图 1：CoaXPress 是一种开放式机器视觉接口，能够支持高达 12.5Gbps 的数据传输速率。

CoaXPress（简称CXP）是一种定义明确的开放式接口，适用于要求严苛的机器视觉任务，如自动光学检测、医学成像、生命科学以及工业质量控制等领域。CXP接口每个链路支持高达 12.5Gbps 的数据传输速率，使用四个链路时最高速率可达 50Gbps，能够以更快的帧率传输更高分辨率的图像，这对于机器视觉系统的成功运行至关重要。

此外，CXP 使用 75Ω同轴电缆作为传输介质，使其成为较旧的基于同轴电缆的模拟系统（例如智能交通系统（ITS）或军事和航空航天系统）的理想升级选择。

本文将探讨CoaXPress的一个新兴应用：在长距离光缆上运行未经修改的 CXP 协议。

光纤的传统优势 —— 高带宽、抗电磁干扰（EMI）、安全性高、耐用且尺寸紧凑 —— 使其成为CoaXPress的最佳搭档。CXP 的最大电缆传输距离为 40m，这个长度对于大多数工厂内的机器视觉系统来说已经足够用；但是，当应用场景的距离以公里而非米来衡量时，40m的传输距离就不能胜任了。

在这样的长距离传输中，正是光纤大显身手的绝佳舞台。单模光纤能够对距离主机最远达 120km的目标进行远程检测和视频监控，并且几乎不会因信号衰减和色散而导致信号质量下降。与基于铜缆的系统相比，光纤本质上在防止信息篡改或窃听方面更具安全性，因为在不实际接触电缆的情况下很难对其进行窃听。对于长距离监控而言，这种安全性至关重要。

一、长距离机器视觉

在本文中，“长距离机器视觉”这一术语将用于描述任何在超出以太网标准 100m限制的距离之外，捕捉、处理和分析视频的先进成像系统。以下是一些可以使用 CXP和光纤传输的场景：管道检测：检查管道内部是否存在泄漏、腐蚀或裂缝，尤其是在偏远或危险区域。基础设施监测：监测风力涡轮机叶片、桥梁和大型建筑物的应力、振动和其他损坏情况。远程站点检测：检查难以到达的区域，如机器内部、处理罐或飞机部件内部。这些区域可能含有爆炸性液体、蒸汽或粉尘。此外，这也适用于破坏性测试场景。监控/国防领域：用于远程观察、跟踪和锁定高价值监控目标，如军事基地。也可用于边境安全防护以及支持情报或侦察任务。工业自动化：监控大型工厂或装配线，这些地方的摄像头分布较为分散。地下检测：检查下水道管道、电缆或隧道的状况。航空航天领域：密切监测火箭发射的各个方面。

图 2：CoaXPress 的一个新兴应用，是在光缆上运行未经修改的 CoaXPress 协议，以支持长距离应用，例如大型工厂中的机器视觉监控相机。

在长距离传输方面，光纤的性能远优于铜缆，并且更具成本效益。为了使数据信号通过双绞线铜缆进行长距离传输，需要对信号进行多次放大，虽然可以使用中继器，不过这成本较高。尽管每米光缆的成本可能比铜缆高，但由于中继器的成本因素，在长距离传输中光纤可能是更经济实惠的选择。此外，中继器需要电源，这会带来额外的成本和设计方面的复杂性。

二、GigE Vision + 光纤

长距离成像应用的标准方法，是使用基于 GigE Vision 协议的相机。大多数 GigE Vision 相机可以通过标准以太网硬件在光纤上传输数据，因为该协议与物理传输介质无关。

要设置一个 GigE Vision 系统，需将相机连接到一对铜缆转光纤的介质转换器上 —— 一个靠近相机，用于将以太网信号转换为光纤信号；另一个靠近主机，用于将信号转换回铜缆信号，而两两转换器之间通过光缆连接。

另一种方法是使用带有光纤端口的工业以太网交换机，先通过铜缆连接相机，然后使用光纤将交换机与主机系统进行长距离连接。此外，一些更先进的 GigE Vision相机或图像采集卡支持小型可插拔（SFP）模块，无需外部转换器即可直接连接到光缆。GigE Vision 协议本身保持不变，只是通过光纤介质进行传输。

虽然 GigE Vision 具有许多优点，如成本效益高、兼容性广泛以及可以利用标准以太网基础设施等，但它也存在一些局限性，可能会影响其在长距离光纤应用中的适用性。这种方法的缺点包括：由于需要专用的光纤设备而增加了安装成本、设置光纤连接的复杂性，以及当应用涉及大量图像处理时会导致 CPU 负载过高。

尽管 GigE Vision 可以利用以太网高达 100Gbps 的传输能力，但该标准本身并不能固有地以该速度运行。实际上，目前大多数 GigE Vision 相机以标准的千兆以太网速度（1Gbps）运行，除去一些影响因素后，实际最大数据传输速率约为 100~125MBps。具有更高分辨率或帧率超过 60fps的相机，对传输速率的需求可能会超过这个带宽限制，从而导致数据传输瓶颈。

那么，10GigE Vision如何呢？视觉应用市场最初对 10GigE Vision 将 GigE Vision 协议的 1G 带宽提升 10 倍表示欢迎。然而，随着时间的推移，人们逐渐清楚地认识到 CPU 无法处理 10Gbps 的流量，从而导致延迟和丢帧问题。与 CoaXPress 或 Camera Link 中使用的图像采集卡不同，GigE Vision 依赖于主机的 CPU 来处理以太网数据包和管理数据流。智能网卡或具有卸载功能的 10G 图像采集卡可以降低 CPU 利用率，但这种方法抵消了 GigE Vision 相对于 CoaXPress 的主要优势：无需图像采集卡作为相机和计算机之间的中介。而且，较旧的电缆基础设施也必须升级为 CAT6 或 CAT6a 标准，以适应 10GigE Vision 的要求，这进一步增加了系统成本。

另外，10GigE Vision 协议的高功耗会导致相机过热，这是其在长距离应用中的另一个缺点。其他缺点还包括无法发送实时触发信号、无法将多台相机连接到同一台计算机，以及非确定性的帧延迟会导致帧到达时出现明显的时间抖动。在长距离系统应用中，所有这些问题都会更加严重。

GigE Vision 是基本机器视觉应用的一种通用且经济实惠的选择，但其缺点使其不太适合长距离任务，因为在长距离应用中，其最初较低的入门成本可能会迅速增加。当然，作为一种基于以太网的协议，如果没有适当的安全保护措施，GigE Vision 还容易受到网络攻击，如数据包嗅听和未经授权的访问。

三、CXP + 光纤

2021 年，日本工业成像协会（JIIA）标准委员会发布了 CoaXPress 标准的 2.1 版本，不久后根据全球机器视觉标准协调协议（G3 协议）被采纳。主要的升级内容包括支持额外的传输速度（CXP-10 和 CXP-12）；将用于触发的上行链路速度提高一倍，达到超过 500kHz；符合通用相机接口标准（GenICam）和通用设备控制标准（GenDC）；以及采用微型 BNC 连接器。

图 3：多家制造商已推出基于光纤的 CoaXPress 图像采集卡、信号放大器和相机。（图片来源：Advantech/BitFlow）

在所有这些消息中，容易被忽视的是 CoaXPress 2.1 版本规范中新增的基于光纤的 CoaXPress over Fiber（简称 CoF）功能。这一功能具有开创性意义，它使得光纤链路能够在不修改 CoaXPress 协议的情况下，与之配合使用。传输的物理层基于以太网标准，这使得即使数据协议仍然是 CoaXPress，也更容易与当前的网络基础设施集成。CXP 数据使用标准以太网信令（如用于 10Gbps 传输的 10GBASE-R）编码到光纤上，以确保与现有光纤网络的兼容性。

正如前面提到的，CoaXPress 标准定义的比特率最高可达 12.5Gbps（CXP-12），其速度由串行数据技术支持。2.1 版本为未来 25G CXP（CXP-25、CXP-31）传输奠定了基础，并且超出了其已定义的比特率和电缆长度限制。

连接到 10G 以太网物理层的主要网关是 10 千兆位介质独立接口（XGMII）。该接口的通用设计，使得将 CoaXPress 信令映射到以太网子层更加容易。此外，由于没有 8b/10b 编码开销，XGMII 接口的有效比特率与 CoaXPress CXP-12 连接的比特率相当。使用 XGMII 还使 CoaXPress 能够通过 25千兆位介质独立接口（25GMII）支持更高的带宽。25GMII 是 XGMII 的更快版本，在逻辑上与之等效。

基于光纤的 CoaXPress 在抖动和延迟方面表现出与基于同轴电缆的 CoaXPress 相同甚至更好的性能，这得益于光纤 10Gbps 和 25Gbps 的带宽连接能力。根据 2.1 版本规范，基于光纤的 CoaXPress 在单模光纤上的最大传输距离为 120km，在多模光纤上为 550m。基于光纤的 CoaXPress 唯一可能的缺点是，光纤无法通过光来传输电力。

为了响应 2.1 版本规范，包括BitFlow在内的制造商推出了基于光纤的 CoaXPress 图像采集卡、信号放大器和相机。

四、将 CXP 信号转换为光信号

与 GigE Vision 相机解决方案一样，为了进行长距离传输，CoaXPress 的电信号必须转换为光信号。CXP 数据以数据包的形式进行传输，其中包含了图像数据以及用于验证和同步的额外信息。

转换可以通过以下三种方式之一进行：

（1）使用一套专用的转换器盒，将相机的 CXP 输出转换为光纤信号，两者之间使用长距离的光缆连接。在计算机一端，信号再转换回铜缆信号并插入CXP 图像采集卡。虽然这是一种可行的配置，但成本可能过高。

（2）另一种解决方案是由相机制造商对其非基于光纤的 CXP相机进行重新设计，使其具有光纤接口。这里的问题是，为了集成光纤输出，一个标准的 CXP 相机，特别是单链路和双链路的低成本 CXP 设备（通常尺寸非常小），在尺寸和功耗方面都会大幅增加。实际上，对于相机制造商来说，这种改进的投资回报率可能较低，导致成本过高而难以实施。

（3）第三种新的连接方式。新开发的铜缆转光纤模块，采用最少的部件解决了长距离机器视觉传输的难题。与需要两个笨重的介质转换器盒不同，现在只需要一个模块，通过标准同轴电缆直接连接到非基于光纤的 CXP 单链路相机。与其他铜缆转光纤解决方案不同的是，这些新模块还能为相机提供 13W 的电力，无需外部电源。此外，它完全支持上行链路通道，可用于相机配置和控制、触发以及固件更新。该模块输出到单模光缆，以恒定的 10Gbps 速率传输数据。这种光缆可以传输 120km甚至更长的距离而不会出现信号衰减，并且可以直接插入主机内部的 CXP 光纤图像采集卡。

由于不断的创新，将会出现更多基于光纤的 CoaXPress 选项，提供更高的成本效益、更快的速度和更长的电缆传输距离。

总之，由于光信号固有的隔离特性，光纤传输能够在长距离传输中提供高数据完整性。基于光纤的 CoaXPress 是一种在包括光纤在内的标准以太网连接上运行未修改的 CoaXPress 协议的方式，为实现更高的带宽打开了大门。结合 CXP 的低 CPU 开销、低延迟和低抖动图像采集等优点，基于光纤的 CoaXPress 正逐渐成为 GigE Vision 系统的可行替代方案。

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