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來源：貿(mào)澤電子 過去幾年，COVID-19的肆虐讓全球制造業(yè)遭受重創(chuàng)。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，僅2022一年，全球因工廠意外停工造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1.5萬億美元。 未來的智能工廠需要更高的靈活性和更強(qiáng)的抗風(fēng)險能力，才能盡量減少此類風(fēng)險。而這種能力從何處構(gòu)建？軟件可配置硬件給出了答案。 硬件參數(shù)可配置 制造產(chǎn)線更靈活 軟件可配置硬件，也稱為可重構(gòu)硬件，是指通常應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，可以通過編程來更改其功能和結(jié)構(gòu)的硬件設(shè)備。常見的軟件可配置硬件類型包括：現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、可編程自動化控制器（PAC）、可編程I/O口、可編程ADC/DAC、可重構(gòu)AFE和多通道PMU等多種不同的類型。 未來的工廠將會面臨著諸多的挑戰(zhàn)： 1-緊跟趨勢生產(chǎn) 一方面，生產(chǎn)需要跟隨不斷變化的消費趨勢，更頻繁地按照市場反饋進(jìn)行新產(chǎn)品的制造；對于高需求的產(chǎn)品制造進(jìn)行擴(kuò)充，對于低需求的產(chǎn)品制造進(jìn)行減產(chǎn)。 2-緊跟技術(shù)演進(jìn) 另一方面，工廠需要緊密跟隨技術(shù)演進(jìn)，不斷將創(chuàng)新制造技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)線融合，從而實現(xiàn)不間斷的效率提升。 3-預(yù)測風(fēng)險變動 此外，工廠還要對于不可預(yù)測的國際事件和供應(yīng)鏈變化，做好突發(fā)關(guān)�；虍a(chǎn)線遷移的準(zhǔn)備，盡可能降低損失。來自市場、技術(shù)和國際形勢的多重因素，促使未來工廠更需提高靈活性和抗風(fēng)險能力。 
圖1：未來智能工廠（圖源：ADI） 而通過軟件可配置硬件的部署，工廠就可以在不替換物理設(shè)備的情況下，迅速完成相關(guān)制造功能的調(diào)整修改，快速適應(yīng)生產(chǎn)需求的變化，這種靈活性對于滿足不斷變化的操作需求和提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。而隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和智能制造的進(jìn)一步發(fā)展，軟件可配置硬件能夠讓工廠在快速變化的市場環(huán)境中保持更好的競爭力。 需要理清的是，這里提到的軟件可配置硬件（Software Configurable Hardware）和通常提到的軟件定義工廠（Software Defined Factory）是兩個不同的概念。前者是在硬件器件層面的定義，后者則是在工廠層面的定義，兩者緯度不同，看似毫無聯(lián)系，但要實現(xiàn)后者軟件定義工廠，軟件可配置硬件的參與也必不可少。 既然軟件可配置硬件對于未來智能工廠必不可少，那么如何選擇合適的器件呢？接下來我們從FPGA和可配置I/O兩個大的分類來深入剖析。 FPGA：為智能工廠提供靈活計算能力 FPGA（Field-Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，其核心優(yōu)勢是內(nèi)部硬件電路不像定制硬件（如ASIC）那樣固定不變。相反，其內(nèi)部數(shù)以萬計的邏輯塊可以通過用戶編程來組成復(fù)雜的自定義硬件功能，這種獨特性可以使FPGA為制造業(yè)領(lǐng)域提供靈活的計算能力。
圖2：FPGA在工業(yè)中的應(yīng)用（圖源：Microchip Technology） 在高度競爭和快節(jié)奏的制造領(lǐng)域，能夠迅速修改和優(yōu)化系統(tǒng)至關(guān)重要。FPGA可以用于控制系統(tǒng)，如驅(qū)動控制和傳感器數(shù)據(jù)處理。如果控制策略需要更改或優(yōu)化，工程師可以通過重新編程FPGA來實現(xiàn)，而無需更換任何硬件組件，這不僅大大縮短了開發(fā)時間，還能顯著降低成本。 對于定制小批量產(chǎn)品的制造，傳統(tǒng)的硬件解決方案可能過于僵化且成本高昂，而FPGA的靈活性允許生產(chǎn)線適應(yīng)不同的產(chǎn)品配置和要求。例如，在電子組件組裝線上，F(xiàn)PGA可以控制機(jī)器人臂的精確動作，快速切換組件拾取和放置的模式，從而適應(yīng)不同的組件類型和組裝要求。 隨著產(chǎn)品需求和技術(shù)的變化，傳統(tǒng)的硬件設(shè)備可能會迅速過時。而FPGA的可編程性質(zhì)允許其適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。設(shè)計人員可以通過更新FPGA的固件/軟件來引入新功能或改進(jìn)系統(tǒng)性能，從而延長制造產(chǎn)品線的生命周期。
圖3：Microchip的FPGA產(chǎn)品布局（圖源：Microchip Technology） 作為知名的集成電路制造商，Microchip Technology提供了豐富的FPGA產(chǎn)品組合，包括SmartFusion、IGLLO2、ProASIC3和PolarFire系列。其中ProASIC3系列的定位是極小封裝和極低功耗的低密度FPGA，支持便攜式、消費類、工業(yè)、通信、汽車和醫(yī)療等多種不同應(yīng)用。 其中ProASIC3E系列基于非易失性閃存技術(shù)構(gòu)建，這意味著即便在斷電的情況下，其編程設(shè)計也能得以保留。該器件支持330至35K LE和多達(dá)620個高性能I/O，內(nèi)部集成了Arm Cortex-M1軟處理器IP內(nèi)核，具有易于編程和加快上市時間的優(yōu)點。關(guān)于該系列產(chǎn)品，我們推薦的具體產(chǎn)品型號為“A3PE3000-1PQG208I”，可以在貿(mào)澤電子官網(wǎng)搜索該料號獲取更多產(chǎn)品信息。 軟件可配置I/O為智能工廠提供靈活互連能力 I/O接口模塊是自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備之間進(jìn)行信息交流的橋梁，確保工業(yè)控制系統(tǒng)能夠有效地與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行交互，對各種操作進(jìn)行精確控制，從而優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高效率和安全性。 輸入模塊從各種現(xiàn)場傳感器接收信號，傳遞給控制系統(tǒng)，幫助控制系統(tǒng)了解到現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)；輸出模塊可以將控制系統(tǒng)的指令傳遞給現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行適當(dāng)?shù)膭幼鳌?br /> 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一組復(fù)雜的通道模塊，這一組通道模塊按照該控制系統(tǒng)的特定需求進(jìn)行配置，每個I/O模塊的功能固定，而且是以模擬為主導(dǎo)。
圖4：典型PLC中的I/O模塊（圖源：realpars） 這種控制系統(tǒng)的I/O模塊配置工作非常復(fù)雜和繁瑣，設(shè)計者需要思考采用何種I/O分組配置才能高效滿足通信和控制需求，在大量的不同產(chǎn)品選型和互連之間設(shè)計最優(yōu)連接路徑。安裝人員需要花費大量的時間進(jìn)行成本高昂且工作量巨大的手工安裝工作。 如果客戶需求發(fā)生變化，則勢必帶來I/O模塊的功能調(diào)整，但傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中的I/O模塊并不支持重新混合和再配置。即使只是需要簡單地增加一個額外的通道，也需要重新設(shè)計和安裝擴(kuò)展板，這將會顯著增加整個控制系統(tǒng)的面積、成本和功耗。并且這種新增的通道安裝位置受限，因此對于渠道的使用效率也無法發(fā)揮到最佳。
圖5：SWIO和傳統(tǒng)I/O的對比（圖源：ADI） 如果I/O模塊具備軟件可配置的特性，那么就能夠大大減少控制系統(tǒng)的I/O模塊配置的復(fù)雜度、成本和功耗，并且在需要進(jìn)行通道調(diào)整的時候，提供足夠的靈活性。 基于此類需求，ADI率先提出了軟件可配置I/O（SWIO）的概念，并推出了一系列的SWIO產(chǎn)品，幫助制造商提高控制系統(tǒng)靈活性，同時降低復(fù)雜度。 SWIO具備“一次構(gòu)建，常規(guī)適用”的特點，支持通過任意引腳訪問任意工業(yè)I/O功能，且允許在任意時間配置通道。 在使用軟件可配置I/O時，制造商可開發(fā)一個平臺來代替多個過時的固定功能I/O模塊，或?qū)⑵鋺?yīng)用于需要跟隨不同客戶需求調(diào)整的定制生產(chǎn)線中。對于傳統(tǒng)上依賴于多個I/O模塊的控制柜，且每個通道類型需采用指定布線的系統(tǒng)，由于現(xiàn)在采用了可編程的單個模塊類型，硬件的需求隨之減少，從而有助于降低物流、制造和支持成本。 當(dāng)制造商從傳統(tǒng)設(shè)備過渡到智能邊緣設(shè)備時，SWIO可以實現(xiàn)向T1L、以太網(wǎng)和其他工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的托管過渡，通過促進(jìn)現(xiàn)場儀表的持續(xù)使用，將傳統(tǒng)工廠過渡到互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施。 此外，SWIO還支持開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的可配置現(xiàn)場I/O單元，此類單元能夠在已安裝的支持HART的4-20mA傳感器和執(zhí)行器與10BASE-T1L或100M光纖回程之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
圖6：SWIO支持控制網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)（圖源：ADI） 關(guān)于SWIO系列產(chǎn)品，我們在此推薦AD74115H單通道可配置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該器件集成了一個16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，還包含一個高精度2.5V片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，可用作DAC和ADC的基準(zhǔn)。AD74115H單個引腳具有多個可配置模式，可配置成模擬I/O、數(shù)字I/O、電阻溫度探測器(RTD)以及熱電偶測量能力。在貿(mào)澤電子官網(wǎng)搜索“AD74115HBCPZ”，就可以獲取關(guān)于此器件的更多信息。
圖7：AD7415（圖源：ADI） 軟件可配置硬件的未來 賦能工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型 軟件可配置硬件的應(yīng)用和工廠實現(xiàn)靈活性密不可分，隨著工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，軟件可配置硬件的技術(shù)將會與以下制造業(yè)技術(shù)趨勢一起釋放出更大的潛能。 首先，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)正越來越多地被用于自動化決策制定、預(yù)測維護(hù)和質(zhì)量控制。 可以預(yù)見到，制造業(yè)中對能夠進(jìn)行更復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和實時分析的硬件的需求將會增加。軟件可配置硬件，特別是那些能夠進(jìn)行高速并行處理的系統(tǒng)（如FPGA），將變得非常重要，因為它們可以被編程來執(zhí)行復(fù)雜的算法，以更有效地支持AI算法，提供必要的計算能力，同時保持能源效率。 第二，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）正改變著制造業(yè)，對實時數(shù)據(jù)流和遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求也在不斷增長。 軟件可配置硬件將是這些應(yīng)用的核心，因為它們可以輕松集成到IIoT解決方案中，并可根據(jù)特定需求進(jìn)行編程和優(yōu)化。 第三，為了減少延遲并提高處理數(shù)據(jù)的能力，邊緣計算應(yīng)用不斷增長。 軟件可配置硬件非常適合邊緣計算應(yīng)用，因為它們可以提供高性能、可定制的計算，同時保持低功耗。 最后，在可持續(xù)發(fā)展方面，未來的智能工廠將需要更多的定制硬件解決方案來滿足特定的操作要求。 隨著可持續(xù)性成為一個重要議題，能夠通過軟件更新來延長硬件使用壽命的解決方案將變得更加受歡迎。 總的來說，軟件可配置硬件正逐漸成為智能工廠技術(shù)進(jìn)步的核心驅(qū)動力。它不僅優(yōu)化了制造流程的效率和靈活性，還為智能決策提供了關(guān)鍵支持。面對不斷變化的生產(chǎn)需求和市場環(huán)境，無論是對舊有工廠進(jìn)行技術(shù)升級，還是在新工廠中實施先進(jìn)技術(shù)，軟件可配置硬件都顯示出了其不可替代的重要性。 這種技術(shù)的采用有助于工廠更加靈活地適應(yīng)未來挑戰(zhàn)，同時確保操作效率和生產(chǎn)力的持續(xù)提高。在未來的發(fā)展中，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步融合與發(fā)展，我們預(yù)見軟件可配置硬件將在加速工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中扮演更加積極的角色。 |
