匯流排技術 PCIe 在智慧工廠中的關鍵地位

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 28 日 14:32 | 分類 材料、設備 , 物聯網 , 自動化 follow us in feedly

在工業 4.0 趨勢下,工廠勢必得導入智能系統輔助,而深度學習、3D 感測及圖形運算等技術也將帶來大量資料傳輸的需求,這就讓高速的工業匯流排技術角色愈加吃重。如今,PCI 和 PCI Express 是兩種重要的匯流排技術,新一代 PCI Express(簡稱 PCIe)較已被廣泛採用的 PCI 具有更高效能,不但沿用原有 PCI 編程概念及通訊標準,且建基於更快的串行通訊系統,僅需修改實體層,無須修改軟體,即可將現有 PCI 系統轉換為 PCIe。




除此之外,PCI 裝置支援熱拔插、熱交換與隨插即用等特性,保留了 PCI 定址模式的相容性,以確保現有應用與驅動程式可繼續作業無虞,因此主機板廠的設計使用 PCIe 介面,也已成為常態。而在智慧工廠中的主要應用領域,可分為機器視覺、運動控制以及資料採集三大類,為因應這一趨勢,研華科技(Advantech)則分別提供完整的解決方案,滿足各行業所需。

機器視覺

機器視覺技術被廣泛用於自動化生產製造流程,以提高半導體、汽車、電子等行業的生產力與良率,越來越多的應用需要極高的精度及速度。同時,3D 機器視覺與 AI 更帶動大量圖像資料需求,於是以 PC-Based 為架構的機器視覺應用,由於高速匯流排與高運算量的優勢,逐漸成為機器視覺市場的主流方案。

過往的機器視覺應用,主要規格為「0.3MP,30fps,灰階影像」。由於精度、速度的提升,加上智慧製造的需求,使得「2.0MP,60fps,彩色影像」的應用方興未艾,高資料傳輸量的 PCIe 匯流排遂成為 PC-Based 機器視覺的最佳選擇,並廣泛運用於量測、瑕疵檢測等應用。此外,PCIe 匯流排採用序列式通訊協定,大幅改善以往 PCI 匯流排的效能,並提供可靠、高頻寬點對點獨立頻寬的傳輸資料;而支援 DMA,不占用任何 CPU 資源,也非常符合機器視覺多相機應用的需求。

運動控制

在工業物聯網的浪潮下,傳統生產線的變革及新世代智慧工廠的誕生,讓以運動控制為代表的自動化技術廣泛應用,未來運動控制的發展將趨向高速度、高精度及網路化,並以各種邊緣運算裝置結合雲端服務平台,進而融合訊資訊技術,達到智慧化的先進製造。

如今,設備和服務端之間具有高度聯網和強大的通訊能力,而高速、高效、安全的現場總線是智慧工廠的基本要求。近年來興起的 EtherCAT 通訊標準,因為採用了獨特的數據處理方式「On the fly」,突破了傳統乙太網技術的性能侷限,使得自動化平台兼具即時性與開放性。PCIe 介面的 EtherCAT 主站控制卡,可提供更高的傳輸頻寬,面對高速點位運動及高精度的軌跡控制,保證即時性及穩定性,不受電腦平台影響,能做到誤差僅一微秒(1µs)的精確同步控制。

資料採集

早期的 33 MHz PCI 匯流排非常符合主流週邊設備的 I/O 頻寬需求。然而,現階段的發展已不可同日而語,處理器與記憶體的頻寬大幅提升,且處理器速度幾乎是以等比速率增加。各種新興的 I/O 技術如 Gigabit Etherne t與 IEEE 1394B,幾乎取代匯流排上單一裝置所配備的所有 PCI 匯流排頻寬,在特定應用中的時脈頻率已不敷使用,無法滿足電力管理、I/O 虛擬化與服務品質等需要絕對穩定的頻寬與精確潛時的新一代 I/O 需求。

若透過 PCIe 介面卡,則能有效減少頻寬問題,所需的緩衝記憶體數量將遠低於傳統 PCI 介面卡所需。新一代的 I/O 需求,如服務量測品質與電力管理,也可提升資料完整性,並允許系統裝置進行選擇性斷電。此外,就算尚未完成的傳輸作業占用其他通道,也可透過虛擬通道進行資料傳輸。

對於系統自動化來說,PCI 匯流排多年來一直是插卡式擴充介面卡的首選。而新一代的 PCIe 則具有更高效能,與 PCI 相比,PCIe 提供高效能、精準即時傳輸、分層結構、I/O 簡化與易用等優勢,不但可提升整體效益,更可進一步完善設備自動化的需求,相關的模組化解決方案對於建置智慧工廠將有極大助益。


前往了解:驅動智慧工廠的關鍵──PCIe

(首圖來源:Shutterstock)

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