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揮軍工業自動化 嵌入式處理器廠激戰SoC設計

文‧黃耀瑋 發布日期:2014/08/13 關鍵字:工業自動化工業乙太網馬達控制SoC FPGA

工業自動化(Industrial Automation)發展迅速增溫,已成為嵌入式處理器業者的新戰場。由於工業自動化牽涉大規模的控制器換新需求,加上須導入高可靠度、高安全性工業乙太網路(Ethernet),以及多軸、高精準度馬達控制方案,才能實現機械自動化作業情境;因此,系統開發商對處理器功能整合度、尺寸和通訊協定支援能力的要求已提高好幾個檔次,吸引現場可編程閘陣列(FPGA)、處理器和微控制器(MCU)業者競相開發新一代工控系統單晶片(SoC),卡位新商機。

Maxim Integrated工業應用市場專家Suhel Dhanani認為,對工業自動化系統來說,效能、尺寸和安全性的考量缺一不可。
Maxim Integrated工業應用市場專家Suhel Dhanani表示,第四次工業革命,或稱工業4.0(Industrial 4.0),目的係透過分散式區域控制、環境感測與網路連接功能,建造一個完全自動化且靈活的生產線,讓以人工為主的傳統工廠變身為高效率管理和機械作業的智慧工廠。此一趨勢將驅動不同類型的工控系統研發需求,包括微型可編程邏輯控制器(PLC)、馬達控制,以及支援各種先進感測介面、工業乙太網路通訊協定的輸入/輸出(I/O)設備。

此外,基於工廠環境與商業考量,工業4.0的發展亦須奠基於嵌入式硬體安全(Embedded Hardware-based Security)方案,以確保PLC、I/O模組或現場感測器等終端裝置從任何地方登入網路時,具備完善的資料保護機制,避免駭客惡意攻擊而造成工廠重大營運損失。

Dhanani強調,由於工業自動化設備須滿足上述設計要求,因此內建處理器須改搭功能整合度更高的SoC,從而增強即時控制、聯網、感測、資料頻寬和安全防護能力,同時降低運行功耗與晶片占位空間;也因此,近期嵌入式處理器供應商皆積極擴展工業級SoC產品陣容,以拉攏系統業者。

以Maxim為例,其透過整合類比混合訊號前端(Analog Mixed-signal Front-end),以及內建安全標準的數位處理器,打造工控設備SoC,不僅能增進數位I/O通道支援能力,亦能提高周邊零組件整合度,進而縮減系統體積、功耗和物料清單(BOM)成本,將有助工廠擴大部署分散式微型PLC,加速實現工業自動化願景。

與此同時,FPGA、處理器和MCU業者亦瞄準機器視覺(Machine Vision)、馬達控制和工業乙太網路三大應用,加緊布局工業自動化市場,使工業嵌入式處理器技術戰火快速蔓延。

為滿足工廠自動化設備對即時且高精準度控制、多元通訊協定支援和大量資料同步的開發需求,Altera和賽靈思(Xilinx)兩家FPGA商,已陸續祭出整合多核心中央處理器(CPU)、數位訊號處理器(DSP)和微控制器等運算核心的SoC FPGA。至於MCU廠商則利用安謀國際(ARM)Cortex-M3/M4系列核心,擴展支援浮點運算(Floating-point)、多元傳輸介面及感測器連接功能的32位元MCU陣容,足見高整合設計已成為晶片商進軍工業自動化市場的重要途徑。

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