1. Évolution des interfaces

Après 20 ans de succès, l’Universal Serial Bus (USB) connaît un nouveau développement à fort potentiel d’avenir. Alors que les générations précédentes étaient simplement des interfaces de données offrant aussi une alimentation limitée à un appareil, avec la spécification USB 3.1, l’USB Implementers Forum (USB-IF) a remanié aussi de nombreux autres aspects.

La nouveauté la plus marquante est le connecteur USB Type-C, qui met fin à la confusion quant aux prises et devrait devenir la nouvelle norme.

Mais quelles sont les innovations d’USB 3.1 et quels en sont les avantages pour une interface de caméra USB ? Passons en revue rapidement l’histoire d’USB.

2. USB 2.0

IDS Imaging Development Systems GmbH a lancé en 2004 la première génération de caméras industrielles USB 2.0, à une époque où les caméras analogiques et les cartes d'acquisition vidéo étaient encore largement utilisés. Dans les applications avec des caméras numériques ne nécessitant pas d’utiliser des câbles extrêmement longs, FireWire était alors l’interface standard.

Toutefois, avec la série de caméras uEye, IDS a prouvé que la technologie USB était tout à fait adaptée aux applications industrielles. Les systèmes comptant 20 caméras ou plus raccordées via un câble industriel et des connecteurs vissables à un unique PC hôte pouvaient aussi être fonctionner avec USB 2.0.

Finalement, même les utilisateurs de visionique ont pris conscience des avantages d’USB 2.0. FireWire a été remplacé par la suite dans de nombreuses applications par une combinaison d’USB et de Gigabit Ethernet.

3. USB 3.0

2008 a marqué l’arrivée de la norme USB 3.0. L’USB-IF, qui rassemble des sociétés telles que HP, Intel et Microsoft, a présenté alors la première version de la spécification. Les premiers contrôleurs USB 3.0 ont été disponibles à la mi 2009. Il a ainsi été possible d’atteindre des débits de données supérieurs à 400 Mo/s.

Le développement de la nouvelle norme visait principalement à éliminer les limitations d’USB 2.0 :

  • Accroître le débit de données par un facteur de 10 afin d’atteindre 5 Gb/s.

  • Optimiser la gestion énergétique des appareils connectés

  • Abandonner le processus de scrutation (polling) du protocole USB antérieur

  • Conserver l’infrastructure USB existante

Les avantages de cette mise à jour des spécifications sont évidents :

  • Les capteurs CMOS les plus courants actuellement peuvent être utilisés. Le débit de données maximal de ces capteurs est trop élevé pour USB 2.0, FireWire ou GigE.
  • Si vous avez besoin d’une installation économique sans carte d'acquisition vidéo ni autre interface spéciale, USB 3.0 est la seule solution permettant d’utiliser des capteurs rapides.

IDS a été en 2011 le premier fabricant de caméras à présenter une caméra USB 3.0.

En 2015, un sondage réalisé par Vision Systems Design et l’analyse du marché de Framos ont montré qu’USB 3.0 était l’interface de caméra en visionique ayant la part de marché augmentant le plus rapidement, suivie de GigE, pour les applications nécessitant des câbles plus longs. (Häussler, 2015)

« USB 3.0 sort vainqueur d’un sondage auprès des lecteurs organisé par Vision Systems Design en tant qu’interface de prédilection. Il était demandé quel type de caméra serait privilégié d’ici deux ans. La réponse a été claire et nette : USB 3.0. » 45 % des lecteurs ont voté pour USB 3.0, suivi de GigE avec 30 % et de 10GigE avec 14 % des voix. (Carroll, 2015)

Illustration 1 - Résultat du sondage du marché de Vision Systems Design : Type de caméra préféré d’ici 2 ans.

USB est maintenant accepté et utilisé par les fabricants et utilisateurs de caméras de visionique.

4. USB 3.1

Bien sûr, le développement de la norme USB ne s’est pas arrêté là. En juillet 2013, les suspects habituels – Microsoft, Intel Renesas, etc. – ont publié la « Spécification Universal Serial Bus 3.1 ».

Mais quelles étaient les nouveautés d’USB 3.1 ? Les réponses évidentes à cette question sont claires :

  • Plus grande vitesse
  • Nouveau connecteur
  • Capacité de transfert d’une plus grande quantité d’énergie

Toutefois, USB 3.1 apporte un autre changement : Il n’introduit pas nécessairement uniquement une plus grande bande passante. Avec la nouvelle version, les choses se compliquent malheureusement un peu pour les utilisateurs d’USB.

Tableau 1

Tableau 1 - Récapitulatif des normes USB et de leurs principales caractéristiques

Année

Norme USB

Caractéristiques fondamentales

2016

USB PD 3.0

100 W

1996

USB 1.0

1.5 Mbit/s “Low Speed”

1998

USB 1.1

12 Mbit/s “Full Speed”

2000

USB 2.0

480 Mbit/s “High Speed”

2008

USB 3.0

5 Gbit/s “SuperSpeed”

2012

USB PD 1.0

7.5 W

2013

USB 3.1 (Gen1)

5 Gbit/s “SuperSpeed”

2014

USB Type-C

Reversible

Vitesse de transmission

La spécification USB 3.1 remplace techniquement la spécification USB 3.0 par une rétrocompatibilité complète avec USB 3.0 et 2.0. Mais, elle apporte aussi un débit de données de 10 Gb/s en plus du débit utilisé jusqu’ici de 5 Gb/s. Pour les distinguer, l’USB-IF représente les deux vitesses de transfert au moyen de logos différents :

Le nom officiel d’USB 3.1 Gen 1 reste SuperSpeed USB. Il est important de noter que USB 3.1 Gen 1 et USB 3.0 sont des synonymes !

La désignation d’USB 3.1 Gen 2 est SuperSpeed USB 10 Gb/s. De façon informelle, il est aussi tout simplement appelé SuperSpeed+. Dans la génération 2, la vitesse de transfert est deux fois plus élevée que celle d’USB 3.0. La charge par paquet de données a pu être réduite grâce à des améliorations efficaces au niveau du protocole.

Ainsi, USB 3.1 peut offrir une plus grande vitesse, mais, par définition, ça n’est pas obligatoirement le cas.

Nouveau connecteur

Quelles sont les caractéristiques de ce nouveau connecteur? Actuellement, il n’y a pratiquement aucune revue technologique qui ne présente pas un ou plusieurs produits équipés de ce nouveau connecteur.

Ce connecteur est destiné à devenir à l’avenir le seul et unique connecteur universel sur les PC. Le MacBook Apple a été présenté pour la première fois en 2015 avec un seul port USB-C servant à l’alimentation électrique et au raccordement de périphériques ou d’un deuxième écran. La génération actuelle est équipée de quatre ports USB-C et d’aucun autre type de connecteur. Actuellement, le connecteur USB-C est utilisé sur les câbles, les Smartphones, les tablettes, les disques durs, les écrans, les stations d’accueil, les blocs d’alimentation, les ordinateurs portatifs, les PC, les clés USB, etc.

USB-C est un connecteur innovateur, peut-être la meilleure norme de connecteur jamais définie :

Il est petit, rapide, très polyvalent et capable de transmettre une grande quantité d’énergie – et son plus grand avantage : il ne présente aucune orientation ! Pensez à toutes les fois où vous avez tourné vous-même plusieurs fois un connecteur USB-A jusqu’à trouver la bonne orientation pour le brancher.

Avec une hauteur de 2,5 mm seulement et une largeur de 8 mm environ, il est plus petit que les connecteurs actuels Type-A ou Micro-B. Cela constitue un avantage majeur pour la conception d’appareils plus petits.

Le connecteur Type-C contient 24 broches, soit près de deux fois plus que tous les autres connecteurs USB. Toutefois, elles n’ont pas à être toutes utilisées dans chaque câble. Elles comportent des bus de données Superspeed, une interface USB 2.0 pour la rétrocompatibilité, l’alimentation électrique, la masse et le canal de communication pour le protocole Power Delivery.

Illustration 2 - Affectation des broches du connecteur femelle USB Type-C

Conjointement avec le canal de configuration (CC), le connecteur permet non seulement les liaisons de données USB ou l’alimentation électrique, mais aussi des modes d’exploitation alternatifs. Cela permet ainsi la transmission, par exemple, de Display Port (DP Alt Mode), de Thunderbolt et d’autres protocoles.

Les appareils USB 3.1 n’ont pas nécessairement besoin d’un connecteur Type-C. Il s’agit d’une spécification distincte, et le connecteur est optionnel pour les appareils USB 3.1. Techniquement, les connecteurs Type-A connus offrent la pleine vitesse USB 3.1 Gen 2. Toutefois, le connecteur Type-C offre bien plus de possibilités !

Les puces de contrôleur pour le canal de configuration (CC) dans les fiches mâles et femelles, qui permettent de créer un lien USB hôte-appareil, constituent une autre nouveauté du connecteur USB Type-C. Une structure de câble Type-C contenant ces puces dans une des extrémités ou les deux constitue un câble « intelligent » et est appelée « câble à marquage électronique » (EMCA). Ces câbles Type-C communiquent avec le PC hôte ou d’autres appareils et leur communiquent leurs capacités spéciales, par exemple leur capacité de charge, les vitesses de transfert de données possibles ou l’ID du fabricant -ID (IC câble USB Type-C).

Ces câbles ayant une capacité de charge allant jusqu’à 100 W, il est particulièrement important qu’ils communiquent correctement leurs caractéristiques électriques. Tous les câbles USB Type-C complètement utilisés doivent être ainsi marqués électroniquement.

Lorsque vous achetez un câble USB Type-C, utilisez uniquement des câbles de qualité d’un fournisseur fiable. Idéalement, procurez-vous le câble directement du fabricant de caméras.

Puissance délivrée

Voyons la troisième caractéristique étroitement liée à USB 3.1 : Puissance accrue. USB Power Delivery (PD) n’est pas non plus une nouvelle fonctionnalité. Il a déjà été présenté pour la première fois en 2013 avec un modeste taux de transfert de puissance maximal de 7,5 W pour le chargement des batteries par USB. Depuis, la norme USB PD a été constamment élargie et améliorée. La spécification 3.0 actuelle a été lancée en mars cette année et permet un transfert de puissance allant jusqu’à 20 V et 5 A (100 W), selon l’hôte et les capacités de l’appareil. C’est beaucoup et cela suffit pour de nombreuses applications – mais ça n’est malheureusement pas assez pour recharger une voiture électrique… pas encore.

Power Delivery n’est pas une condition indispensable pour le connecteur Type-C. Il est fondamentalement possible d’utiliser aussi le connecteur Type-C avec des appareils qui ne prennent pas en charge le protocole Power Delivery. Toutefois, l’inversion indépendante des rôles de fournisseur de données et de fournisseur d’électricité pour une souplesse maximale ne fonctionne qu’avec le protocole PD. Il est aussi possible d’alimenter un écran d’un PC et que celui-ci alimente à son tour la caméra raccordée. Ces rôles des différents appareils peuvent inversés sans interruption, même pendant le fonctionnement. C’est intéressant, par exemple, en cas de perte de l’alimentation électrique ou de déconnexion de la source d’alimentation d’un appareil.

Power Delivery prend en charge les deux rôles. Cela signifie qu’il peut fonctionner dans les deux directions. Le PC hôte peut alimenter l’appareil raccordé et vice versa. Ou encore, le PC comme la caméra peuvent être alimentés par un écran, etc.

5. Impact sur les caméras de visionique

Que retirent les caméras de visionique de la combinaison de ces trois fantastiques normes ?

Lorsqu’une caméra dispose d’une plus grande puissance électrique, par exemple les nouvelles caméras IDS uEye LE USB 3.1 Gen 1 avec connecteur Type-C, cela facilite grandement la conception du système puisqu’il n’est plus nécessaire de prévoir des sources d’alimentation supplémentaire dans un système compact. IDS lance actuellement une série de caméras qui peut fournir une puissance de sortie de 12 W et même plus pour les modèles ultérieurs. Une puissance suffisante pour fournir, par exemple, un éclairage via la caméra elle-même. Cela simplifiera la conception de votre système et le rendra plus économique.

Illustration 3

Il n’y a pas que les capteurs très rapides qui profiteront du doublement prochain de la vitesse de transfert à SuperSpeed 10 Gb/s et de la taille de paquet de données d’environ 1 Go/s. D’autres formats de sortie de données en RGB ou en profondeur de bits de plus de 8 bits sont aussi possibles.

Illustration 3 - Vitesse de sortie de données de 4 capteurs CMOS de la génération actuelle qui profiteraient de la plus grande vitesse de transfert d’USB 3.1 Gen 2

Les avantages évidents d’USB 3.1, du nouveau connecteur Type-C et du protocole Power Delivery ouvrent de nombreuses nouvelles possibilités pour vos applications. Mais l’utilisateur de visionique a une autre question importante : « Qu’en est-il de la longueur de câble ? »

Fondamentalement, par rapport aux implantations USB antérieures, rien n’a changé à cet effet, à tout le moins pas pour la vitesse de 5 Gb/s. C’est un malentendu général de penser que la longueur de câble sera limitée par la spécification. C’est faux. En réalité, la spécification indique même clairement que la longueur de câble n’est pas fixée. Elle définit par contre des paramètres électriques, comme la chute de tension, le temps de montée du signal, la résistance, etc. En outre, elle précise des longueurs de câble pouvant être atteintes lors de la fabrication de façon économique avec les matériaux de câble disponibles dans le commerce. Toutefois, si des méthodes de montage et des matériaux de haute qualité sont utilisés, il n’y a aucune limitation de la longueur maximale.

Avec des câbles USB 3.1 Gen 2 longs, il sera évidemment encore plus difficile pour les fabricants de câbles de respecter les paramètres prescrits. Il est possible qu’il n’y ait au départ que des câbles courts de 1 ou 2 m pour la spécification SuperSpeed 10 Gb/s.

Pour les caméras USB 3, il existe des câbles Micro-B passifs de longueurs allant jusqu’à 8 m. Avec USB 3.1 et Type-C, IDS prévoit actuellement des longueurs de câble de 3 m, mais vous pouvez vous attendre à ce que des câbles plus longs soient bientôt disponibles.

La fabrication de câbles plus longs révèle un autre avantage du Type-C. Dans les câbles à marquage électronique actifs (EMCA), il est possible d’utiliser l’électronique pour traiter les signaux du chemin de données ou d’utiliser un milieu porteur optique (fibre optique, câble optique actif) afin de maximiser les longueurs de câbles possibles. Les câbles actifs qui communiquent leur configuration ou traitent les signaux sont appelés « managed active cables ».

Avec les nombreuses lignes de signaux supplémentaires d’un câble doté de connecteur Type-C des deux côtés, le diamètre du câble augmente légèrement. Les nouveaux câbles sont offerts en diverses combinaisons de connecteurs. Par exemple, Type-C à Type-C (full featured) ou Type-C à Type-A (pour des liaisons purement de données).

Mais le connecteur USB Type-C est-il réellement adapté aux applications industrielles ? Oui. USB Type-C existe en version vissable, et même des chaînes d’entraînement d’une grande flexibilité pour les applications de robotique sont possibles. En mars cette année, le groupe de travail de l’USB-IF « Device Working Group (DWG) » a publié la spécification pour les connecteurs USB Type-C vissables. Les membres de ce groupe sont issus de sociétés connues telles qu’Apple, Dell et Intel.

La spécification définit les mécanismes de vissage standardisés pour USB Type-C avec des vis simples (sur un connecteur) ou doubles (sur le côté du connecteur). Les fabricants de câbles préparent actuellement les premiers échantillons.

Illustration 4 - Connecteur USB Type-C avec raccordement vissé simple ou double (Alysium-Tech GmbH, 2016)

Abbildung 4

6. Résumé

Il y a actuellement différents nouveaux termes et normes relatifs à USB 3.1 qui pourraient créer une certaine confusion :

  • USB 3.1 Gen 1 et USB 3.1 Gen 2
  • Connecteur Type-C
  • Puissance délivrée

Pour simplifier le tout pour l’utilisateur, l’USB-IF a eu l’idée d’imposer aux fabricants de composants USB 3.1 d’indiquer clairement la vitesse, l’énergie et les caractéristiques de connexion que possède chaque appareil. Une caméra qui rassemble toutes ces nouvelles fonctionnalités devrait alors être appelée :

Caméra USB 3.1 Gen 1 avec connecteur Type-C™ et Power Delivery

Les caméras USB SuperSpeed sont déjà utilisées dans une majorité des applications et représentent une portion croissante des nouveaux projets de visionique. Si vous avez besoin de caméras à hautes performances, envisagez d’abord des produits USB 3.1 avant de choisir des solutions d’acquisition classique encombrantes, ayant une forte consommation électrique et chères par comparaison.

Si vous vous décidez aujourd’hui pour une caméra USB 3.1 Gen 1, un modèle USB Type-C vous offrira dans un à deux ans une transition absolument simple et transparente vers un débit de données deux fois plus élevé.

Vous profitez aussi simultanément des formidables fonctionnalités d’une caméra USB 3.1 Gen 1 avec connecteur Type-C :

  • Débit de données très élevé de plus de 400 Mo/s
  • Le meilleur rapport coûts-débit de données que vous puissiez trouver dans une interface caméra.
  • Connecteurs très compacts, vissables, polyvalents et sans orientation.
  • Power Delivery assure à votre appareil une puissance suffisante, ce qui simplifie le câblage et vous permet ainsi d’épargner temps et argent.
  • Bien évidemment, USB 3.1 Gen 1 et Gen 2 sont entièrement compatibles avec USB 3 Vision.
  • L’association USB 3.1 et USB Type-C offre un grand nombre de possibilités de connexion d’appareils en tous genres, formant une interface numérique unique et constante.

Les caméras qui allient tous ces avantages sont déjà disponibles. À la fin de l’été 2016, IDS a lancé plusieurs modèles avec USB 3.1 Gen 1, le connecteur polyvalent Type-C et un support matériel de 12 W via Power Delivery.

N’attendez plus. Offrez-vous un avant-goût du futur. « Gardez le contact avec USB 3.1 »