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USB 3.0為了改善頻寬（從480 Mbps的USB2.0到 高達5Gbps的USB 3.0），代價是連接纜線距離減少到約3米。為了讓USB 3.0的發展成為機器視覺應用上可行的拍照介面，必須克服纜線長度的限制。

本文探討了為什麼USB 3.0 Cable長度的應用限制，並探討延伸USB 3.0的不同方案和各解決方案的利弊。

機器視覺和USB 3.0

超高速USB也被稱為USB 3.0，由USB-IF於2008年推出，並提供優於USB 2.0的優點，包括快10倍的傳輸量速率可達5 Gbps。這改進的頻寬加上USB的即插即用，已經刺激USB 3.0在工業相機機器視覺應用的增長。

幾乎每一個工業相機製造商提供USB3.0介面在他們的產品組合選項。
提高頻寬的代價就是電纜距離的縮短，從USB 2.0的 5米減少至約USB 3.0 的3米。

這較短的範圍可能會造成應用程序的安裝問題，例如主機必須遠離相機於一定距離時。例子包括工廠地板或在環境條件（高溫，低溫，潮濕，振動等）防止電腦損壞或是科學和醫療應用中的危險生物材料可能是有害的，技術人員如果接觸，或是患者隱私問題的情況等等。
幸運的是，有可能使用被動式銅電纜，集線器與被動延伸的銅電纜，主動式銅纜或是光纖解決方案。

被動式USB 3.0電纜

被動式USB 3.0銅纜在3至5米的短距離擴展要求上，是非常普遍且便宜的選項。被動電纜主要考慮點為在要求的距離內保持信號完整性。

相機捕捉圖像並以電信號的形式發送 ;因此，信號行進電纜的距離內的時候可能會有失真或雜訊產生而導致信號受到損害。

在電纜結構不佳或者用戶正試圖發送超出電纜的指定距離數據時，該信號丟失在應用程序上，可能導致不可靠的性能，或直接在攝影機發生故障的錯誤。
一個有品質的被動電纜，應能可靠的在3米距離內正常操作USB 3.0相機。

有些特別設計的被動電纜，以優化信號質量並降低電磁（EMI）雜訊，已經在高達5米距離與USB 3.0攝影機測試成功，。
當選擇一個被動的電纜，記得要選擇一個符合AIA USB3 Vision™兼容和帶鎖的連接器鎖緊（防止意外電纜斷開），並尋找優質的施工，以保證信號的完整性。但如果沒有實際測試，可能難以確認，但是也可以從產品知名的品牌，廠商公佈的客戶服務電話號碼和保修期作為考慮。

建議多做一段時間的測試，不僅僅只是當場測試一下而已，尤其是如果應用程序有可能全天候運行時，錯誤可能在開始幾個小時的連續運行之後發生。

HUB集線器+被動式USB 3.0電纜

USB攝影機可以連接被動電纜和自供電的USB 3.0 Hub一起以擴大距離；然而不超過兩者的建議長度是很重要的。因為被動式的USB 3.0電纜的長度有限制，也有多少個USB Hub可以連接在一起，且正常工作的限制。在USB 3.0規範規定不能超過要連接的裝置的七層。

開始，已經有兩層裝置（電腦主機和相機），留下可用作附加集線器的五層。因此，多達五個USB集線器可用於額外的電纜長度;使總的最大長度為30米（六節@5米），雖然30米似乎是一個合理的延伸距離，這種做法是七拼八湊的，具有先天的在每個Hub連接點處的電纜斷訊的風險，而且還需要電力供應到每個Hub上，如果電源不容易得到，易產生位置問題，因此，多個集線器解決方案在大部分視覺應用是非常不實用的

主動式的USB3.0電纜

相機的應用或系統需要5至15米的擴展距離，一個品質好的主動式線纜是強烈推薦。主動式電纜是嵌有一個或多個半導體晶片的銅電纜，以提高性能。

這些主動式電纜相較於被動電纜 ，在同時保持信號完整性情況下能夠傳輸數據和電力到更長的距離。

理想的主動式電纜， 例如Icron的USB3.0 Spectra™3001-15，應當從電腦主機供電，提供一個完整的5V，900mA（依照USB3.0規範）給相機或其他周邊裝置設備以維持正常運行。

在圖1 Icron Spectra電纜下面的有多一個額外的USB插頭，就是確保充分電力供應。

一些主動式的電纜線可能表明他們是從電腦供電，但提供的電源可能不符合USB3.0規格，僅足以滿足低功耗的設備，如閃存驅動器，而不是USB3.0攝影機。在這樣的狀況下，主動式的線纜需要被連接到USB3.0供電的HUB器，如果額外的電源不可用，這可能在安裝中有負面影響。
經過驗證的軟體和硬體兼容性是另一個關鍵的考慮因素。這些包括操作系統（對於Windows和Mac OSX®，或Linux®），主機控制器（電纜能與所有主機相容或是指定的USB 3.0主控制器相容）以及要能和所有USB3.0攝影機製造商的全系列產品搭配。

與被動電纜測試相比，對主動式線纜的堅固和可靠的性能測試的徹底性和複雜性，需要的不僅僅是一個抽查測試而已，因為一些主動式的電纜在錯誤開始顯現前可能只有幾個小時是正常的。其他測試情況要考慮是鏈接循環（無論該電腦或相機斷線和再連接起來時，攝影機恢復），並且如果使用HUB，短暫的電力中斷的影響。這些都是很多應用時重要的考慮因素，特別是當停機可能導致昂貴的後果。
其他要注意事項包括：工作溫度，FCC/ CE電磁符合規性（B級比A級更嚴格），符合AIA USB3 Vision規範的帶鎖接頭，質保期限，彎曲鎖定半徑和，如果必要的話，通過導管拉動纜線的能力。

下圖說明工廠使用一個主動式的USB3.0電纜的情況實例。

USB 3.0光纖延長器

光纖延長器是在更長的距離延伸USB 3.0攝影機的絕佳選擇，最高可達100米。一個USB 3.0光纖擴展系統通常包括兩個延長器單元，放置在應用的各端：連接到電腦的本地延長器單元和連接到USB 3.0照相機的遠程延長器單元。這兩點的延伸距離連接是是由光纖電纜線提供的，為了將電信號轉換成光信號，然後再把光信號轉換成電信號，以促進數據的流動。

光纖延長解決方案提供了速度，隔離和安全;然而，光纖不能傳送電流並且需要在遠端的外部電源，使得它不適合於許多類型的工業應用。

請參見下圖中的例子用Icron的100米的USB3.0 Spectra 3022光纖擴展器，其中本地延長器單元被標記為LEX（本地延長器）和遠程被標記為REX（遠程延長器）。

另外，其他的光纖擴展解決方案可能不包括本地和遠程單元，只有單個光纖電纜集成電子元件組成。然而，在這種情況下，有帶電源的HUB是必需的，因為光纖電纜不能攜帶足夠的Power來操作攝影機。
作為與主動式銅電纜，有許多不同的光纖延伸解決方案會有不同的價格，所以重要的是審查規範，以確保在所需距離內與所需的應用或系統兼容性。類似於主動式的線纜，其他考慮因素包括操作系統的兼容性和主機控制器，與視覺相機互操作性，FCC/ CE電磁合規性，長壽與測試環節循環和電力中斷，工作溫度，符合AIA USB3 Vision規格的帶鎖接頭 和保修期限。

USB3.0擴展比較

下面的表格提供了四個不同的USB3.0擴展的選項的簡要概述

包含以上所論述到的內容，可依表快速參考相關價格範圍

  
優點和ExtremeUSB®的可用性

由Icron公司的技術開發，ExtremeUSB®是一系列專利技術設計來消除銅纜線延伸USB 1.1和USB2.0幾百米的距離限制或是十公里光纖傳輸和USB 3.0高達100米的Fiber傳輸。ExtremeUSB設計是為支持工業和商業應用的嚴格要求。ExtremeUSB的表現是經過工業界驗證的，自1998年以來已在醫療，軍事和航空航天，機器視覺和機器人，還有安防和自動化會議室被信賴的。
除了距離的明顯的好處，ExtremeUSB的技術在USB延長提供了易於使用的一致強大和可靠的性能。該品牌的ExtremeUSB探明意味著距離擴展與所有USB兼容設備，不需要軟件驅動程序，並適用於所有主要的操作系統，包括Windows®和Mac OSX®和Linux®。
為確保您的系統或應用是採用堅固且業界認可的USB擴展技術，請認明以下ExtremeUSB的LOGO。

總結

USB 3.0在2008年推出時提供了一個比USB 2.0多10倍的頻寬，讓新一代的即插即用的USB照相機能夠支持更高的分辨率參數（4K超高清），幀速率和色彩深度。由於有利的條件，USB 3.0是適合機器視覺應用，但是電纜長度3米的約束， 當考慮到很多自動化應用需要電腦可以位於遠離攝影機時，就是一種無法改變的缺點。
為解決短距離的USB 3.0電纜長度，有幾個可用的USB 3.0擴展選項支持不同的距離要求。被動式電纜適用於高達3米到5米短範圍擴展（取決於它們的設計），並可以通過連接多達五個HUB進一步延長。

對系統要求介於5到15米，在保持信號完整性和可靠的性能，主動式的銅電纜已被證明優於被動式電纜。如果再需要達到更長距離要求，基於光纖
擴展可提供擴展達到和超過100米。
USB 3.0擴展解決方案有許多不同的製造商和型號，價位也不同，所以審查規範是重要的，以確保在距離內達到所期望的應用。考慮的列表包括：與電腦的操作系統和主機控制器的兼容性，與視覺相機的相互操作性，電源有效性，FCC / CE電磁兼容性，長壽命測試用的鏈接循環和電力中斷，工作溫度，AIA USB3 Vision帶鎖連接器規格，安裝空間的限制和保修期限。

ExtremeUSB是一套專利的USB擴展技術，源於Icron公司的技術，為各種各樣的市場包括機器視覺和工業自動化而設計的。除了明顯的好處距離外，ExtremeUSB一個已經在工業驗證過的技術設計，把USB擴展應用於特殊要求的環境使用例如醫療，軍工，航空航天，和現在的機器視覺。ExtremeUSB提供易於使用的特性 ，堅固和可靠的性能的USB延長性能。該品牌的ExtremeUSB把所有USB兼容裝置作距離擴展，不需要軟體驅動程式，並與所有主要的操作系統，包括Windows®和Mac OSX®和Linux®相容。
通過解決USB 3.0的操作距離限制的不足，Icron公司的ExtremeUSB技術，消除了主要障礙 ，使得廣泛的機器視覺市場逐漸採用USB 3.0作為高性價比和堅固的工業相機介面。

IPC扮機器視覺大腦 穿針引線串聯自動化

在工業自動化流程中，機器視覺(Machine Vision)應用能見度越來越高，主要生產線上常需要以人工檢測品質，但單調無聊的作業流程，常會使操作者有疲勞、注意力分散等問題，因此製造業者透過機器視覺系統廣泛取代人眼的品質檢測，並提升檢測速度與精確度。

在機械手臂機器視覺的系統架構上，主要包含感測、運算、決策操作流程，在生產線上由啟動感測器(Trigger Sensor)掌握感測物件即將接近，並啟動外部LED燈光源，攝影機如同產線眼睛，拍攝感測物件照片，並將影像傳輸到工業電腦(IPC)視覺平台進行運算，最後啟動機械手臂進行適切的自動化決策。

專長於機器視覺的工業電腦製造商磐儀科技技術長陳榮昌指出，機器視覺伴隨大量影像高速、高品質傳輸需求，目前多透過USB3 .0、GigE Vision等傳輸介面，攝影機廠商隨著機器視覺複雜化，朝向智慧型攝影機(Smart Camera)演進，影像分析運算都透過攝影機內獨立演算系統完成，再將關鍵萃取資料傳輸到工業電腦。

陳榮昌表示，當攝影機越來越聰明，意味著控制器將朝向小型化、功能精緻化發展，例如傳統視覺分析需要在工業內電腦嵌入影像擷取卡(Frame Grabber)，當影像分析擷取由攝影機完成，控制器或工業電腦走向精簡、精緻化。

不過工業電腦在機器視覺流程仍扮演舉足輕重角色，攝影機萃取後的資訊仍要透過工業電腦進行演算分析，並依照系統設定需求，進行各種致動器(Actuators)操作，例如智慧攝影機檢測到瑕疵品，可透過工業電腦驅動機械手臂等設備，將其挑選移除。

陳榮昌強調，影像傳輸消耗頻寬極大，如果所有訊號都傳遞到雲端運算決策，勢必會緩不濟急，因此在機器視覺勢必採行邊緣運算(edge computing)架構，在邊緣端就完成影像處理、運算與決策，關鍵結果訊息再回傳雲端儲存管理。

因此，未來工業電腦在機器視覺流程扮演更多穿針引線地位，為了要整合多元影像資訊，並控制各類裝置，其輸入輸出(Input/Output)介面將更豐富，且可擴充的的模組化設計。

在機器視覺具體應用案例，磐儀自動化事業處資深經理林揚城指出，機器視覺可用於飲料瓶裝生產線，檢測玻璃瓶蓋封蓋完整度，或者瓶身標籤張貼瑕疵，生產線可透過機器視覺，快速挑選出瑕疵物件。

此外，機器視覺在交通監視和控制中佔有很重要的地位，磐儀解決方案被導入英法海底隧道，應用於電子收費站、出入控制、公路流量監控等重要場合，尤其是基於車牌識別技術的高速公路收費系統中，免除人工檢票流程，提高了公路系統的運行效率。

對於應用於機器視覺的工業電腦接續發展方向，林揚城表示，人工智慧時代來臨，不少客戶希望透過人工智慧深度學習，讓機器能模擬人類判斷能力，目前磐儀已提供運算單元擴充空間，並為了因大量運算散熱問題，強化相關散熱構造設計。

Reference: https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=158&cat1=20&cat2=10&id=0000509777_v5k8no2564nafn879plgn