挾高效能優(yōu)勢　FPGA滿足機器手臂多軸化設計
　　賽靈思(Xilinx)亞太區(qū)Zynq業(yè)務開發(fā)經(jīng)理羅霖表示，因應工廠產(chǎn)線精密化，目前生產(chǎn)線上的機器手臂有朝向多軸化發(fā)展的趨勢，這是為了讓機器手臂能完全替代人類手臂，以執(zhí)行多種精密、複雜的擬人動作，如此一來還可將過去須要透過多道不同運動控制類型的機器手臂產(chǎn)線轉為合併成單一產(chǎn)線，降低生產(chǎn)成本及提高工廠作業(yè)效率。 為了迎合機器手臂的多軸化發(fā)展趨勢，機器手臂內建的馬達數(shù)量及軸數(shù)都必須增加，當其中一個馬達軸旋轉到特定角度時，與其同處一個連動系統(tǒng)的馬達軸也須旋轉至相應的正確角度，且不同系統(tǒng)之間的搭配協(xié)調也至關重要；因此羅霖指出，相較于只能在單一節(jié)點上運作的MCU，F(xiàn)PGA的擴展性及運作效能將更能應付設計日趨複雜的多軸馬達運算需求。
　　羅霖進一步分析，F(xiàn)PGA在同一機器手臂內，針對低、中、高階內部系統(tǒng)皆能提供開發(fā)商一致的擴展性和靈活性；如開發(fā)商可選擇在各個分散式控制的小型節(jié)點中都內建FPGA，也可選擇在大型節(jié)點中置入效能更為強大的FPGA系統(tǒng)單晶片(SoC)，以單一顆FPGA SoC就能完成機器手臂整體的多軸馬達控制。 以馬達控制的核心--電流環(huán)為例，若以低階的DSP來做為馬達控制核心，則系統(tǒng)平均約須200微秒(μs)來啟動電流環(huán)運作；不過若是透過FPGA則僅須耗時約50微秒，可大幅降低馬達反應時間及提高運作速度。羅霖強調，透過FPGA控制可將電流環(huán)的驅動反應時間縮短，加快系統(tǒng)運作速度，此將更有利于多軸馬達的操作。
　　另一方面，目前工控領域各種標準及協(xié)定百家爭鳴，且仍持續(xù)汰換升級，因此一般的特定應用積體電路(ASIC)及特定應用標準產(chǎn)品(ASSP)將難以提供系統(tǒng)商靈活的開發(fā)平臺；反之，F(xiàn)PGA則能為系統(tǒng)開發(fā)商提供高彈性、高擴展性的開發(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，也在工控領域大有斬獲。由于工業(yè)領域具有垂直封閉的特色，各種協(xié)定、軟體支援常常互不相容，此時，單純的硬體整合方案，如FPGA SoC，對于工業(yè)領域的系統(tǒng)開發(fā)商來說反而極具優(yōu)勢。因此，賽靈思也將其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC視為進軍工業(yè)智慧自動化領域的重要武器。
　　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)布新一代採用臺積電16奈米鰭式場效電晶體(FinFET)製程的UltraScale多元處理(Multi-Processing, MP)架構。
　　據(jù)了解，賽靈思All Programmable MPSoC架構可為處理器提供32到64位元的擴充能力，并可支援虛擬化應用，結合軟硬體引擎進行即時控制和圖像/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、安全性和可靠度的加強技術。
　　羅霖補充，具備強大平行運算功能的FPGA，不只能應付多軸機器手臂的需求，亦能實現(xiàn)機器視覺系統(tǒng)高彈性的靈活配置。
　　另一方面，為了不讓FPGA廠商通吃機器視覺應用大餅，DSP廠商亦正設法提高元件的設計彈性。
　　DSP結合PRU　機器視覺系統(tǒng)擴充性大增
　　由于工業(yè)控制環(huán)境須支援多種複雜的通訊協(xié)議，因此為了讓機器視覺系統(tǒng)可彈性擴充，以支援不同類型的通訊介面，德州儀器(TI)研發(fā)出可編程即時元件(Programmable Real-time Unit, PRU)整合數(shù)位訊號處理器DSP的新方案，藉此建立完善的可編程環(huán)境，提高機器視覺系統(tǒng)的設計靈活性。
　　德州儀器半導體行銷應用協(xié)理暨資深科技委員會委員鄭曜庭表示，瞄準機器視覺運算商機，各類嵌入式處理器供應商正積極展開布局；而在各種嵌入式處理器中，又以內建DSP的SoC方案，最適合用來設計機器視覺系統(tǒng)。
　　鄭曜庭進一步分析，以MCU為例，雖然安謀國際Cortex-M4架構已經(jīng)內建浮點運算單元(FPU)，不過Cortex-M4 MCU仍只能實現(xiàn)低階影像訊號處理，如指紋辨識影像分析，因此并不適用于要求高精準度影像運算的工業(yè)控制領域；而以傳統(tǒng)x86架構開發(fā)而成的工業(yè)電腦(Industrial PC, IPC)平臺，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對于機器視覺運算系統(tǒng)而言，功耗及成本負擔始終是個疑慮。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，抑或是內嵌多核心DSP及中央處理器(CPU)的SoC方案，皆適于用來設計機器視覺的主、次系統(tǒng)。
　　除看重影像訊號分析及處理效能外，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)最主要的構成要件有「3C」，也就是運算(Computing)、連結(Connectivity)和云端(Cloud)，三者缺一不可；而有鑑于工控領域須應付多種工規(guī)等級的複雜通訊協(xié)定，如EtherCAT、EtherNet/IP、CC-Link IE、MECHATROLINK、Modbus TCP、PROFINET或是PowerLink等，因此通訊連結的支援更是機器視覺系統(tǒng)的重要開發(fā)挑戰(zhàn)。
　　為了避免因同時支援所有通訊周邊，導致DSP元件尺寸過大、功耗及成本過高，DSP廠商通常會選擇開發(fā)支援不同通訊介面的多種組合方案；不過，如此一來，機器視覺系統(tǒng)的開發(fā)彈性也就相應受限，許多系統(tǒng)開發(fā)商也因而轉用設計彈性較高的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)商的設計彈性，讓DSP在通訊介面的支援上得以媲美FPGA方案。
　　據(jù)了解，為了應付低階到高階的機器視覺系統(tǒng)設計，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ARM架構的CPU，用以滿足高階機器視覺運算，并提供高擴展性的編程環(huán)境。
　　鄭曜庭認為，目前在工業(yè)自動化產(chǎn)線上，除了應用較為成熟的機器手臂之外，影像的分析、運算與處理也漸漸成為工廠智慧自動化應用中不可或缺的要素，包括自動光學檢測(Automatic Optical Inspection, AOI)、嵌入式機器視覺等系統(tǒng)皆深具應用潛力，尤其是機器視覺運算未來將可大幅簡化生產(chǎn)線上的工作流程。
　　以印刷電路板(PCB)的表面黏著技術(Surface Mount Technology, SMT)為例，目前採用此技術的生產(chǎn)線，其運作方式大多系藉由機器手臂來取代透過人力進行通孔安裝的傳統(tǒng)方式；亦即，機器手臂可直接將電子零件黏貼在PCB表面，再經(jīng)由自動光學檢測系統(tǒng)掃描、分析、檢測半成品，最后透過可編程邏輯控制器(PLC)設計的產(chǎn)線分流機制，揀選不合格之產(chǎn)品，藉由上述重重機制把關產(chǎn)線良率；不過，若在產(chǎn)線上加入機器視覺運算功能，將可大幅簡化產(chǎn)線運作流程設計，讓整條產(chǎn)線更加簡單、智慧化。
　　值得注意的是，在智慧自動化應用中，運動控制、機器視覺的整合是未來重要的發(fā)展趨勢，因此機器人需要功能更為全面的強大控制中樞，看準此應用前景，工業(yè)電腦大廠亦正挾其高效能的工控平臺搶攻此波商機。