挟高效能优势　FPGA满足机器手臂多轴化设计
　　赛灵思(Xilinx)亚太区Zynq业务开发经理罗霖表示，因应工厂产线精密化，目前生产线上的机器手臂有朝向多轴化发展的趋势，这是为了让机器手臂能完全替代人类手臂，以执行多种精密、複杂的拟人动作，如此一来还可将过去须要透过多道不同运动控制类型的机器手臂产线转为合併成单一产线，降低生产成本及提高工厂作业效率。 为了迎合机器手臂的多轴化发展趋势，机器手臂内建的马达数量及轴数都必须增加，当其中一个马达轴旋转到特定角度时，与其同处一个连动系统的马达轴也须旋转至相应的正确角度，且不同系统之间的搭配协调也至关重要；因此罗霖指出，相较于只能在单一节点上运作的MCU，FPGA的扩展性及运作效能将更能应付设计日趋複杂的多轴马达运算需求。
　　罗霖进一步分析，FPGA在同一机器手臂内，针对低、中、高阶内部系统皆能提供开发商一致的扩展性和灵活性；如开发商可选择在各个分散式控制的小型节点中都内建FPGA，也可选择在大型节点中置入效能更为强大的FPGA系统单晶片(SoC)，以单一颗FPGA SoC就能完成机器手臂整体的多轴马达控制。 以马达控制的核心--电流环为例，若以低阶的DSP来做为马达控制核心，则系统平均约须200微秒(μs)来启动电流环运作；不过若是透过FPGA则仅须耗时约50微秒，可大幅降低马达反应时间及提高运作速度。罗霖强调，透过FPGA控制可将电流环的驱动反应时间缩短，加快系统运作速度，此将更有利于多轴马达的操作。
　　另一方面，目前工控领域各种标准及协定百家争鸣，且仍持续汰换升级，因此一般的特定应用积体电路(ASIC)及特定应用标准产品(ASSP)将难以提供系统商灵活的开发平台；反之，FPGA则能为系统开发商提供高弹性、高扩展性的开发环境。
　　值得注意的是，近来FPGA元件商积极发展的FPGA SoC产品，也在工控领域大有斩获。由于工业领域具有垂直封闭的特色，各种协定、软体支援常常互不相容，此时，单纯的硬体整合方案，如FPGA SoC，对于工业领域的系统开发商来说反而极具优势。因此，赛灵思也将其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC视为进军工业智慧自动化领域的重要武器。
　　赛灵思日前更于2014年嵌入式电子与工业电脑应用展(Embedded World 2014)中，为其FPGA SoC下一代产品线--Zynq UltraScale MPSoC，发布新一代採用台积电16奈米鳍式场效电晶体(FinFET)製程的UltraScale多元处理(Multi-Processing, MP)架构。
　　据了解，赛灵思All Programmable MPSoC架构可为处理器提供32到64位元的扩充能力，并可支援虚拟化应用，结合软硬体引擎进行即时控制和图像/影像处理、波形与封包处理、新一代的一致性互联和记忆体、高阶电源管理，以及可提供多层防护、安全性和可靠度的加强技术。
　　罗霖补充，具备强大平行运算功能的FPGA，不只能应付多轴机器手臂的需求，亦能实现机器视觉系统高弹性的灵活配置。
　　另一方面，为了不让FPGA厂商通吃机器视觉应用大饼，DSP厂商亦正设法提高元件的设计弹性。
　　DSP结合PRU　机器视觉系统扩充性大增
　　由于工业控制环境须支援多种複杂的通讯协议，因此为了让机器视觉系统可弹性扩充，以支援不同类型的通讯介面，德州仪器(TI)研发出可编程即时元件(Programmable Real-time Unit, PRU)整合数位讯号处理器DSP的新方案，藉此建立完善的可编程环境，提高机器视觉系统的设计灵活性。
　　德州仪器半导体行销应用协理暨资深科技委员会委员郑曜庭表示，瞄准机器视觉运算商机，各类嵌入式处理器供应商正积极展开布局；而在各种嵌入式处理器中，又以内建DSP的SoC方案，最适合用来设计机器视觉系统。
　　郑曜庭进一步分析，以MCU为例，虽然安谋国际Cortex-M4架构已经内建浮点运算单元(FPU)，不过Cortex-M4 MCU仍只能实现低阶影像讯号处理，如指纹辨识影像分析，因此并不适用于要求高精准度影像运算的工业控制领域；而以传统x86架构开发而成的工业电脑(Industrial PC, IPC)平台，虽然开发环境、生态系统、软硬体支援等都较为成熟，但x86 IPC对于机器视觉运算系统而言，功耗及成本负担始终是个疑虑。相较而言，DSP在性能及成本考量上都较为适宜，不论是单颗DSP，抑或是内嵌多核心DSP及中央处理器(CPU)的SoC方案，皆适于用来设计机器视觉的主、次系统。
　　除看重影像讯号分析及处理效能外，嵌入式处理器亦须尽可能支援各种工业用通讯介面。郑曜庭指出，智慧型嵌入式系统最主要的构成要件有「3C」，也就是运算(Computing)、连结(Connectivity)和云端(Cloud)，三者缺一不可；而有鑑于工控领域须应付多种工规等级的複杂通讯协定，如EtherCAT、EtherNet/IP、CC-Link IE、MECHATROLINK、Modbus TCP、PROFINET或是PowerLink等，因此通讯连结的支援更是机器视觉系统的重要开发挑战。
　　为了避免因同时支援所有通讯周边，导致DSP元件尺寸过大、功耗及成本过高，DSP厂商通常会选择开发支援不同通讯介面的多种组合方案；不过，如此一来，机器视觉系统的开发弹性也就相应受限，许多系统开发商也因而转用设计弹性较高的FPGA方案。
　　有鑑于此，德州仪器便在DSP SoC中，加入PRU区块，用以补足处理器未能提供的通讯输入/输出(I/O)接脚。郑曜庭指出，PRU的高弹性有助于开发人员在终端产品中整合更多的通讯介面，更重要的是，整合PRU的DSP能提高系统开发商的设计弹性，让DSP在通讯介面的支援上得以媲美FPGA方案。
　　据了解，为了应付低阶到高阶的机器视觉系统设计，德州仪器在整合DSP的SoC产品线上亦多方布局，如在KeyStone系列中，其单一SoC上最多可整合八颗DSP以及二颗PRU，外加四个ARM架构的CPU，用以满足高阶机器视觉运算，并提供高扩展性的编程环境。
　　郑曜庭认为，目前在工业自动化产线上，除了应用较为成熟的机器手臂之外，影像的分析、运算与处理也渐渐成为工厂智慧自动化应用中不可或缺的要素，包括自动光学检测(Automatic Optical Inspection, AOI)、嵌入式机器视觉等系统皆深具应用潜力，尤其是机器视觉运算未来将可大幅简化生产线上的工作流程。
　　以印刷电路板(PCB)的表面黏著技术(Surface Mount Technology, SMT)为例，目前採用此技术的生产线，其运作方式大多系藉由机器手臂来取代透过人力进行通孔安装的传统方式；亦即，机器手臂可直接将电子零件黏贴在PCB表面，再经由自动光学检测系统扫描、分析、检测半成品，最后透过可编程逻辑控制器(PLC)设计的产线分流机制，拣选不合格之产品，藉由上述重重机制把关产线良率；不过，若在产线上加入机器视觉运算功能，将可大幅简化产线运作流程设计，让整条产线更加简单、智慧化。
　　值得注意的是，在智慧自动化应用中，运动控制、机器视觉的整合是未来重要的发展趋势，因此机器人需要功能更为全面的强大控制中枢，看准此应用前景，工业电脑大厂亦正挟其高效能的工控平台抢攻此波商机。