挾高效能優(yōu)勢(shì)　FPGA滿足機(jī)器手臂多軸化設(shè)計(jì)
　　賽靈思(Xilinx)亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理羅霖表示，因應(yīng)工廠產(chǎn)線精密化，目前生產(chǎn)線上的機(jī)器手臂有朝向多軸化發(fā)展的趨勢(shì)，這是為了讓機(jī)器手臂能完全替代人類手臂，以執(zhí)行多種精密、複雜的擬人動(dòng)作，如此一來還可將過去須要透過多道不同運(yùn)動(dòng)控制類型的機(jī)器手臂產(chǎn)線轉(zhuǎn)為合併成單一產(chǎn)線，降低生產(chǎn)成本及提高工廠作業(yè)效率。 為了迎合機(jī)器手臂的多軸化發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)器手臂內(nèi)建的馬達(dá)數(shù)量及軸數(shù)都必須增加，當(dāng)其中一個(gè)馬達(dá)軸旋轉(zhuǎn)到特定角度時(shí)，與其同處一個(gè)連動(dòng)系統(tǒng)的馬達(dá)軸也須旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的正確角度，且不同系統(tǒng)之間的搭配協(xié)調(diào)也至關(guān)重要；因此羅霖指出，相較于只能在單一節(jié)點(diǎn)上運(yùn)作的MCU，F(xiàn)PGA的擴(kuò)展性及運(yùn)作效能將更能應(yīng)付設(shè)計(jì)日趨複雜的多軸馬達(dá)運(yùn)算需求。
　　羅霖進(jìn)一步分析，F(xiàn)PGA在同一機(jī)器手臂內(nèi)，針對(duì)低、中、高階內(nèi)部系統(tǒng)皆能提供開發(fā)商一致的擴(kuò)展性和靈活性；如開發(fā)商可選擇在各個(gè)分散式控制的小型節(jié)點(diǎn)中都內(nèi)建FPGA，也可選擇在大型節(jié)點(diǎn)中置入效能更為強(qiáng)大的FPGA系統(tǒng)單晶片(SoC)，以單一顆FPGA SoC就能完成機(jī)器手臂整體的多軸馬達(dá)控制。 以馬達(dá)控制的核心--電流環(huán)為例，若以低階的DSP來做為馬達(dá)控制核心，則系統(tǒng)平均約須200微秒(μs)來啟動(dòng)電流環(huán)運(yùn)作；不過若是透過FPGA則僅須耗時(shí)約50微秒，可大幅降低馬達(dá)反應(yīng)時(shí)間及提高運(yùn)作速度。羅霖強(qiáng)調(diào)，透過FPGA控制可將電流環(huán)的驅(qū)動(dòng)反應(yīng)時(shí)間縮短，加快系統(tǒng)運(yùn)作速度，此將更有利于多軸馬達(dá)的操作。
　　另一方面，目前工控領(lǐng)域各種標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)定百家爭(zhēng)鳴，且仍持續(xù)汰換升級(jí)，因此一般的特定應(yīng)用積體電路(ASIC)及特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)將難以提供系統(tǒng)商靈活的開發(fā)平臺(tái)；反之，F(xiàn)PGA則能為系統(tǒng)開發(fā)商提供高彈性、高擴(kuò)展性的開發(fā)環(huán)境。
　　值得注意的是，近來FPGA元件商積極發(fā)展的FPGA SoC產(chǎn)品，也在工控領(lǐng)域大有斬獲。由于工業(yè)領(lǐng)域具有垂直封閉的特色，各種協(xié)定、軟體支援常?；ゲ幌嗳?，此時(shí)，單純的硬體整合方案，如FPGA SoC，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)開發(fā)商來說反而極具優(yōu)勢(shì)。因此，賽靈思也將其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC視為進(jìn)軍工業(yè)智慧自動(dòng)化領(lǐng)域的重要武器。
　　賽靈思日前更于2014年嵌入式電子與工業(yè)電腦應(yīng)用展(Embedded World 2014)中，為其FPGA SoC下一代產(chǎn)品線--Zynq UltraScale MPSoC，發(fā)布新一代採(cǎi)用臺(tái)積電16奈米鰭式場(chǎng)效電晶體(FinFET)製程的UltraScale多元處理(Multi-Processing, MP)架構(gòu)。
　　據(jù)了解，賽靈思All Programmable MPSoC架構(gòu)可為處理器提供32到64位元的擴(kuò)充能力，并可支援虛擬化應(yīng)用，結(jié)合軟硬體引擎進(jìn)行即時(shí)控制和圖像/影像處理、波形與封包處理、新一代的一致性互聯(lián)和記憶體、高階電源管理，以及可提供多層防護(hù)、安全性和可靠度的加強(qiáng)技術(shù)。
　　羅霖補(bǔ)充，具備強(qiáng)大平行運(yùn)算功能的FPGA，不只能應(yīng)付多軸機(jī)器手臂的需求，亦能實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)高彈性的靈活配置。
　　另一方面，為了不讓FPGA廠商通吃機(jī)器視覺應(yīng)用大餅，DSP廠商亦正設(shè)法提高元件的設(shè)計(jì)彈性。
　　DSP結(jié)合PRU　機(jī)器視覺系統(tǒng)擴(kuò)充性大增
　　由于工業(yè)控制環(huán)境須支援多種複雜的通訊協(xié)議，因此為了讓機(jī)器視覺系統(tǒng)可彈性擴(kuò)充，以支援不同類型的通訊介面，德州儀器(TI)研發(fā)出可編程即時(shí)元件(Programmable Real-time Unit, PRU)整合數(shù)位訊號(hào)處理器DSP的新方案，藉此建立完善的可編程環(huán)境，提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活性。
　　德州儀器半導(dǎo)體行銷應(yīng)用協(xié)理暨資深科技委員會(huì)委員鄭曜庭表示，瞄準(zhǔn)機(jī)器視覺運(yùn)算商機(jī)，各類嵌入式處理器供應(yīng)商正積極展開布局；而在各種嵌入式處理器中，又以內(nèi)建DSP的SoC方案，最適合用來設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)。
　　鄭曜庭進(jìn)一步分析，以MCU為例，雖然安謀國(guó)際Cortex-M4架構(gòu)已經(jīng)內(nèi)建浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，不過Cortex-M4 MCU仍只能實(shí)現(xiàn)低階影像訊號(hào)處理，如指紋辨識(shí)影像分析，因此并不適用于要求高精準(zhǔn)度影像運(yùn)算的工業(yè)控制領(lǐng)域；而以傳統(tǒng)x86架構(gòu)開發(fā)而成的工業(yè)電腦(Industrial PC, IPC)平臺(tái)，雖然開發(fā)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)、軟硬體支援等都較為成熟，但x86 IPC對(duì)于機(jī)器視覺運(yùn)算系統(tǒng)而言，功耗及成本負(fù)擔(dān)始終是個(gè)疑慮。相較而言，DSP在性能及成本考量上都較為適宜，不論是單顆DSP，抑或是內(nèi)嵌多核心DSP及中央處理器(CPU)的SoC方案，皆適于用來設(shè)計(jì)機(jī)器視覺的主、次系統(tǒng)。
　　除看重影像訊號(hào)分析及處理效能外，嵌入式處理器亦須盡可能支援各種工業(yè)用通訊介面。鄭曜庭指出，智慧型嵌入式系統(tǒng)最主要的構(gòu)成要件有「3C」，也就是運(yùn)算(Computing)、連結(jié)(Connectivity)和云端(Cloud)，三者缺一不可；而有鑑于工控領(lǐng)域須應(yīng)付多種工規(guī)等級(jí)的複雜通訊協(xié)定，如EtherCAT、EtherNet/IP、CC-Link IE、MECHATROLINK、Modbus TCP、PROFINET或是PowerLink等，因此通訊連結(jié)的支援更是機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要開發(fā)挑戰(zhàn)。
　　為了避免因同時(shí)支援所有通訊周邊，導(dǎo)致DSP元件尺寸過大、功耗及成本過高，DSP廠商通常會(huì)選擇開發(fā)支援不同通訊介面的多種組合方案；不過，如此一來，機(jī)器視覺系統(tǒng)的開發(fā)彈性也就相應(yīng)受限，許多系統(tǒng)開發(fā)商也因而轉(zhuǎn)用設(shè)計(jì)彈性較高的FPGA方案。
　　有鑑于此，德州儀器便在DSP SoC中，加入PRU區(qū)塊，用以補(bǔ)足處理器未能提供的通訊輸入/輸出(I/O)接腳。鄭曜庭指出，PRU的高彈性有助于開發(fā)人員在終端產(chǎn)品中整合更多的通訊介面，更重要的是，整合PRU的DSP能提高系統(tǒng)開發(fā)商的設(shè)計(jì)彈性，讓DSP在通訊介面的支援上得以媲美FPGA方案。
　　據(jù)了解，為了應(yīng)付低階到高階的機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)，德州儀器在整合DSP的SoC產(chǎn)品線上亦多方布局，如在KeyStone系列中，其單一SoC上最多可整合八顆DSP以及二顆PRU，外加四個(gè)ARM架構(gòu)的CPU，用以滿足高階機(jī)器視覺運(yùn)算，并提供高擴(kuò)展性的編程環(huán)境。
　　鄭曜庭認(rèn)為，目前在工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線上，除了應(yīng)用較為成熟的機(jī)器手臂之外，影像的分析、運(yùn)算與處理也漸漸成為工廠智慧自動(dòng)化應(yīng)用中不可或缺的要素，包括自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(Automatic Optical Inspection, AOI)、嵌入式機(jī)器視覺等系統(tǒng)皆深具應(yīng)用潛力，尤其是機(jī)器視覺運(yùn)算未來將可大幅簡(jiǎn)化生產(chǎn)線上的工作流程。
　　以印刷電路板(PCB)的表面黏著技術(shù)(Surface Mount Technology, SMT)為例，目前採(cǎi)用此技術(shù)的生產(chǎn)線，其運(yùn)作方式大多系藉由機(jī)器手臂來取代透過人力進(jìn)行通孔安裝的傳統(tǒng)方式；亦即，機(jī)器手臂可直接將電子零件黏貼在PCB表面，再經(jīng)由自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)掃描、分析、檢測(cè)半成品，最后透過可編程邏輯控制器(PLC)設(shè)計(jì)的產(chǎn)線分流機(jī)制，揀選不合格之產(chǎn)品，藉由上述重重機(jī)制把關(guān)產(chǎn)線良率；不過，若在產(chǎn)線上加入機(jī)器視覺運(yùn)算功能，將可大幅簡(jiǎn)化產(chǎn)線運(yùn)作流程設(shè)計(jì)，讓整條產(chǎn)線更加簡(jiǎn)單、智慧化。
　　值得注意的是，在智慧自動(dòng)化應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺的整合是未來重要的發(fā)展趨勢(shì)，因此機(jī)器人需要功能更為全面的強(qiáng)大控制中樞，看準(zhǔn)此應(yīng)用前景，工業(yè)電腦大廠亦正挾其高效能的工控平臺(tái)搶攻此波商機(jī)。