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(ProgrammableReal-timeUnit,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-M4MCU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(IndustrialPC,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x86IPC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-LinkIE、MECHATROLINK、ModbusTCP、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DSPSoC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(AutomaticOpticalInspection,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(SurfaceMountTechnology,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。

运动控制整合视觉运算成趋势IPC大厂争抢机器人商机

凌华科技量测与自动化产品事业处I/O平台产品中心协理张晃华表示，虽然目前工业型机器人的样态仍以单纯的机器手臂为主，但在高阶精密的工业领域中，机器人将朝向全人形演进，并将同时整合多种感知与控制能力，如机器视觉与运动控制等，以执行更多样且多工的任务。因此，未来机器人製造商在其所设计的机器人上同时开发机器视觉系统与整合型机器手臂，将是未来主要的发展趋势。

不过，若要让机器人同时具备机器视觉与运动控制功能，光靠低阶的嵌入式处理器恐难满足此需求。张晃华进一步解释，单就机器视觉运算而言，内部的控制平台须具备高密度的平行运算能力，一般ARM架构嵌入式处理器的运算能力，要应付机器视觉运算系统就已相当吃紧，遑论尚须同时进行机器手臂运动控制，因此机器人开发商将倾向借重扩充弹性较大的工业电脑平台来达到此目标。

张晃华提到，x86架构的工业电脑、嵌入式无风扇电脑与可扩充式无风扇电脑，无论在稳定性及效能方面都深受工业领域的客户肯定，这些优势对于工作条件严苛的环境(高温、杂尘多等)来说尤其至关重要；而工业电脑亦可随著生产线需求，自由扩充各种运动控制、视觉运算控制卡(ControlCard)。

看准工业型机器人应用前景，工业电脑大厂亦正争相竞逐此商机，如凌华推出的智慧型电脑应用平台(ApplicationReadyIntelligentPlatform,ARIP)，以及研华的「MVP(Motion,Vision,Platform)」平台即是为此应运而生，期为智动化产线开发商，提供各种整合运动控制与机器视觉运算的应用。

除提供硬体支援之外，工业电脑大厂亦开始专为智动化产线编写应用软体，如凌华为其ARIP平台添加了中介软体、应用程式介面(API)等附加资源，力求能最大幅度缩短机器人智动化产线的设计时程。

设置完智动化产线之后，仍须有人负责产线及工业型机器人的操作与控制，因此流畅的人机介面(HumanMachineInterface,HMI)已成为工厂智慧自动化系统开发商的著力重点。有鑑于此，莱迪思(Lattice)近来即将人机介面解决方案视为该公司于工业应用领域中的重点布局方向，期能在竞争激烈的工控FPGA市场夺得一席之地。

人机介面亦为工业型机器人应用中不可或缺的一环

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瞄准工业智动化商机莱迪思强攻人机介面应用

莱迪思台湾区总经理李泰成表示，在各种自动化设备引进工厂之后，仍须要有作业员来照顾、监视机台运作，因此人机介面在工厂智慧自动化应用中亦是另一重要课题；而随著电机电子技术的发达，工厂内的人机介面正不断汰旧换新，如何设计出流畅的人机介面应用，更是工业智动化系统开发商角力的重点。

瞄准人机介面应用商机，莱迪思亦正卯足全力偕同系统商开发相关解决方案。李泰成提到，不同于其他两家FPGA大厂--赛灵思及Altera，以28/20奈米FPGA进军高阶工业控制领域，莱迪思选择将目标市场放在工控系统人机介面应用，并持续于40奈米製程中稳扎稳打。

李泰成进一步分析，因应工业智慧自动化风潮兴起，许多业者推出的自有产品往往会搭配自家的通讯协定，导致控制机台主控端往往须支援多种通讯介面，才能与不同的系统完成沟通，不同的应用又须扩充各自的输入/输出接脚；而相较于MCU或是MPU方案，FPGA与生俱来的可编程优势使其能支援多种工业通讯协定，也让FPGA成为用来扩充人机介面通讯周边的最佳方案。

据了解，莱迪思已于2014年德国纽伦堡举办的国际嵌入式电子与工业电脑应用展上展示一系列人机介面解决方案，如人机介面单晶片(HMIonChip,HOI)，即是完全基于莱迪思FPGA的单晶片人机介面应用参考设计。

莱迪思策略行销与业务开发经理KambizKhalilian表示，莱迪思HOI方案最大的好处是带来了可扩展性、高阶的图像处理、快速的反应时间和人机介面设计的方便性；不同于基于MCU的解决方案，莱迪思的人机介面解决方案系基于编辑器(Editor-based)，所以即使没有程式设计或作业系统操作专业经验的工程师也能轻鬆上手。

至于目前工厂智慧自动化人机介面的应用前景，李泰成指出，智慧工厂内的人机介面正从传统的按钮操作逐渐汰换为触控萤幕；他也预计在未来几年内，触控操作将成为工业领域中人机介面应用的主流操控方式。

另一方面，除了操作方式的转变外，智慧工厂内的人机介面系统亦正逐渐迈向与前端系统整合的潮流，如操控机台与监控和资料撷取系统(SupervisoryControlandDataAcquisition,SCADA)的整合应用，能让生产线上的所有动态资料能即时回传至资料库，可应用于生产力分析、故障检测/诊断，以及生产流程之优化；而人机介面系统与生产执行系统(MES)或企业资源管理系统(ERP)的整合，则能让工厂内的运作与企业内部资讯流通更为即时、无缝接轨。

显而易见，随著工业智慧自动化风潮兴盛，亦将带动工业型机器人的商机蓬勃发展，晶片商、系统厂之间的角力大战亦将全面引爆，无论是机器手臂、机器视觉，抑或是人机介面应用，各个嵌入式处理器、FPGA、IPC厂商皆期盼能顺势搭上工业型机器人的顺风车，在工业智慧自动化领域夺得一席之地。