（如 GPS 信号）。对于使用此类无线频率的应用，我们也提供带 GigE 接口的 FLIR 板级摄像头。

MIPI CSI 是另一种许多嵌入式主板使用的通用接口。但与 USB 相比，MIPI 协议和驱动程序的复杂性可能会使得开发更加耗时。基于低压差分信号 (LVDS) 的接口同样可用，而且专为直接连接主机端 FPGA 而设计；但每个信号传输通道需要两条电线——这在某些应用中是一个微小却又重大的弊端。

软件支持

选择用于嵌入式系统的相机时，软件支持是一个不容忽视的重要考虑因素。有了支持台式和嵌入式系统的 SDK，设计人员能够通过熟悉的工具轻松自如地开发视觉应用程序，并轻松地将其部署到所选择的嵌入式平台上。FLIR 的 Spinnaker SDK 可为基于 x86、x64 和 ARM 处理器的 Windows 和 Linux 台式系统提供支持。

电磁兼容性

如果没有外壳提供的屏蔽作用，板级相机的电磁兼容性 (EMC) 与封装型号会有所差异。所有封装的 FLIR 机器视觉摄像头均经过了 EMC 认证；不过板级摄像头尚未进行该认证。这些板级摄像头要嵌入其他产品/系统，因此需单独对成品进行认证。无论是哪种应用，我们都建议它们和其他电气组件那样遵循电磁干扰 (EMI) 管理最佳实践。

结论

板级摄像头对嵌入式视觉系统的革新，使紧凑多功能的创新性产品的设计更加自由和灵活。除本文提出的因素外，还要注意使用高质量传感器、光学元件和可靠部件，让您的嵌入式系统适应未来。FLIR 的全系列板级摄像头专为这些应用而设计，提供业界领先的 3 年质保。