《画像ラボ》杂志专文 —高速线材在机器视觉系统中的角色与品质重要性
作者: COMOSS集團技術長 (CTO) 王俊凱
随着工业自动化、智慧制造及人工智慧应用的快速发展，机器视觉系统已被广泛应用在各个领域。无论是半导体检测、精密组装、瑕疵检测、病理检测还是自动驾驶，视觉系统的核心价值在于快速、准确地获取影像并即时分析。视觉系统 (图一) 可以概括分为二个重要次系统与一个连接部件。即影像撷取系统、影像处理系统与连接线材。
(图一) 机器视觉系统
讯号能量大小，取决于源头发射讯号能量大小与传输通道的损耗。而线材损耗则是通道损耗的主要来源。
线材损耗可以分为回波损耗 (Return Loss) 与插入损耗 (Insertion Loss) 两种。
回波损耗是因传输通道或介面阻抗不匹配而被反射回源端的能量大小。如线材、连接器或 PCB 走线的阻抗未能（如 50Ω、75Ω、100Ω）未能匹配一致时，讯号能量的一部分将反射回去，使得反射波与原始波迭加造成原始讯号失真。另外反射讯号会在不同时间迭加到讯号上，使得讯号波形有了抖动与延迟。这些现象都导致了讯号完整性变差，眼图闭合 (图二)，影响接收端判断。
RL(dB) = -20 log10(|Γ|) where Γ is Reflection Coefficient
Γ = (ZL – Z0) / (ZL + Z0), where ZL is the load impedance, and Z0 is the system's characteristic impedance.
当ZL与Z0差异越大时，其反射系数越大，则回波损耗越大；反之，ZL与Z0差异越小时或是ZL匹配于Z0时，其反射系数越小，则回波损耗越小。
(图二) 阻抗匹配眼图 V.S. 阻抗不匹配之眼图
特性阻抗控制与匹配为减少回波损耗主要方式。图三为一连接线缆的阻抗分布曲线图。高速连接器与高速线缆制造业者不断提升制造品质与稳定度，以控制阻抗使其阻抗变化趋于和缓。屏蔽双绞线材的几何结构决定了线材的特性阻抗，其几何结构包含了导体间距、对绞绞距、等效介电常数及屏蔽层…等。
(图三) 阻抗分布曲线图
而最后一哩路为线缆组装制造商，其剥线、理线与焊线制程 (如图三的Cable Management区域) 即为破坏线材的几何结构，如图四将屏蔽层剥除。而且传统加工制程多为人工搭配简易工具作业，加工公差无精准管控，造成阻抗变化剧烈。
COMOSS 累积多年经验发展出自働化，人机协作模式搭配精加工的治具辅助，最小化图四屏蔽层剥除长度 d，并确保公差值在稳定控制范围内。除了尺寸的控制外，亦选用较高介电常数 (Dielectric Constant) 的材质包覆于线材加工区，降低高阻抗曲线 (图五)。因而控制阻抗值稳定在一定范围内，而减少回波损耗。
(图四) 屏蔽层剥除长度
(图五) 阻抗分布曲线图 V.S. 不同Dk 材料
插入损耗是因导体电阻、介质损耗、辐射与不连续结构等因素造成讯号能量衰减。其损耗主要来自于线材。
导体电阻造成的损耗主要是高频讯号的集肤效应 (Skin Effect)，因为大部分电流集中于导体表面，所以导体表面的导电性与表面粗糙度就会影响其损耗程度。因此导体的电镀材质与电镀工艺即扮演重要的关键。目前常以镀银铜来减少导体衰减。另外导体股数 (图六) 亦会影响损耗。在相同导体 AWG 规格其股数越多则导体 Flexibility 越好，但其高频讯号损耗越大。所以导体 Flexibility 与讯号损耗为一权衡的问题。
(图六) 体股数与Flexibility 关系
至于介质损耗问题，解决方式就比较单一为选择低损耗、低耗散因子 (Df )的绝缘材料。
在线材应用中，干扰 (Interference) 扮演杂讯的角色，亦是造成讯号完整性下降的因素之一，特别是在高速传输、工业环境、机器视觉系统中更为严重。常见干扰源为外部设备电磁干扰，如马达、变频器、电源模组或其他高频设备。或是外部环境的脉冲干扰，如雷击或静电放电。
高速线材结构，除了差动讯号对采用屏蔽对绞结构 ( Shielding Twisted Pair)，线缆总体结构也需要屏蔽来抵御外部设备与环境的讯号干扰。其屏蔽可以为铝箔屏蔽与金属铜线构成屏蔽。而金属铜屏蔽又有较为柔软的缠绕 (Spiral) 样式与结构紧密不容易松散的编织 (Braid) 样式。(图七)
铝箔屏蔽与金属铜线屏蔽经常一起使用，使线材兼顾全频段干扰抑制。
(图七) 屏蔽结构
另外常见的干扰源为线缆内部的串音，线缆内部因为同时传输不同的讯号且多条导体彼此靠近，这时不同电磁场互相干扰与耦合。差动讯号对的屏蔽与线缆屏蔽方式一样，除了有铝箔屏蔽也可以增加金属编织屏蔽，来降低不同讯号对间的串音。
线缆屏蔽结构为线材抗干扰第一步，再来则是线材组装时的接地 (Grounding) 与屏蔽的完整性。屏蔽结构主要是阻档杂讯于屏蔽层上，不耦合到讯号上影响讯号完整性。而接地是建立杂讯宣泄的路径，将杂讯能量排除。如果屏蔽接地不佳或是没有接地(称为屏蔽浮接floating)，则杂讯能量就会以辐射方式逸散，就可能影响到自身讯号或是其它设备。另外就是屏蔽的完整性 (图八)，频率越高的讯号越能从细小缝隙幅射出去。一般缝隙要小于 1/10 波长才能避免讯号幅射。所以线材加工时的完整屏蔽对于抗干扰相当重要。
(图八) 屏蔽完整性
除了讯号能量的损耗与内外部干扰外，还有讯号间传递延迟不一致 (Skew) 也是常见影响讯号完整性的问题。Skew 指的是同一对差动讯号线(Intra Pair Skew) 或不同对讯号间 (Inter Pair Skew) 传输延迟不一致。
例如：在差动对讯号 (Differential Pair) 中，正 (D+) 与负 (D–) 若传输时间不同步，会导致讯号在接收端无法完整抵消杂讯，产生误码。
Skew 产生主要原因是线长不一致，如对绞线的绞距不同，或是线材绞合时两线的放线张力不同。这些线缆制程都可能会产生对绞对线长不一致。因此再更高速传输 (对讯号完整性要求更高)应用下，线材结构由双绞线 (Twisted Pair)，改用同轴线 (Coaxial)或是双轴线 (Twinax) 结构。
(图九) 高速线线材结构
结论
现今的机器视觉相机已不再是低画质、低速率的装置。随着解析度与帧率的提升，数据量呈指数级增长。庞大的资料必须在极短时间内，经由线材传输至处理单元。若线材无法支援高速传输，将造成影像延迟、掉帧、甚至数据错误，进而影响检测精度与生产效率。这正是高速线材品质的重要性所在。本文说明了常见影响线材高频原因及对应解决方式，以其对于各位未来应用有所帮助。
参考资料: VESA DisplayPort (DP) Standard Version 1.4
本文刊载于: 日本杂志《画像ラボ》11月号
随着工业自动化、智慧制造及人工智慧应用的快速发展，机器视觉系统已被广泛应用在各个领域。无论是半导体检测、精密组装、瑕疵检测、病理检测还是自动驾驶，视觉系统的核心价值在于快速、准确地获取影像并即时分析。视觉系统 (图一) 可以概括分为二个重要次系统与一个连接部件。即影像撷取系统、影像处理系统与连接线材。
(图一) 机器视觉系统
在机器视觉中，线材不仅是单纯的连接介质，更是数据传输的重要通道。它直接影响影像讯号的完整性、传输速率与系统稳定性。本文将探讨影响线材高频特性的原因与提出一些设计指引。
数位通讯系统信号判读正确性的难易度，可以用讯号杂讯比 (Signal-to-Noise Ratio) 来了解。当讯号能量远大于于杂讯其 SNR >>60dB 时，信号判读正确率则趋近于 100%；反之，当杂讯能量越大则信号判读正确率则越来越小。
数位通讯系统信号判读正确性的难易度，可以用讯号杂讯比 (Signal-to-Noise Ratio) 来了解。当讯号能量远大于于杂讯其 SNR >>60dB 时，信号判读正确率则趋近于 100%；反之，当杂讯能量越大则信号判读正确率则越来越小。
讯号能量大小，取决于源头发射讯号能量大小与传输通道的损耗。而线材损耗则是通道损耗的主要来源。
线材损耗可以分为回波损耗 (Return Loss) 与插入损耗 (Insertion Loss) 两种。
回波损耗是因传输通道或介面阻抗不匹配而被反射回源端的能量大小。如线材、连接器或 PCB 走线的阻抗未能（如 50Ω、75Ω、100Ω）未能匹配一致时，讯号能量的一部分将反射回去，使得反射波与原始波迭加造成原始讯号失真。另外反射讯号会在不同时间迭加到讯号上，使得讯号波形有了抖动与延迟。这些现象都导致了讯号完整性变差，眼图闭合 (图二)，影响接收端判断。
RL(dB) = -20 log10(|Γ|) where Γ is Reflection Coefficient
Γ = (ZL – Z0) / (ZL + Z0), where ZL is the load impedance, and Z0 is the system's characteristic impedance.
当ZL与Z0差异越大时，其反射系数越大，则回波损耗越大；反之，ZL与Z0差异越小时或是ZL匹配于Z0时，其反射系数越小，则回波损耗越小。
(图二) 阻抗匹配眼图 V.S. 阻抗不匹配之眼图
特性阻抗控制与匹配为减少回波损耗主要方式。图三为一连接线缆的阻抗分布曲线图。高速连接器与高速线缆制造业者不断提升制造品质与稳定度，以控制阻抗使其阻抗变化趋于和缓。屏蔽双绞线材的几何结构决定了线材的特性阻抗，其几何结构包含了导体间距、对绞绞距、等效介电常数及屏蔽层…等。
(图三) 阻抗分布曲线图
而最后一哩路为线缆组装制造商，其剥线、理线与焊线制程 (如图三的Cable Management区域) 即为破坏线材的几何结构，如图四将屏蔽层剥除。而且传统加工制程多为人工搭配简易工具作业，加工公差无精准管控，造成阻抗变化剧烈。
COMOSS 累积多年经验发展出自働化，人机协作模式搭配精加工的治具辅助，最小化图四屏蔽层剥除长度 d，并确保公差值在稳定控制范围内。除了尺寸的控制外，亦选用较高介电常数 (Dielectric Constant) 的材质包覆于线材加工区，降低高阻抗曲线 (图五)。因而控制阻抗值稳定在一定范围内，而减少回波损耗。
(图四) 屏蔽层剥除长度
(图五) 阻抗分布曲线图 V.S. 不同Dk 材料
插入损耗是因导体电阻、介质损耗、辐射与不连续结构等因素造成讯号能量衰减。其损耗主要来自于线材。
导体电阻造成的损耗主要是高频讯号的集肤效应 (Skin Effect)，因为大部分电流集中于导体表面，所以导体表面的导电性与表面粗糙度就会影响其损耗程度。因此导体的电镀材质与电镀工艺即扮演重要的关键。目前常以镀银铜来减少导体衰减。另外导体股数 (图六) 亦会影响损耗。在相同导体 AWG 规格其股数越多则导体 Flexibility 越好，但其高频讯号损耗越大。所以导体 Flexibility 与讯号损耗为一权衡的问题。
(图六) 体股数与Flexibility 关系
至于介质损耗问题，解决方式就比较单一为选择低损耗、低耗散因子 (Df )的绝缘材料。
在线材应用中，干扰 (Interference) 扮演杂讯的角色，亦是造成讯号完整性下降的因素之一，特别是在高速传输、工业环境、机器视觉系统中更为严重。常见干扰源为外部设备电磁干扰，如马达、变频器、电源模组或其他高频设备。或是外部环境的脉冲干扰，如雷击或静电放电。
高速线材结构，除了差动讯号对采用屏蔽对绞结构 ( Shielding Twisted Pair)，线缆总体结构也需要屏蔽来抵御外部设备与环境的讯号干扰。其屏蔽可以为铝箔屏蔽与金属铜线构成屏蔽。而金属铜屏蔽又有较为柔软的缠绕 (Spiral) 样式与结构紧密不容易松散的编织 (Braid) 样式。(图七)
铝箔屏蔽与金属铜线屏蔽经常一起使用，使线材兼顾全频段干扰抑制。
(图七) 屏蔽结构
另外常见的干扰源为线缆内部的串音，线缆内部因为同时传输不同的讯号且多条导体彼此靠近，这时不同电磁场互相干扰与耦合。差动讯号对的屏蔽与线缆屏蔽方式一样，除了有铝箔屏蔽也可以增加金属编织屏蔽，来降低不同讯号对间的串音。
线缆屏蔽结构为线材抗干扰第一步，再来则是线材组装时的接地 (Grounding) 与屏蔽的完整性。屏蔽结构主要是阻档杂讯于屏蔽层上，不耦合到讯号上影响讯号完整性。而接地是建立杂讯宣泄的路径，将杂讯能量排除。如果屏蔽接地不佳或是没有接地(称为屏蔽浮接floating)，则杂讯能量就会以辐射方式逸散，就可能影响到自身讯号或是其它设备。另外就是屏蔽的完整性 (图八)，频率越高的讯号越能从细小缝隙幅射出去。一般缝隙要小于 1/10 波长才能避免讯号幅射。所以线材加工时的完整屏蔽对于抗干扰相当重要。
(图八) 屏蔽完整性
除了讯号能量的损耗与内外部干扰外，还有讯号间传递延迟不一致 (Skew) 也是常见影响讯号完整性的问题。Skew 指的是同一对差动讯号线(Intra Pair Skew) 或不同对讯号间 (Inter Pair Skew) 传输延迟不一致。
例如：在差动对讯号 (Differential Pair) 中，正 (D+) 与负 (D–) 若传输时间不同步，会导致讯号在接收端无法完整抵消杂讯，产生误码。
Skew 产生主要原因是线长不一致，如对绞线的绞距不同，或是线材绞合时两线的放线张力不同。这些线缆制程都可能会产生对绞对线长不一致。因此再更高速传输 (对讯号完整性要求更高)应用下，线材结构由双绞线 (Twisted Pair)，改用同轴线 (Coaxial)或是双轴线 (Twinax) 结构。
(图九) 高速线线材结构
结论
现今的机器视觉相机已不再是低画质、低速率的装置。随着解析度与帧率的提升，数据量呈指数级增长。庞大的资料必须在极短时间内，经由线材传输至处理单元。若线材无法支援高速传输，将造成影像延迟、掉帧、甚至数据错误，进而影响检测精度与生产效率。这正是高速线材品质的重要性所在。本文说明了常见影响线材高频原因及对应解决方式，以其对于各位未来应用有所帮助。
参考资料: VESA DisplayPort (DP) Standard Version 1.4
本文刊载于: 日本杂志《画像ラボ》11月号