挾高效能優(yōu)勢　FPGA滿足機(jī)器手臂多軸化設(shè)計(jì)

賽靈思亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理羅霖認(rèn)為，機(jī)器手臂多軸化后的系統(tǒng)開發(fā)挑戰(zhàn)，讓高效能、高靈活性與擴(kuò)展性的FPGA優(yōu)勢展露無遺。

賽靈思(Xilinx)亞太區(qū)Zynq業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理羅霖表示，因應(yīng)工廠產(chǎn)線精密化，目前生產(chǎn)線上的機(jī)器手臂有朝向多軸化發(fā)展的趨勢，這是為了讓機(jī)器手臂能完全替代人類手臂，以執(zhí)行多種精密、復(fù)雜的擬人動作，如此一來還可將過去須要透過多道不同運(yùn)動控制(Motion Control)類型的機(jī)器手臂產(chǎn)線轉(zhuǎn)為合并成單一產(chǎn)線，降低生產(chǎn)成本及提高工廠作業(yè)效率。

為了迎合機(jī)器手臂的多軸化發(fā)展趨勢，機(jī)器手臂內(nèi)建的馬達(dá)數(shù)量及軸數(shù)都必須增加，當(dāng)其中一個(gè)馬達(dá)軸旋轉(zhuǎn)到特定角度時(shí)，與其同處一個(gè)連動系統(tǒng)的馬達(dá)軸也須旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的正確角度，且不同系統(tǒng)之間的搭配協(xié)調(diào)也至關(guān)重要；因此羅霖指出，相較于只能在單一節(jié)點(diǎn)上運(yùn)作的微控制器(MCU)，F(xiàn)PGA的擴(kuò)展性及運(yùn)作效能將更能應(yīng)付設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜的多軸馬達(dá)運(yùn)算需求。

羅霖進(jìn)一步分析，F(xiàn)PGA在同一機(jī)器手臂內(nèi)，針對低、中、高階內(nèi)部系統(tǒng)皆能提供開發(fā)商一致的擴(kuò)展性和靈活性；如開發(fā)商可選擇在各個(gè)分散式控制的小型節(jié)點(diǎn)中都內(nèi)建FPGA，也可選擇在大型節(jié)點(diǎn)中置入效能更為強(qiáng)大的FPGA系統(tǒng)單晶片(SoC)，以單一顆FPGA SoC就能完成機(jī)器手臂整體的多軸馬達(dá)控制。

以馬達(dá)控制的核心--電流環(huán)為例，若以低階的DSP來做為馬達(dá)控制核心，則系統(tǒng)平均約須200微秒(μs)來啟動電流環(huán)運(yùn)作；若是透過FPGA則僅須耗時(shí)約50微秒，可大幅降低馬達(dá)反應(yīng)時(shí)間及提高運(yùn)作速度。羅霖強(qiáng)調(diào)，透過FPGA控制可將電流環(huán)的驅(qū)動反應(yīng)時(shí)間縮短，加快系統(tǒng)運(yùn)作速度，此將更有利于多軸馬達(dá)的操作。

另一方面，目前工控領(lǐng)域各種標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)定百家爭鳴，且仍持續(xù)汰換升級，因此一般的特定應(yīng)用積體電路(ASIC)及特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)將難以提供系統(tǒng)商靈活的開發(fā)平臺；反之，F(xiàn)PGA則能為系統(tǒng)開發(fā)商提供高彈性、高擴(kuò)展性的開發(fā)環(huán)境。

值得注意的是，近來FPGA元件商積極發(fā)展的FPGA SoC產(chǎn)品，也在工控領(lǐng)域大有斬獲。由于工業(yè)領(lǐng)域具有垂直封閉的特色，各種協(xié)定、軟體支援常?；ゲ幌嗳?，此時(shí)，單純的硬體整合方案，如FPGA SoC，對于工業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)開發(fā)商來說反而極具優(yōu)勢。因此，賽靈思也將其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC視為進(jìn)軍工業(yè)智慧自動化領(lǐng)域的重要武器。

賽靈思日前更于2014年嵌入式電子與工業(yè)電腦應(yīng)用展(Embedded World)中，為其FPGA SoC下一代產(chǎn)品線--Zynq UltraScale MPSoC，發(fā)布新一代采用臺積電16奈米鰭式場效電晶體(FinFET)制程的UltraScale多元處理(Multi-Processing, MP)架構(gòu)。

據(jù)了解，賽靈思All Programmable MPSoC架構(gòu)可為處理器提供32到64位元的擴(kuò)充能力，并可支援虛擬化，結(jié)合軟硬體引擎進(jìn)行即時(shí)控制和圖像/影像處理、波形與封包處理、新一代的一致性互聯(lián)和記憶體、高階電源管理，以及可提供多層防護(hù)、安全性和可靠度的加強(qiáng)技術(shù)。