Dans cet article, le fabricant américain de caméras Flir nous explique les aspects importants à prendre en compte pour choisir une caméra de vision intégrée. A savoir : les fonctionnalités, le facteur de forme et l’encombrement, les options d’interface, le montage d’objectif, le support logiciel, la gestion thermique et même la CEM.

La disponibilité d’ordinateurs monocarte compacts et puissants permet de concevoir de nouveaux produits prometteurs, notamment dans le secteur médical. C'est en effet la porte ouverte à des applications où la miniaturisation s'accompagne d'une réduction des coûts et d'une efficacité accrue. Côté vision, les systèmes peuvent tirer parti des caméras version carte pour réduire davantage la taille globale des produits et fournir de la flexibilité opérationnelle, tout en prenant en charge des objectifs personnalisés.

Parmi les exemples typiques de ces applications à base de caméras intégrées, on trouve le diagnostic médical, la métrologie, la robotique, la vision industrielle, l’inspection des emballages et des impressions, les scanners portables, les paillasses de laboratoires et d’autres systèmes à espace limité.

Facteur de forme et fonctionnalités

Pour passer de caméras avec boîtier à des modèles en version carte, les concepteurs de systèmes doivent s'interroger sur leurs exigences en matière d'imagerie et de performances. De nombreuses caméras version carte de petite taille ne prennent en charge que des capteurs basse résolution, quelques lignes GPIO (broche d'E/S à usage général) et des fonctionnalités limitées. D'un autre côté, on trouve en version carte de nombreuses caméras de vision complètes, qui sont simplement des caméras standard dont le boîtier a été retiré. Bien que ces caméras cartes puissent offrir les performances d’imagerie requises, elles ne sont guère plus petites que les modèles avec boîtier. Elles utilisent fréquemment des connecteurs GPIO et d’interface standard qui sont encombrants et ne conviennent pas aux applications embarquées. Par exemple, les connecteurs de verrouillage industriels typiques ont à eux seuls à peu près la même taille qu’une caméra version carte Blackfly S.

Développées par Flir, les caméras Blackfly S en version carte ont été conçues de A à Z avec l'objectif des systèmes embarqués. Elles offrent les mêmes performances et fonctionnalités que les modèles Blackfly S avec boîtier, mais avec un facteur de forme plus compact (29 x 29 x 10 mm). De taille également réduite, les connecteurs GPIO et d’interface permettent un gain d’espace supplémentaire. Un autre avantage important de la gamme de caméras version carte de Flir est la disponibilité du même facteur de forme sur tous les modèles, avec des capteurs allant de 1/3 de pouce à 1,1 pouce. Un facteur de forme cohérent sur plusieurs modèles de caméras permet de développer et de mettre plus facilement à niveau les systèmes et les futures variantes de produits.

Monture d’objectif

Les caméras version carte sont une option attrayante pour les clients qui cherchent à intégrer des objectifs non standard ou à placer le capteur d’image aussi près que possible de leur cible. Sans monture fixe d’objectif, ces caméras offrent aux concepteurs la liberté de sélectionner des objectifs autres que les modèles standard à monture C, CS ou S couramment utilisés en vision industrielle. Cette conception est également idéale pour les applications de biotechnologie et de profilage au faisceau laser, qui n’utilisent souvent pas d'objectif. Une autre application courante des caméras version carte est de permettre l’intégration de la monture d’objectif dans une autre pièce du produit final, d’où le terme "caméra de vision intégrée". En outre, le moulage de la monture d’objectif directement dans le boîtier d’un produit peut réduire davantage les coûts en simplifiant la fabrication et l’assemblage. Pour évaluer une caméra version carte qui n’est pas livrée avec une monture d’objectif, un accessoire de monture doit également être acheté. Si des modèles avec boîtier pour lesquels des capteurs et des fonctionnalités identiques aux modèles version carte sont disponibles, ils peuvent être utilisés comme plateformes de développement.

Afin de choisir la bonne option de monture d’objectif pour une caméra version carte, l’un des facteurs les plus importants à prendre en compte est la taille du capteur utilisé. En général, les objectifs à monture S sont conçus pour être utilisés avec des capteurs de 1/3 de pouce au maximum avec des résolutions limitées, généralement inférieures à 2 Mpixels. Les objectifs à monture CS, quant à eux, sont conçus pour fonctionner avec des capteurs compris entre 1/3 de pouce et 1/2 pouce. Si le capteur mesure 1/2 pouce ou plus, il est préférable d’utiliser un objectif à monture C.

Gestion thermique

Les caméras avec boîtier dépendent de la surface de celui-ci pour dissiper la chaleur générée par le capteur, le circuit FPGA et d’autres composants. Sans boîtier, les caméras version carte à haute performance peuvent avoir des exigences de conception supplémentaires pour garantir un fonctionnement dans la plage de température recommandée. Dans ce cas, une dissipation thermique adéquate est essentielle. Les fabricants indiquent généralement la température de jonction maximale associée au composant soumis à la température la plus élevée. Sur les caméras Blackfly S de Flir, la température de jonction maximale du FPGA est spécifiée à 105°C.

Les concepteurs de systèmes doivent s’assurer que leur solution de gestion thermique répond à cette obligation. La taille du radiateur, la surface du châssis sur lequel la caméra est montée ou le type de refroidisseur actif requis dépendra du capteur, de la fréquence d’acquisition d'images, de l’environnement d’exploitation et du volume de traitement d’image effectué au sein de la caméra. Afin de fixer le radiateur sur la caméra, il est recommandé d’utiliser des pâtes thermiques sur des tampons thermiques pour réduire la contrainte de la carte sur la caméra.

Conception du boîtier et prototypage rapide

Dans la plupart des cas, les caméras version carte sont intégrées directement dans un système de vision intégré/produit et un boîtier n’est pas nécessaire. Cependant, pour les applications dans lesquelles la caméra ne sera pas intégrée dans un produit et où les composants internes de la caméra sont donc  exposés aux éléments, un boîtier peut être nécessaire pour éviter tout dommage. Pour le prototypage rapide, les concepteurs de systèmes embarqués peuvent facilement concevoir et imprimer un boîtier pour la caméra à l’aide d’imprimantes 3D ou utiliser des boîtiers en plastique génériques dans lesquels encapsuler la caméra et la mettre en place à l’aide d’entretoises et de supports de montage.

Interfaces et connecteurs

L’USB 3.1 Gen 1 est une interface idéale pour les systèmes embarqués. Son universalité garantit la prise en charge d’un large éventail de matériels : des ordinateurs de bureau aux ordinateurs monocarte basés sur processeurs ARM. L’accès direct à la mémoire (DMA) maintient la latence au minimum sans avoir besoin de driver de filtre. L’USB 3.1 Gen 1 fournit également de l’alimentation électrique et un débit de données jusqu’à 480 Mo/s avec un seul câble, simplifiant à la fois la conception mécanique et électrique.

L’un des objectifs clés des concepteurs de systèmes embarqués consiste souvent à miniaturiser les conceptions existantes. Dans ce cas, la longueur maximale du câble est beaucoup moins importante que le volume du câble et du connecteur. Les câbles de circuits imprimés souples (FPC) peuvent prendre en charge l’USB 3.1 Gen 1 sur des longueurs jusqu’à 30 m. Ces câbles FPC peuvent se plier et se tordre pour s’adapter à des systèmes très compacts. De plus, des connecteurs de verrouillage de haute qualité et des câbles FPC blindés avec languettes de verrouillage peuvent assurer une connexion sécurisée et fiable.

En revanche, l'interface USB 3.1 Gen 1 présente l'inconvénient potentiel de sa rapidité : un signal haute fréquence qui peut provoquer des interférences sur les appareils sans fil jusqu’à 5 GHz. Pour les applications utilisant de telles fréquences sans fil (GPS par exemple), Flir propose également des caméras version carte avec des interfaces GigE.

MIPI CSI est une autre interface courante utilisée sur de nombreuses cartes embarquées. Cependant, la complexité du protocole MIPI et des drivers peut rendre le développement plus long que l’USB. Il existe également des interfaces basées sur la transmission différentielle basse tension (LVDS), qui sont conçues pour s’interfacer directement avec un FPGA côté hôte. Avec ce type d'interface chaque canal de transmission de signal nécessite deux fils : un petit inconvénient en général, mais important pour certaines applications.

Support logiciel

Au moment de sélectionner une caméra à utiliser dans un système embarqué, le support logiciel est une considération importante à ne pas négliger. Un kit de développement (SDK) qui prend en charge les systèmes de bureau et embarqués fournit aux concepteurs la liberté de développer leurs applications de vision sur des outils familiers et de les déployer facilement sur la plateforme embarquée de leur choix. Le SDK Spinnaker de Flir prend en charge Windows et Linux sur les systèmes x86, x64 et ARM.

Compatibilité électromagnétique

Sans le blindage fourni par un boîtier, la compatibilité électromagnétique (CEM) des caméras version carte sera différente de celle des modèles avec boîtier. Toutes les caméras avec boîtier de Flir sont certifiées CEM, mais les caméras version carte ne le sont pas. Comme celles-ci sont intégrées dans d’autres systèmes, le produit final doit être certifié séparément. Quelle que soit l’application, il est toujours conseillé de suivre les meilleures pratiques pour la gestion des interférences électromagnétiques comme avec tout autre composant électrique.

Conclusion

Les caméras version carte révolutionnent les systèmes de vision embarqués en offrant la liberté et la flexibilité nécessaires pour concevoir des produits innovants, compacts et polyvalents. Outre les facteurs abordés dans cet article, il est également important d’envisager de pérenniser son système embarqué à l’aide de capteurs, d’objectifs et de composants fiables de haute qualité. Concernant sa gamme de caméras version carte, Flir revendique une conception guidée en fonction de ces applications, accompagnée d'une garantie de 3 ans.

[Source des illustrations : Flir]

www.flir.fr