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技術探勘

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實現高效音訊訊號擷取 MEMS麥克風效能更上層樓

相較於傳統駐極體電容式麥克風(ECM),MEMS麥克風提供許多更好的優點。在效能等級相同的情況下,MEMS麥克風體積較小,來自多個麥克風的音訊訊號放大與相位也可相互匹配。此外,MEMS技術在抗高溫能力方面較為優異,而且適用於回流焊,因此可使用自動化電路板組裝。也因此,許多半導體業者紛紛推出MEMS麥克風解決方案,例如英飛凌便於近期發布XENSIV MEMS麥克風--IM69D130(圖1),以提供精確的語音辨識。 圖1 半導體業者推出新一代MEMS麥克風,克服現有音訊訊號鏈的限制。 高效能麥克風降低雜訊 麥克風做為聲音感測器,可將聲壓波轉換為電子訊號。然而,並非所有麥克風都具有同等的能力,而且有多項參數決定麥克風是否適用於特定應用。 麥克風輸出訊號中的電子雜訊,並不只是來自於所須輸入訊號的所有訊號有關。雜訊可能存在於環境中或來自麥克風本身,而且雜訊位準越高,音訊訊號的品質越低。各種參數或規格定義了麥克風的雜訊。一方面是自有雜訊,這是在沒有聲音訊號時,麥克風本身產生的雜訊,以Vrms、dBV或dBFS測量。等效輸入雜訊是對應於麥克風輸出處電子雜訊位準的虛數聲學雜訊位準,以dB聲壓水準(dB SPL)表示。訊噪比(SNR)是一個重要的標準。SNR值以dB表示,是相對於預期或期望輸入訊號的麥克風自有雜訊量度(圖2)。 圖2 MEMS麥克風在高聲壓水準的環境下,亦能提供無失真的音訊訊號。 其他重要的麥克風品質特性還有失真,如總諧波失真(THD)及聲學過載點(AOP)。實際上,如同所有訊號轉換器,麥克風也是非線性的,亦即會產生一定的失真。在失真的情況下,額外的訊號為諧波(通常是2至5次諧波)。THD是這些諧波中包含的能量與基頻能量的比率,以百分比表示。基本上,AOP定義了THD超過10%的點。但是,在要求較高的應用中,有時也將AOP指定為THD超過1%的點。 最佳化演算法降低訊號干擾/失真 對於執行演算法的系統而言,擷取聲音訊號的方式與人耳感知聲音的方式不同,因此聲音品質的目標也是不同的。只要針對所使用的演算法進行最佳化,訊號就不一定要聽起來很自然,重要的是訊號不受干擾、失真及雜訊影響,各種應用皆然。 自動語音辨識是將語音訊號自動轉換為書面文字的程序,目前的準確度約為95%,已非常接近人類水準;到目前為止,此值只有在環境條件非常有利的實驗室中才能實現。在開發語音控制系統時,基本概念應始終聚焦於可靠性以及使用者的易用性。為實現此目標,系統設計人員必須考量現場的實際應用,例如使用者與麥克風之間可能的距離,以及預期的背景噪音量。唯有如此才能設計出可實現最佳效能的系統。 實際上,特別是當喇叭不在附近時,語音控制通常在聲學方面有相當大的困難,例如背景噪音、殘響、回音消除及麥克風位置等。因此,僅擁有良好的語音辨識軟體是不夠的。系統的每個組件皆應提供最佳效能,以避免發生品質損失。麥克風的任務是為語音辨識系統提供最佳的輸入訊號,而高品質的輸入訊號有助於分析傳入聲音的語音內容。關鍵參數包括噪音、失真、頻率響應及相位。 在嘈雜的環境中,如果使用的麥克風具有高線性度以盡可能減少失真,則可以大幅改善語音辨識。高AOP有助於大幅減少失真並改善噪音與回音的抑制。有時語音訊號本身不夠響亮,並且還有其他聲音造成干擾。例如,當喇叭靠近語音啟動終端裝置的麥克風,或是當數位語音助理正在播放響亮的音樂或語音資訊時。 提高訊噪比為降噪主要步驟 與語音訊號源的距離越大,饋送至演算法之訊號的訊噪比就越低。因此,如果預期的偵測距離較大,麥克風的訊噪比就應該更高。 如果可以從訊號中遮蔽掉不需要的聲音,即可改善音訊與視訊訊號的偵測以及對話的品質。其目標是提高訊噪比,在此情況下即為所需要的音訊與不需要的環境噪音之間的比率。透過使用多個麥克風與適當的算法,可實現降噪與方向特性。 定向麥克風陣列(例如使用波束成形演算法)可增加麥克風在所需方向的靈敏度,同時放大所需的聲音來源。有一種複雜的抑制噪音方法是「盲源分離」演算法,無論方向、距離及來源位置為何,皆可抑制噪音。所有上述噪音抑制技術皆可獲益於所接收訊號的準確性與品質。因此,麥克風應具有最大訊噪比、低失真、線性頻率響應(可改善相位響應)及低波群延遲。 半導體商力推高效能MEMS麥克風 上述提到,MEMS麥克風需求增加,半導體業者也相繼推出解決方案,以英飛凌為例,該公司旗下的XENSIV MEMS麥克風「IM69D130」訊噪比為69dB,專為需要低自有雜訊、高動態範圍、低失真及高AOP的應用而設計。 此款麥克風結合英飛凌的雙背板技術,此技術以錄音電容式麥克風所使用的小型化、對稱式麥克風設計為基礎,可在105dB的動態範圍內實現輸出訊號的高線性度。麥克風的噪音底部為25dB(69dB訊噪比),即使聲壓位準為128dB SPL(130dB SPL時失真率為10%),失真率也不會超過1%。這意味著即使喇叭正在播放音樂,也可以無失真地偵測語音命令。線性頻率響應(28Hz低頻衰減)與嚴格的製造公差實現麥克風的緊密相位匹配(圖3)。此麥克風採用4mm×3mm×1.2mm封裝。 圖3 IM69D130典型的相位響應 此外,該產品憑藉其靈敏度(±1dB)與相位匹配(1kHz時為±2O),可支援極為精確的音訊波束成形,以提供創新的高效能音訊與語音演算法(圖4)。由於其具備數位介面,因此無需類比組件,如此也降低了保護電路板免受高頻雜訊影響的成本,而且多麥克風應用所需的資料線也會更少。同時,數位麥克風ASIC包含極低雜訊前置放大器與高效能Sigma-Delta AD轉換器(1kHz時僅6μs延遲)。可選擇不同的功率模式以符合特定的電流消耗要求。每個IM69D130麥克風皆經過微調,因此靈敏度的公差非常小(±1dB)。 圖4 IM69D130方塊圖 簡而言之,該產品結合的創新演算法易於處理高品質音訊原始資料訊號,可處理要求嚴苛的語音辨識場景,例如遠場偵測及擷取細微的語音;MEMS麥克風的效能提升,不再是音訊訊號鏈的限制因素,因而能支援強大的語音演算法。 (本文作者為英飛凌科技公司MEMS麥克風部門行銷經理)
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混合驅動為趨勢 48V實現汽車電氣化創新

全球道路交通的碳排放新限值即將實施。然而,汽車電氣化的技術創新步伐若不能配合,根本無法實現這些目標。再加上,最近國外一家著名車廠的碳排放造假,這醜聞使得大眾更加擔心碳排放的問題。解決方法是採用高性能的混合驅動。汽車製造商到2021年之前必須實施混合驅動,否則便會無法遵守規定,因而面臨高額罰款。 12V難滿足混合驅動需求 實施混合驅動的基本要求是採用48V電氣系統。12V發電機難以滿足數量不斷成長的汽車消費性產品的要求。48V電源能夠採用截面面積更小的電纜,有助於減少產生的熱量和潛在的損耗。再加上,電流水準相同時,48V的性能提高4倍。這要求使用其他額外元件,如轉換電壓的DC-DC變換器及第二電池。要完全從目前的12V轉換到未來的全48V系統,在目前是不可能的,因為這將涉及改變所有電子系統和致動器,如氣囊或發動機控制器。為了繼續使用低功耗的元件,許多供應商目前還保留12V電氣系統。變換器可使得這兩種網路並存,它必須對應連續功率輸出高達4kW,效率至少96%的12V/48V雙向變換器,被動空冷方式可確保最高效率。 除此之外,新的核心元件是48V電池。在此一領域中,新技術的開發一直突飛猛進,例如,鋰-硫或鋰-空氣電池設計。它們的初步目標是改善充電容量和能量密度。儘管這些電池存在價格壓力,但是它們的預期使用壽命長,並且非常堅固,例如不會在車禍中損壞。 中度混合動力系統更快普及 根據VDA的報告,到2020年,大約400萬輛汽車將裝備48V部分電氣系統;2026年,這類汽車將增加到大約1,000萬輛,全球大約每十輛汽車就有一輛,其中大多數是中度混合動力型號。與全混合動力型號相比,它們未設計充電功能,並且單靠電子馬達無法驅動汽車。除提供啟動輔助之外,啟動發電機還充當制動能量換熱器,給電池充10kW電,從而降低碳排放。另外,利用換熱能量,還可以使汽車無排放運行,實現主動發動機關閉滑行(亦稱為航行)。根據測定指南和駕駛方式,碳排放減少量可高達12%。同時,滑行大幅降低了車內雜訊和振動,提高了駕車樂趣。換熱能量還可以用於碳中性電動增壓(e-Boost)功能,即超車時,馬達提供臨時的額外加速。 新技術甚至還可以進一步降低消耗,例如,開發高度自動化和全自動化駕駛解決方案。 為了降低12V電氣系統的負荷,一開始便可以在48V部分電氣系統中整合前擋風玻璃加熱器以及輔助設備(如水泵、油泵和燃油泵)、轉向輔助、HVAC控制(發動機控制)和PTC加熱器,會是比較明智的做法。後者對混合動力汽車尤其重要,因為馬達不會產生用於發動機加熱器和汽車內部的廢熱。2016年推出的電氣動態穩定性控制,也是48V應用必須的。 但是,最重要的決定性因數是充電器。例如,充電器使發動機規格變小,從六缸減為四缸,因而在降低二氧化碳排放中起主要作用。業界可生產出裝備兩個廢氣渦輪增壓器和不超過兩個電動壓縮機的客用車。 高電壓架構帶來新要求 48V系統的電壓更高,因此要求汽車採用與檢查規則一致的全新架構。峰值電壓必須限制在60V,過壓保護和欠壓保護也是必須的,為了要防止對網路中其他消費性產品的不良影響。必須安裝採用新絕緣技術的電纜,以抵消由此造成的間隙和爬電距離。還需要非常特殊的連接器配置,才可以連接更高的電壓。在這種情況下,千萬不要忽略總體系統。 在接下來的15年內,將逐漸轉換為更高電壓系統;全48V電氣系統汽車預期大約在2030年出現。如果仍然要保留這種部分系統,電纜截面積規格將必須增大4倍,以滿足新消費性產品對更高功率的要求。鑒於所需空間和重量(大約10kg)明顯增加,從而碳排放也明顯增加,這將是完全不能接受的。成本因素也十分重要:如果電動壓縮機與12V系統連接,大約3kW的輸出將導致250A以上的電流。採用標準元件時,這是不可行的。但是,可以採用48V系統電動壓縮機及大約4kW輸出。 隨著半導體元件迅速發展,未來大多數消費性產品將可能逐漸裝備48V技術: 短期:具備新8V功能的高性能消費性產品: .前擋風玻璃(1.5KW) .PTC(1.2KW) .電動壓縮機/充電器(3.5KW) 中期:更大功率要求的12/24V消費性產品轉換 .電動轉向(1KW) .動態穩定性控制(3KW) .發動機風扇(1.5KW) .燈(外部) 長期:所有12V應用(包括背光加熱器)轉換為新電壓級別 這些電氣消費性產品均可以啟動,並且不會磨損,確保其僅在實際需要時才消耗能量。如果採用了以需求為導向的控制策略,碳排放將減少大約10%。 高壓車載電源的開發繼續發展;在可以預見的未來,快速充電器系統將推出800V以上電壓。它們將能夠在30分鐘內消耗足夠能量,僅利用電力行駛大約400km。 根據一級供應商的預測,由於採用48V電氣系統、混合動力技術和各種其他措施(如重量輕的結構),汽車製造商可以將汽車的燃油消耗量最多降低25%。 大廠齊力推動高電壓架構 因此,一級和二級供應商將是許多新技術新系統的主要開發者。特別是,德國製造商在這此方面一直居於前線,例如,博世(Bosch)開發了各種類型的發動機,全球市場領先公司博澤(Brose)開發了電動窗調節器馬達應用或座椅調節系統馬達,而風扇電機專家ebm-papst也開發了相應產品。亞洲製造商也實現了廣泛的創新。電機製造商日本電產株式會社(Nidec)的最新開發成果包括電動轉向馬達和高達750W冷卻風扇應用。日本電裝株式會社(Denso)為汽車工業提供了範圍廣泛的高效技術、系統和元件。美國公司Johnson Electric是前燈步進馬達及冷卻風扇和空調系統馬達的世界領先供應商之一;然而,電動車目前最大的市場在法國。 與高電壓混合動力汽車相比,先在客用車中導入其他電壓級別更具有前景優勢。一方面,有機會實現頗有吸引力且成本合理的碳減排;另一方面,可以實施目前12V設置技術上不可行的功能,包括電動渦輪增壓器、空調壓縮機及可配合各種發動機速度的泵。這意味著可以根據車輛狀況有效地控制負荷,打開或關閉負荷。這些功能推動駕駛能力顯著提高,駕駛員將能夠親身體驗到。 就傳動系統的整合而言,48V電壓級別會比高電壓混合動力更易實施,並且可繼續使用現有的傳動系統理念,從而預期開發週期更短。作為實施過程的一部分,汽車製造商和供應商目前非常重視元件和系統開發,以及系統整合和驗證。 (本文作者為儒卓力ABU負責人)
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實施浪湧電壓耐受設計 功率因數控制電路更耐用

傳統二極體整流橋是最常用的交流電壓整流解決方案。整流橋後面經常會增加一個功率因數控制器,以確保市電電流的波形近似於正弦波。不過,二極體整流橋無法控制湧流。用兩個可控矽整流管(SCR)替代兩個二極體,新的控制型整流橋可以限制連接市電時的湧流。本文提出幾個前端拓撲以及一些與混合式整流橋和有效防止過壓相關的設計技巧。實驗結果證明,4kV至6kV浪湧電壓耐受設計是很容易實現的,而且成本也不高。 湧流限制方案影響待機功耗 二極體整流橋的缺點是無法控制浪湧電流,這是因為在插入市電插座時,直流輸出電容會突然充電。 強湧流可能會給系統帶來很多問題,例如,保險失效、二極體等元件損壞,同時還會在電網上產生過多的電流應力。 如果不對湧流加以限制,啟動電流上升速率很快,很容易達到穩態電流的10~20倍。因此,必須提高線路元件的參數,使其能夠短時間傳輸大電流。此外,線路電流突然提升將會導致電壓驟降,電壓波動將會降低其它負載的輸入功率;因而使得連接在同一條線路的燈具,或是顯示幕會忽明忽暗,出現閃爍或閃屏現象。為了避免這些有害現象,IEC 61000-3-3電磁標準規定了最大容許電壓波動和最大容許湧流。 為了達到這個標準要求,常用限流方法是採用一個阻值固定的電阻器或一個熱敏電阻器(圖1a中的RLIM)限制電容器湧流。熱敏電阻器通常具有負溫度係數特性(NTC),因此,熱敏電阻在低溫即啟動時阻抗大,穩態時阻抗小。 為了在穩態時控制電阻本身消耗的功率,需要選用低阻值的電阻器。一個更好的解決辦法是給電阻並聯一個開關,構成一個旁路,在穩態時接通開關,電流繞過電阻。 這種旁路開關通常採用機械繼電器(圖1a中的S2)。這個解決方案的缺點是RLIM電阻始終連接市電線路,即使應用設備進入待機模式,也照常給二極體整流橋供電。因為直流電容器(C)仍然處於充電狀態,所以存在待機功率損耗。為降低功率損耗,有必要給市電線路串聯一個開關(圖1a中的S1),該開關在設備進入待機模式時開路,這樣就能斷開二極體整流橋與線路的連接。 圖1 基於電阻器和繼電器的電湧限流電路(a)和基於混合整流橋的電湧限流電路(b) 混合式整流橋是一個更加智慧的湧流限制解決方案,如圖1b所示。利用可控矽整流管的漸進式軟啟動,向輸出電容慢速充電,從而實現對湧流的限制。在線路電壓的每半個週期結束時啟動可控矽整流管,這時施加到電容器的電壓被降低。通過逐漸降低可控矽整流管導通延時,延長可控矽整流管導通時間,以此提高直流電容器上的施加的電能。 如果給線路串聯一個電感器(圖1b中的L),這個解決方案就會奏效。在實際應用中,這個電感器是免費的,因為基於直流橋的應用多數都有開關式電源或電機變頻器,不管是哪一種,都需要一個高頻開關濾波器。多數EMI濾波器都有一個共模電感器,產生雜散差分式電感。這個解決方案還需要一個輔助電源,用於在直流輸出電容器充電前給微控制器供電,確保可控矽整流管的軟啟動操作。 因此,這個限制湧流並控制待機損耗整體方案是用兩個可控矽整流管替代一個限流電阻器和兩個繼電器。與機械繼電器技術相比,半導體固態繼電器成本低廉,並克服了機械繼電器的下列缺點: .線圈導致的控制電流消耗大 .機械振動導致的開關開路 .機械觸點產生的聲學雜訊 .在易燃環境引起火災(開關電弧) .可靠性低(在高直流電壓或電流時的繼電器開關操作) 依標準實施抗浪湧電壓步驟 像二極體整流橋一樣,混合式整流橋也與市電插座直接相連,如果有浪湧電壓,很可能會燒毀整流橋和PFC晶片(例如,圖1中的旁通二極體D4)。按照IEC61000-4-5標準描述的抗浪湧衝擊實驗步驟,必須施加不同相角的正負浪湧電壓。 在市電峰壓時施加正浪湧電壓 在90O相角施加4KV正浪湧電壓,如圖2的示意圖所示(無PFC),是為了模擬最惡劣的應用環境;因此,為L選用一個2µH電感,而C是一個100µF電容。可控矽整流管是兩個50A的TN5050H-12WY,而D1、D2和D4二極體(PFC旁通二極體)則是STBR6012-Y整流管。 在90O相角時,T1和D1導通,浪湧提高電流,並致使D4導通。因為PFC電感保持電壓,浪湧電流旁通二極體D4,避免燒毀PFC續流二極體(D3)。 如圖2所示,在浪湧期間,T1電流峰值達到1730A(D1和D4電流也同樣達到這個數值)。電流脈寬相當於30µs長的半正弦波。這個電流應力數值遠遠低於STBR6012-Y和TN5050H-12WY的承受範圍。 如果施加的湧流高於可控矽整流管或二極體的電流耐受能力範圍,有兩種方法可以降低過流(兩種方法可一起使用): .提高差分電感的方法雖然有助於降低峰值電流,但也會使過流脈寬小幅提高。 .在線路輸入端加一個變阻器,有助於降低電路受到的峰壓衝擊,同時也會降低過流。 如圖2所示所示,浪湧電流將VDC輸出電壓提升到650V。這個電壓反向施加到T2(因為當T1導通時,二極體D1也同時導通)和D2。因此,必須使用至少800V的元件,TN5050H-12WY和STBR6012-Y是1200V,電壓裕度很高。如果反向電壓超出可控矽整流管或二極體的耐受範圍,用一個電容值更大的輸出電容或內部寄生效應很低的電容串聯一個電阻器,可以更有效地控制浪湧電壓。 圖2 正浪湧電壓期間的過流應力(D4是PFC旁通二極體) 在市電峰壓時施加負浪湧電壓 如果施加的負浪湧電壓是90O相角,混合式整流橋的工作方式就有點複雜了。圖3所示給出了這種情況的電路通斷序列: 圖3 90O負浪湧電壓測試混合整流橋的工作序列 .A階段:在浪湧施加前混合式整流橋正常工作,VAC是正電壓,T1和D1導通,線路電流(IL)從L流至N,途經T1、D1和輸出電容。 .B階段:施加負浪湧電壓,因此VAC極性變負,這意味著,負電流將從N流至L。 .C階段:在VAC電壓變負後,線路電流下降。當IL電流過零時,D1關斷。這意味著,現在整個線路電壓被施加到T2(VT2箭頭)。 C階段必須謹慎處理。實際上,如果電壓高於可控矽整流管的擊穿電壓,元件可能被燒毀。 .Transil保護機制防止可控矽整流管燒毀 在可控矽整流管的陽極和閘極之間連接一個過壓保護元件Transil(圖4),可以防止T2在C階段被燒毀。在C階段,電壓將會上升到Transil的擊穿電壓(VBR),觸發Transil二極體導通,向可控矽整流管閘極施加電流。然後,可控矽整流管導通。圖4描述了這種操作: 圖4 基於TN5050H-12WY可控矽整流管的混合式整流橋90O1 kV負浪湧電壓測試 .A階段:在第1點結束,VAC電壓變負。 .B階段:在第2點結束,線路電流電壓過零。 .C階段:T2在第3點導通,電壓高於Transil擊穿電壓,施加到T2的電壓最大值被限制在430V。然後D2也導通,施加浪湧,給輸出電容充電。 .D階段在第4點後開始,浪湧電流通過T2、D2和D4施加到輸出電容,T1和D1關斷。 在此測試中選用一個1,5KE400CA的Transil二極體。這個二極體可將鉗位元電壓的峰值限制到一個極低的水準(430V)。在C階段,D1上的負電壓絕對值是VT2與VDC之和。如果輸出直流電壓是325V,則D1上的負電壓最大值是755V(在STBR6012-Y的容許範圍內)。電壓值更高的Transil或低電能Transil(1,5KE400CA是一個1500W Transil)將會引起更高的鉗位元電壓,導致更高的電壓施加到D1上。在T2的閘極與陰極之間連接的電阻器用於分流Dz Transil二極體輸出的電流,避免dV/dt引起的雜散觸發。 保護機制有備案 變阻器有效耐受浪湧衝擊 如果不想讓可控矽整流管在電壓高於430V時導通,或者是當可控矽整流管被Transil觸發的時候,如果浪湧電流高於SCR ITSM值,我們還有一個解決辦法,即在整流橋輸入端,將Transil二極體改為電壓抑制器,例如,金屬氧化物變阻器(MOV)。 當變阻器置於EMI濾波器之後,濾波器阻抗(特別是共式扼流圈的差分式電感)可以限制變阻器吸收電流。並聯多個變阻器以更好地限制浪湧電壓,避免在施加90O相角負浪湧電壓時T2導通(在施加270O相角正浪湧電壓時T1導通)。 浪湧電壓耐受能力取決於變阻器的能否將浪湧電壓限制在T1/T2可控矽整流管的VDSM/VRSM和D1/D2二極體的VRRM以下。可控矽整流管過流不再一個難題。例如,並聯四個385V 14mm金屬氧化物變阻器,連接一個典型的EMI濾波器,當浪湧電壓達到6kV時,混合式整流橋的電壓限制在1100V,遠遠低於TN5050H-12WY VDSM的擊穿電壓和STBR6012-Y整流管的擊穿電壓。因此,該電路典型情況下能夠耐受6kV浪湧衝擊。 (本文作者皆任職於意法半導體)
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有效省水/確保安全 MCU實現智慧浴室管控裝置

在現今這個年代裡,洗澡是每天個人衛生清潔活動,使用浴缸泡澡是人們生活中的一大享受,而且泡澡許多好處,像是消除疲勞、治療失眠、保養皮膚等等,但是有些人泡澡時間太久,有時會導致胸悶、呼吸急促、頭暈、甚至暈厥。 目前市面上浴缸並沒有提醒已放完水、洗澡時間過長的功能,無法實際的讓使用者知道浴缸何時放滿水與得知洗澡水的溫度。基於以上原因,本文試圖利用微控制器(MCU)建構出一套經濟、節能、安心的浴室裝置,期能幫助使用者在洗澡或泡澡的時候,避免浪費水資源。本裝置的相關功能如下所示: .具計時功能 .具節能功能 .具語音提醒功能 .具手機提示功能 .具手機啟動/停止放水功能 .具手動啟動/停止放水功能 .具溫度感測功能 .具LED提示功能 .具自動加冷熱水功能 .具自動偵測水位高低功能 本系統的功能與目前浴缸結合,具有自動加冷熱水功能可避免水溫太冷或太熱,並且利用浮球配合紅外線發射/接收。當浮球處於紅外線發射器與接收器之間時,因紅外線被遮斷,微控制器傳訊息到手機,讓使用者知道浴缸水位,且當浮球已至高水位時,系統會停止放水,讓浴缸放水的時候不會溢出,造成水資源的浪費。 防水型溫度感測器,用來偵測浴缸裡的水溫,可以藉由七段顯示器知道浴缸的水溫及對應的LED得知水位高低,同時使用者可透過手機連接藍牙模組,並啟動對應的App程式,讓使用者透過手機確認浴缸裡的目前水溫及目前浴缸放水位置。 當洗澡水已經施放完畢時,語音提示會發出提醒,告知使用者洗澡水已經放好,這樣一來洗澡水不會因為使用者的疏忽浪費而溢出,甚至能讓使用者在最完美的水溫中沐浴放鬆,而洗澡時間過長也會有語音提醒,告知使用者,該適度的讓身體休息,避免洗澡過久而造成身體上的不適。同時,當浴室的地板濕滑,語音亦會警示使用者,注意地板濕滑,避免滑倒而發生意外。此外,浴缸水位不會溢出、水溫可以保持在合適溫度以及可透過藍牙將數據上傳至手機,即可讓使用者方便查詢浴缸水位及溫度。綜上所述,本裝置透過以上功能,可讓人們避免因疏忽導致水浪費,洗澡時間過導致胸悶、呼吸急促、頭暈、甚至暈厥等症狀。 居家浴室管控裝置工作原理 圖1所示為本作品具創新性與實用性的「居家浴室管控裝置」之完整電路圖,整個系統以盛群半導體旗下的HT66F70A微控制器作為主要控制核心,來控制其它周邊元件,例如語音模組、溫度感測器、自動加冷熱水電路、紅外線發射/接收器,藍牙、雨滴感測模組與七段顯示器等,使得本系統的整體運作更加的流暢與完善,以下所示為相關元件之控制電路與工作原理。 圖1 居家浴室管控裝置完整電路圖 圖2所示為水位指示燈電路之控制電路圖,總共有三顆LED,將三顆LED正端接腳分別連接至HT66FU70A的PA.4、PF.4、PH.3接腳,當紅外線接收器的C接腳輸出一高電位的訊號給微控制器的時候,LED就會亮起,微控制器在接收到C接腳的訊號時,會依據其準位來進行相關的控制,藉此控制LED。 圖2 水位指示燈電路之控制電路圖 首先,必須先初始化DS18B20,以確定二者之間有沒有連接上,當微控制器要初始化DS18B20時,必須先令DQ=0的時間持續至少480us,然後再令其為1,即DQ=1。換言之,就是產生一個低電位的脈衝訊號。當DS18B20感應到此一訊號後,會經由DQ接腳送出一個持續60~240us的低電壓做為回應。當微控制器收到此一回應訊號時,表示初始化成功,亦即DS18B20有連接上微控制器,反之則否。 當DS18B20初始化成功後,即可開始對其下命令,以進行寫入/讀取資料的動作。微控制器要將資料0與1寫入DS18B20的方法略有不同,寫入1時須先令PB.1接腳輸出低電位,即PB.1=0,然後在15us內,再令PB.1輸出高電位,即PB.1=1,整個動作過程至少要持續60us以上。至於要將0寫入的話,則只需令PB.1輸出低電位的時間持續60us即可。 圖3所示為本系統溫度感測器之控制電路圖,MCU與DS1820之間僅需一條資料線即可,當溫度感測器偵測到外部的溫度時會透過PB.1接腳將訊號傳給MCU處理,雖然沒有時脈可以控制資料讀取傳輸時間,但溫度感測器卻是十分注重傳送資料與讀取資料的時間,所以必須要使用者程式上延遲時間寫的十分準確不可有太大誤差,才能讀取到正確的溫度值。 圖3 溫度感測器之控制電路圖 圖4與圖5所示為本系統控制七段顯示器的控制電路圖,主要是用於顯示溫度、時間之用。只要經由微控制器的接腳PG.0、PG.1、PG.6、PE.1~PE.4與 PC.1、PC.4、PC.6、PC.7、PD.0~PD.3接腳送出0~9的二進制碼,就可以令七段顯示器顯示相對應的數值。        圖4 七段顯示器(溫度)之控制電路圖 圖5 七段顯示器(時間)之控制電路圖 圖6所示為本系統語音模組之控制電路圖。主要是用來發出提示/警示語音之用。控制方法有很多種,本裝置是採用普通直放介面,語音模組上的P7接腳與微控制器的PA.4腳連結,低電位時會從SD卡內儲存的檔案播放輸出。 圖6 語音模組之控制電路圖 圖7所示為本系統音頻放大器模組之控制電路圖音頻訊號之輸出,採用TDA7266音頻功率放大模組進行聲音放大之功能,利用語音模組的HPR與HPL接腳傳送音訊資料,並將喇叭的正極與負極與音頻功率放大器模組的OUT1+及OUT1-上,透過音頻放大器將語音模組的聲音放大後播放出來。 圖7 音頻放大器之控制電路圖 圖8所示為本系統自動加冷熱水之控制電路圖,是由繼電器、電晶體與沉水泵浦所組成,在使用者按下放水按鍵後,微控制器的PH.4、PF.5會送出低電位訊號使得繼電器的COM腳與NO腳連接形成一個迴路,此時相對應的冷/熱水泵浦就會將冷/熱水桶中的水抽出來,然後經由高壓軟管傳送至水龍頭,再流入浴缸中。當停水按鍵放下後,就會停止放水。 圖8 自動加冷熱水之控制電路圖 圖9所示為藍牙模組(FBT06)之控制電路圖,是採用UART串列通訊介面,其中藍牙模組的TxD與RxD分別接至微控制器的PA.1(Tx)與PA.3(Rx)接腳,二者之間的傳輸速率為9600bps,串列資料的傳輸格式為8位元數據、無極性位元與1個停止位元。微控制器要將資料傳送給手機或接收來自手機的訊息之前,藍牙模組必須先與手機連結,同時手機上的App程式也要先撰寫好。 圖9 藍牙模組之控制電路圖 圖10所示為紅外線發射/接收器之控制電路圖,總共有三組主要是用偵測浴缸水位的高/中/低。其中第一組的紅外線的接腳C接至微控制器的PB.5接腳,第二組的紅外線的接腳C接至微控制器的PB.6接腳,至於第三組紅外線的接腳C則接至微控制器的PB.7接腳。 圖10 紅外線發射/接收器之控制電路圖 當浮球處於紅外線發射器與接收器之間時,因紅外線被遮斷,導致接腳C為高電位,則接收器的C接腳會輸出一高電位的訊號給微控制器的PB.4接腳,反之若紅外線接收器沒有被浮球遮斷時,則紅外線接收器的C接腳會輸出一低電位的訊號,微控制器在接收到C接腳的訊號時,會依據其準位來進行相關的控制,藉此可判斷出浴缸中的水位為高/中/低水位。 居家浴室管控裝置結構 圖11所示為「居家浴室管控裝置」的系統架構方塊圖,本裝置是利用微控制器來控制周邊諸如,沉水泵浦、防水型溫度感測器、紅外線接收器、紅外線發射器、雨滴感測模組、七段顯示器、語音模組、音頻放大器模組、水位LED、藍牙模組及手機等元件,以完成整個系統的運作,本系統的控制描述如下所示。 圖11 居家浴室管控裝置之系統架構方塊圖 首先當居家浴室管控裝置啟動時,系統會透過使用者按按鍵後,開始放水,並透過浮球遮斷紅外線接收模組,感應浴缸水位的低/中/高,當浴缸水位以至低水位時紅色LED亮起,中水位時黃色LED亮起,低水位時則綠色LED亮起,同時溫度感測器,感測浴缸水溫溫度,並顯示在七段顯示器上,上述兩項皆會顯示於手機App上。 溫度偵測若水溫太高則放冷水,太低則放熱水。如果浮球遮斷高水位紅外線接收模組時,系統會停止放水,若沒有則繼續放水。當系統停止放水時,語音提示洗澡水施放終了,啟動計時功能開始計時,並顯示在七段顯示器上,系統計時30秒之後,計時器會關閉,此時語音會發出提醒語音,提醒使用者,洗澡時間過長。當使用者在洗完澡要走出浴室時,若浴室地上有潮濕或積水的狀況時,語音模組將會警示地上濕滑請小心。  居家浴室管控裝置測試方法 「居家浴室管控系統」其中相關元件有沉水泵浦、繼電器控制盒、防水型溫度感測模組、紅外線發射/接收器、七段顯示器、音頻放大器、語音模組、喇叭、藍牙模組與LED 等元件,這些元件的成果展示如下(圖12)。 圖12 居家浴室管控裝置的完整成品照片 首先為具自動加冷熱水與溫度感測之測試方法(圖13)。首先開啟電源,按下放水按鍵或手機的放水鈕後,沉水泵浦會開始抽水到浴缸中。防水型溫度感測器偵測到的水溫會顯示於七段顯示器上。接著防水型溫度感測器偵測水溫,水溫太高則放冷水、水溫太低則放熱水;若水溫介於高與低之間,同時放冷熱水。當水位到達高水位時,浮球遮斷紅外線發射/接收器,系統會自動停止放水。 圖13 1為浴缸中水溫,2是自動切換加冷/熱水;3則是浴缸中水位到達高水位。 圖14為語音提醒/警示功能之成果展示當紅外線偵測到達高水位後,語音裝置(語音模組+音頻放大器+喇叭)會發出語音「洗澡水已經放好了」,以提醒使用者;緊接著系統便會開始計時,計時時間到了,語音裝置會發出語音「洗澡時間過長」,以警示使用者。當雨滴感測模組偵測到地板濕滑,語音裝置會發出語音「地上濕滑請小心」,以警示使用者。 圖14 語音提醒/警示 圖15為具自動偵測水位高低與計時功能之測試方法,當壓克力圓管中的浮球介於紅外線發射/接收器之間時,因紅外線被遮斷,可藉此得知浴缸中水位的高/中/低,因浮球介於第三組紅外線發射與接收器之間,所以為高水位。另外,當水位到達高水位後,系統會開始計時洗澡時間,目前以三十秒代替三十分鐘。        圖15 低/中/高水位指示燈點亮及洗澡時間設定為30秒 (本文作者皆為台北城市科技大學學生,指導老師為劉銘中教授)
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提升彈性/簡化分工 OC SSD升級儲存容量/速度

圖1是一個共享儲存系統示意圖,底層的硬體儲存裝置是由許多固態硬碟(SSD)所聚集起來,在其上有一個儲存管理的軟體,這個軟體負責管理分配底層的SSD空間和頻寬,來提供上層各個不同應用所需的儲存服務。因此,擁有資料中心(Datacenter)的雲端服務業者(Cloud Service Provider, CSP),以及提供企業儲存方案的系統整合廠商(System Integrator, SI),都在尋求更具經濟效益和彈性維運效率的儲存架構來滿足眾多應用的需求。 圖1 共享式儲存集結許多硬體儲存裝置(如SSD),經由軟體管理分配,提供不同應用所需的儲存服務。 雲端服務業者提供給使用者許多應用程式和雲端儲存服務,種類多樣且變化快;企業儲存方案的系統整合廠商使用服務相對有限和固定,但對於儲存的優化需求也一樣存在;再者,現今NAND Flash技術發展迅速,3D NAND Flash堆疊層數增加帶來更高的單位體積容量以及更低的單位容量成本,良率也趨於成熟穩定,因此造就NAND Flash的迭代時程越來越密集,而基於新的NAND Flash技術的SSD產品更新也就越頻繁。 但每一個新的SSD產品要導入,就必須進行一輪嚴謹漫長的測試驗證,完成通過後還有繁複的SSD上線實測應用的過程,這些都是數據中心維運的隱性成本,也是一大困擾。最後,由於數據中心對於SSD的使用量越來越大,而數據中心也遍布全球,除了要避免受限於少數SSD供應商,也要避免受限於基於單一或少數幾家NAND Flash廠商的SSD產品,才能有更好的議價能力,也才能分散採購備貨風險(特別是在NAND Flash短缺的情況下)。 綜合以上所述,數據中心期待的儲存架構要能滿足以下特性,以降低整體維運成本(Total Cost of Ownership, TCO)。 .具有優化彈性、能快速導入、開發新功能的儲存架構。 .跟隨新的NAND Flash技術演進,減輕驗證工作、縮短導入上線時程。 .採用適配各家NAND Flash的SSD方案,以達到供應鏈的多元化。 Open Channel SSD架構/概念解析 Open Channel SSD正為上述的問題帶來解決方案。以下簡要說明OC SSD的概念和架構。 如大家所熟知,SSD上的控制晶片需要有一套韌體(FW),來管理主機(Host)端寫入的數據如何存放於NAND...
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微米級精密組裝/軟板插件走向自動化 力覺感測技術不可或缺

力覺感測技術就是讓機器手臂也能勝任軟板/纜線插件、微米級精密組裝等「細活」的關鍵。藉由力覺感測,手臂能感知其所接觸的物件反饋給機器手臂的力量,同時也讓手臂得以精準地控制其對工件所施加的力道。這不僅讓手臂得以勝任各種需要纖細力道控制的工作,對容易破碎的物體進行作業,也讓手臂能夠精準地把工件插入孔位。 力覺感測結合手臂的特殊考量因素 對機器手臂而言,除了機器視覺之外,力覺也是一個很常見的配套感測技術。但相較於視覺,力覺感測屬於接觸式感測,因此力覺感測的設計開發要顧慮到許多機械結構的因素。 雖然力覺感測的技術流派眾多,但大致上都可用彈簧跟阻尼的概念來理解,因此,當手臂上的力覺感測器受到一股外力作用時,感測器會有程度不一的變形。 除了感測器本身的變形外,另一個會影響到感測器運作的機械性因素是感測器跟控制器的配線。目前市面上絕大多數的機器手臂若要搭載力覺感測器,都是用外掛的方式加裝在手臂上,感測器與控制器之間的連接線纜則裸露在手臂本體外。因此,若配線時沒有保留適當的裕度,手臂伸縮運作會拉扯到配線,使力覺感測器受力,從而影響力覺感測器的讀數。 圖1跟圖2是兩種力覺感測器整合在機器手臂上的配線方式,圖1是完全外露的配線方式,圖2則是讓線路在機械手臂內部走線。在由圖2可看出,在設計時就考慮到整合力覺感測器需求的機種,像是愛普生(Epson)的C8系列機器手臂,在配線上會相對輕鬆許多,因為裸露在外的線路很短,不太需要擔心手臂運動會拉扯到線路,影響力覺感測。 標題 標題 除了機械性因素外,感測器本身的噪訊水準,也是影響感測器精準度的一個重要因素。為了獲得更好的解析度,感測器本身的噪訊水準必須非常低,否則訊號會被雜訊蓋過。 簡化開發/降低成本 統一軟硬體平台有大用 不可諱言的是,力覺感測是一種成本較高,應用上也有比較多因素需要考量的技術,因此,目前力覺感測在產線上的運用還沒到十分普及的地步。如何降低門檻,遂成為手臂/力覺方案供應商必須面對的課題。 就如同機器視覺跟機器手臂採用統一平台,可以帶來很顯著的效益。力覺跟手臂供應商如果能預先考慮到整合應用的需求,在產品設計時就提出完整的對策,也可幫用戶跟系統整合者省下許多麻煩。前面提到,在手臂本體上預留力覺感測器的連接介面,就是一個很顯著的例子。 不過,如果是只提供機器手臂或力覺感測方案的業者,要在產品設計階段就有這麼周延的考量,其實有實務上的困難,而這也是由單一供應商包辦整套方案的優勢所在。 以愛普生為例,在硬體面,除了手臂上預留連接介面之外,如果能直接在手臂控制器上內建力覺感測器介面,就有機會幫使用者省下額外採購力覺感測處理器的成本。如果是在比較單純的應用情境,例如一支手臂搭配一顆力覺感測器的狀況下,愛普生的手臂控制器(CU Controller)可以透過安裝介面卡的方式,直接與力覺感測器建立連線。但如果應用需要用到多顆力覺感測器,則可以採用額外的一對多處理器,再與手臂控制器連接(圖3)。 標題 在軟體整合層面,如果手臂跟力覺感測器來自兩家不同的供應商,系統整合者(SI)或製造業者內部的自動化工程團隊,也很難期望能用同一套開發工具為手臂跟力覺編寫控制程式,資料拋轉也會是個蠻麻煩的問題。但如果手臂跟力覺來自同一家供應商,不僅開發工具統一,甚至連程式撰寫都會變得相當輕鬆。 事實上,對愛普生手臂跟力覺的軟體整合者而言,手臂跟力覺的整合是非常直覺的。使用者甚至只須在既有的手臂控制程式後面加上一段力覺描述,就能完成軟體整合。使用者也可以把力覺感測宣告為某種手臂動作的觸發條件,當力覺感測器感應到對應的力量訊號,就能指揮手臂進行對應的動作。 此外,為了簡化手臂控制程式的編寫,有些機器手臂業者開始推廣手動教導式編程的概念,也就是用人手拉著機器手臂,讓機器手臂自行紀錄其運動軌跡,以取代傳統的程式編寫。這種做法在協作型機器手臂上很流行,但工業手臂搭配力覺感測器,其實也可以實現類似的功能。在手動教導模式下,手臂運動是外力(人手拉動)所造成的,故手臂上只要有力覺感測器,能一五一十地記錄下手臂本體所受到的外力大小、方向,也能做到類似的功能。 力覺感測拓展機器手臂應用範疇 對電子產品的組裝作業來說,使用整合了高解析度力覺感測器的機器手臂,最大的優勢在於可以執行十分高精密度的插件組裝作業。此外,在高解析度力覺感測的輔助之下,有些至今仍必須採用人工插件的作業程序,也可以改由機器手臂執行。 在高精度插件應用方面,由於許多電子終端產品都越來越小巧,因此其連接器跟板卡之間的空隙或公差,也跟著縮小到數十微米等級。在這種情況下,即便用人力來插件,也未必能有很高的作業效率,因為板卡跟連接器之間的縫隙太小了,如果插入的方向稍微有點角度偏差,就會無法插入。 但整合了高精度力覺感測器的機器手臂,在夾持工件插入連接器的過程中,會不斷感測到接觸面施予工件的反作用力,並藉此不斷調整其插入的角度,正確地完成插件作業。如果在連接器母座上有導角設計,還可以發揮引導手臂尋找孔穴的效果,加快組裝作業的速度。根據愛普生的測試,整合高解析度力覺感測器的手臂,即便公頭跟母座間的公差或縫隙只有1條(10微米),也可以順利執行插件作業。 另一個插件應用的案例則是傳統電容的插件作業。雖然現在大多數電子產品已經不再採用帶有兩條插腳的傳統電容,改用晶片電容,但由於晶片電容的容值較小,因此某些應用還是得採用傳統封裝的大型電容。 就產品組裝來說,要在電路板上正確插入這種電容,最大的挑戰在於電容的接腳既長又軟,很容易受力變形、歪曲,因此在組裝時,往往還是得用人工插件來安裝這類電容。然而,在高精度力覺感測的輔助下,機器手臂可以先把電容的正極(長腳)插入電路板上的孔穴,然後再用力覺感測幫負極(短腳)尋找到正確的孔穴,完成插件作業。只要長短腳之間的開岔變形在容許範圍內,手臂就能完成自動組裝。 軟性電路板(FPC)、排線的組裝,目前也大多仍由人工進行,因為軟板、排線的插件作業對力道控制有相當的要求,而且插完後有時還要稍微回拉,以確定連接器跟排線/軟板已牢固接合。若要用機器手臂執行這種需要精準力道控制的作業,力覺感測技術可說是基本配備。 除了這些精密組裝之外,力覺感測還有其他的應用潛力,例如運用在軸承跟轉軸的組裝,或是工件的拋光處理上。 軸承跟轉軸的組裝有時需要用恆定的力量持續推動轉軸,使其穿過軸承,這時力覺感測就能派上用場。在拋光作業方面,現在普遍的作法是讓手臂夾持著工件,按照固定的路線跟角度,讓工件與砂輪機產生接觸。但這種做法無法確定工件跟砂輪機接觸的力道,當砂輪隨著時間出現磨耗,工件的拋光效果會慢慢變得不如預期。若是有力覺感測技術輔助,則工件跟砂輪接觸的力量便可一直保持在恆定狀態。 慢工出細活 手臂動作速度將受限制 對製造業者來說,機器手臂的動作速度越快,則生產線的產能越大,因此製造業者在使用機器手臂時,往往會希望手臂無時無刻保持全速運轉狀態。然而,如果要用機器手臂做精密組裝,則手臂運作的速度會受到一定限制,因為「慢工出細活」這句話在機器手臂上面也同樣適用。 對力覺感測器來說,手臂運動所產生的加速度,其實是一種干擾訊號。因此,若想用搭載力覺的手臂來做精密組裝,手臂的加速度不能超過精密組裝所需的力覺解析度門檻限制。這也意味著手臂在做精密組裝時,動作必然要放慢。因此,製造業者若有精密組裝的需求,在此作業階段可視產能需求,多設幾個平行工作站來避免精密組裝成為產線的瓶頸。 另外,將自動化生產納入考量的設計觀念(Design for Automation, DfA),在未來也會越來越受到重視。一點小小的設計變更,就能讓機器手臂作業變得更順暢。DfA是一個跨部門,跨產業的議題,需要各方通力合作,才能找到理想的解決方法。 (本文作者任職於愛普生)
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數位連續性/數位雙胞胎新思維發酵 智慧製造應用加速落地

無論是將其稱為工業4.0還是「智慧製造」,全球專家都一同在關注如何從智慧設備中獲得資料並加以分析,進而改善他們的產品以及製造產品的過程。這種方法的優勢包括提高效率與降低成本,並且能夠透過個性化解決方案迅速回應市場波動。 然而,在這場工業4.0的長跑中,許多製造商都被自家資料作繭自縛。儘管這些老舊過時的系統在部署之初代表了當時最先進的水準,但它們的資料通常必須在下游的某個系統或多個系統中重新建造。因此導致資料複製和不一致性對深度分析資料造成了阻礙,也為現代製造業帶來各種弊端。 「數位連續性」是此症狀的解藥,現在的所有權模組(Ownership Model)、燃料種類與駕駛自主程度發展快速,推動汽車製造商應對日益繁雜的產品組合,因此數位連續性的概念成為了關鍵。 數位連續性是我們在21世紀的數位世界中所需要的核心特色。如果我們毫不知情地使用已被新設計淘汰的版本,代價將會十分慘痛。如果生產部門明知道設計無法被正確製造或以合理成本製造,那麼工程部門遞交設計時也將同樣付出慘痛代價。如果我們對機械設備之間的溝通毫不知情,那麼將會造成重大製造事故。 孤立性資料使產業價值鏈複雜化 據麻州一間專門分析數位轉型的商業諮詢公司LNS Research表示,所有類型的製造商都已意識到目前的難題。在2015年「The Global State of Manufacturing Operations Management Software: Weaving the Digital Thread Across Industrial Value Chains」的研究中,LNS對北美、歐洲和亞太各種規模的離散式與流程型製造商進行了調查。 研究發現,受訪者反映最多的兩大營運難題都與數位連續性的斷層直接相關。48%的受訪者表示部門之間缺乏合作,而39%的受訪者表示離散式系統與資料來源之間欠缺互通。 約38%的受訪者認為,供應和需求鏈之間的合作困難,因為製造業表現指標的即時透明度不足,缺乏持續改進的文化與流程,而數位連續性有機會解決以上所有難題。 LNS研究亦指出,在持續不斷的資訊流支援下,來自各部機構的營運決策,如品質問題、資產管理、會議耗材、客戶意見等資訊,都能支援訪問並與相關企業及部門具體決策合為一體,促進生產力、品質、利潤等關鍵績效指標的總體提升。 原有系統差異性造成資料混淆 前福特汽車全球製造部執行副總裁暨現任佛州麥爾茲堡獨立汽車諮詢顧問John Fleming指出,隨著工業4.0被廣泛接受,汽車產業認識到原本系統所帶來的難題,但尋求臨時解決方案的想法仍然強烈。 重要系統的異動帶來成本和投資方面的問題,往往造成不夠周全的決策。根據現代技術而言,我們是否付出足夠的努力去辨別技術能為哪些領域帶來機遇?有時候人們並未完全理解那些商業案例。 風險的威脅也是持續不斷,汽車製造商無法承擔採用不同機制結果卻一敗塗地的代價,他們面臨極大的壓力,所以和完全顛覆現有方式相比,淺嚐即止的改變較為容易。然而,仍有許多人認為先完成產品開發,再給製造部人員生產同樣可行。 數位連續性保障資訊完整 數位連續性能夠打造出一套獨特、權威且具一致性的資料來源,貫穿從概念到設計、工程開發、製造與售後服務的整個產品生命週期。 數位連續性背後的理念在於,仍然保持由產品開發到產品營運和支援的時序進展,然而各階段中的資訊能夠實現相互整合。例如在產品開發階段,產品的設計不僅需要滿足功能要求,還要符合可製造性與可支援性。有關實際可製造性的資訊回饋到工程開發階段,便於解決未來潛在的製造可行性問題;有關產品實際效能的資訊回饋到工程開發和製造階段,便於改進對產品及其製造可行性的評估。 數位連續性能帶來巨大影響的一個領域就是資訊保障。如果經銷商需要為消費者進行零件替換,他們要向製造商收費,而製造商又要向供應商收費。現在的問題在於,如何能夠運用現場的數據,不僅要用於成本調整與會計,還要將數據發回零件開發流程。這樣製造商的下一代產品就不會發生同樣的品質問題。 幸運的是,藉由推動數位轉型的技術實現數位連續性已不再困難。由於能夠和汽車製造商已部署的原有系統平穩交流,此類技術還能避免風險因素。 例如,精密的數位平台現在已搭載了強大的搜尋引擎,能同時運用原有系統中儲存的結構化與非結構化資訊,該平台可搜尋企業所有系統的相關資訊,在編譯之後以資料和預測分析的形式呈現給客戶。無論是來自OEM或供應鏈合作夥伴的授權使用者,都能看到同樣的資料,並針對每個人的具體功能需求調整格式。隨著下游產生的變動,呈現給使用者的資料也會不斷更新,進而確保數據的準確性與時效性。 以傳統方式手動蒐集數據並針對關鍵利益方傳遞分享,這種方式不但無法持續且收益迅速減少。現在的技術可支援涵蓋由設計到工程開發、製造、傳遞及服務的整個產品生命週期資訊整合,能夠採用比以往更快、更準確和更高效率的方式,透過一個數位化模型將可運用的即時資訊傳送給需要的部門。 數位雙胞胎改善企業營運 另一方面,現今有遠見的企業也正以「數位雙胞胎(Digital Twins)」的方式運用營運數據及虛擬模型。 世界各地的製造商在設備中納入感測器與通訊功能,用於即時資料的蒐集。其中,最先進的設備可以將採集到的資料提供給分析師所稱的數位雙胞胎,在使用中的設備和用於開發這些設備的3D模擬之間形成即時回饋迴路。對於如何將此構想運用在改進善客戶體驗,本文亦針對幾家公司進行了研究調查。 由芬蘭動力系統大廠瓦錫蘭(Wärtsilä)設計和製造的四衝程柴油發動機能為70個國家的遠洋貨輪和遊輪提供動力。瓦錫蘭發動機的壽命通常為25~30年,為世界上最大型的發動機。2015年版「金氏世界紀錄」也將瓦錫蘭發動機認證為世界最高效率的發動機。 而瓦錫蘭是如何做到的?於上世紀70年代初,瓦錫蘭就意識到每台巨型發動機構建物理原型(用於發現和杜絕錯誤)的成本非常昂貴。因此該公司率先採用了先進的3D建模和模擬技術,實現了能夠「一次性成功」製造的發動機設計。 瓦錫蘭數位設計平台經理Juho Könnö表示,船艇產業採用模擬的是一種水到渠成的發展方式,模擬在很大程度上就是不斷地逼近現實,運用模擬時,可以更理解產品以及真正需要關注的問題。 今日,瓦錫蘭利用安裝在每台新發動機上數百個感測器所提供的現實效能數據,不斷強化自身模型與模擬,創建出重現實際工作條件下的數位雙胞胎模擬(圖1)。在使用支持科學準確性的3D模擬時,此類數據能夠幫助力瓦錫蘭的專家顯示具體發動機的使用方式並操作「假設」場景,尋求改善效能的機會。根據分析,瓦錫蘭能夠提出設置和操作參數的調整建議,幫助船商更順利的操作自己的發動機。 圖1 瓦錫蘭利用安裝在每台新發動機上數百個感測器所提供的現實效能數據,不斷強化自身模型與模擬,創建出數位雙胞胎。 另外,瓦錫蘭還能將已確認的設計改進並納入未來的發動機設計。Könnö表示,從實體發動機取得資料對開發模擬而言至關重要,儘量運用模擬去調整校正發動機。相反地,該公司還利用模擬模型探索發動機哪些地方適合測量參數,這是一種相輔相成的應用。 數位雙胞胎已成趨勢 在全球各地,其他創新型企業也正在努力將自身產業達到類似的應用水準。透過將迅速增強的運算能力、配備感測器的機械設備和透過物聯網實現的即時資料採集與分析結合在一起。這些企業正將智慧3D模擬提升到新的水準,大幅度改進設計和建造流程、製造環境以及客戶互動的成效。 因此,資訊技術諮詢公司Gartner將「數位雙胞胎」評為2017年十大戰略科技發展趨勢之一。「數位雙胞胎」概念即透過各種先進軟體工具的使用,在虛擬環境下真實再現客觀世界的場景,透過強大的模擬技術來進行模擬、驗證,盡可能取代傳統比件進行驗證的方式,以降低研發成本。雖然大多數企業還沒有達到瓦錫蘭的先進水準,但其他產業的競爭者也在追尋連續回饋與實驗的虛擬-現實迴路的優勢。 以賽車為例子,法國永馳集團(Everspeed Group)的設計生產部門Onroak Automotive正在開發為期三年的專案,希冀徹底改變自行生產汽車、培訓機械師和車手以及管理利曼車賽的方式。利曼車賽(Le Mans)是世界上歷史最悠久的汽車耐力賽,目前該專案已進入第二年。這項年度賽事要求參賽車輛連續行駛24小時,完成12圈賽道。賽道是由封閉公路和一條環形賽道所組成。 即便是極小的優勢也能決定勝負,Onroak...
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3D NAND BiCS3新血注入 PCI-e SSD進攻企業儲存市場

當各家SSD控制器供應商在產品設計屢屢推陳出新、技術愈臻成熟穩定時,SSD也開始跨足企業儲存市場。迄今最新支援PCI-e介面的SSD應用控制器足以支援PCI-e Gen3×4,傳輸頻寬近32Gbps,遠遠超越過去SATA3.0的6Gbps頻寬,預期PCI-e SSD需求會愈來愈高,甚至有機會取代SATA SSD,也是時候順勢進入企業儲存市場,因應市場應用隨之推出適合的PCI-e SSD。 企業儲存常見的三個應用範疇分別是內容傳遞(Content Delivery)、虛擬環境(Virtual Environments)和資料庫管理(Database Management),根據其市場而個別引進強調讀取、專注寫入或讀寫兼具的SSD(表1)。藉著內容傳遞作為商業模式的市場如網路服務、雲端運算和Metadata加速搜尋市場等,採用的SSD儲存裝置著重讀取速度和延遲(Latency)效能;虛擬環境下的虛擬平台同時要求隨機讀寫IOPS(Input/Output Operations Per Second)和低延遲,適合選用讀寫兼具的SSD;至於資料庫管理如資料中心強調資料記錄與備份,寫入取勝的SSD更容易脫穎而出。 整體來說,企業儲存市場對SSD儲存裝置之要求相對於消費型市場更為嚴謹,除了速度考量之外,其他像是儲存服務品質(Quality of Service, QoS)、企業等級資料保護技術和內部傳輸端資料保護(End-to-End Data Protection)等規格,都是SSD控制器供應商需要達到其標準才有機會角逐企業儲存市場的一席之地,這幾項規格也將在本文後續逐一探討其重要性。 儲存服務品質穩定 SSD儲存服務品質意指SSD在特定時間內進行讀寫時,能夠維持穩定且一致的延遲時間(Latency)。換言之,儲存服務品質表示SSD處理資料指令時,從99%甚至到99.999%之信賴區間,不同信賴水準線能保證資料處理之回覆時間(Response Time),做為企業SSD儲存裝置評比之一。 然而,SSD採用的NAND Flash受其特性限制,往往在處理主機端(Host)資料時,也需要同步著手SSD內部背景管理(Background Management),諸如資料抹除(Erase)、碎片回收(Garbage Collection)、耗損平均技術(Wear Leveling)等,進而遞延整個SSD處理時間,甚至有可能產生高延遲異常值(Latency Outlier)、速度驟降等問題(圖1)。 圖1 高延遲異常示意圖 資料來源:群聯電子整理 因此,為了維持儲存服務品質之穩定與一致性,避免發生速度驟降或強烈震盪不穩等問題,SSD控制晶片需要最佳化分配內部資源與處理程序,以求有效降低處理後之回覆時間。常見的解決方式有三種,各是指令優先處理設計(High Priority Queue)、擱置資料抹除程序(Erase...
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數位/類比整合型MCU助力 血糖機降低血球干擾

血糖機是用以讀取血糖感測試片訊號並顯示所估測血糖值之必要裝置。因此血糖機檢測精確度的重要性於各國相關法規日趨嚴謹,如: 1.ISO15197對血糖機的要求標準,2013年版已經將≥100mg/dL量測值誤差規範從±20%下修至±15%,並規定業者在2016年全面落實。 2.美國食品藥物管理局(USFDA)於2016年10月公告更嚴格的血糖機檢測標準,公告中明確指出:血糖機送審測試樣本要求,除了原本不同血糖濃度範圍之樣本,還須增加來自不同血球容積比在不同血糖濃度下之量測干擾偏差數據。 人體血液血球容積比之個體差異相當大,紅血球是影響葡萄糖在血糖感測試片上經化學反應釋出電子擴散移動的物理屏障。因此血球容積比的高低,會使葡萄糖釋出的電子,在血糖感測試片中的擴散移動受到影響,進而導致血糖機量測血糖值的誤差量被放大。通常血球容積比偏高,會引起血糖機的讀值偏低;反之,積水或貧血病患的血球容積比偏低,則會使血糖機讀值偏高。而當實際血液中的血糖值偏低,但血糖機測量讀值卻偏高的情況,對糖尿病患者而言是非常危險的事情。 美國食品藥物管理局建議血糖機量測血糖值的血液樣本,其血球容積比的容許範圍為10%~65%,其具體意義指的是:血球容積比在10%~65%範圍內,血糖濃度≥100mg/dL量測值,其誤差量必須在±15%以內。 一般市售血糖機,通常都只單純量測血糖濃度,血球容積比則在35%~55%的範圍內,而忽略血球容積比對血糖量測的影響。如此做法僅勉強符合ISO 15197:2013版法規的要求,且幾乎都已接近界限值。而能夠符合新版FDA建議的10%~65%容許範圍的產品,目前市場上並不多見。 MCU為血糖機量測核心 血糖機是以微控制器(Microcontrol Unit, MCU)為核心,其周邊控制、演算法運算、資料儲存、數值顯示、錯誤資訊提示等,都需要透過MCU來完成(圖1)。 圖1 使用瑞薩RL78/L1A微控制器實現血糖機設計的系統方塊圖(淺色底色為血糖機高階功能) 唯有放大倍率電阻無法內建到IC內部,而血糖感測片配方不同,必須進行生物化學與電子電路的小訊號放大匹配,由生化方進行不同血糖濃度的血液測試,進而從數據中分析並找到最佳倍率。 當血液流入血糖感測片而接觸到兩電極後,由DAC提供穩定的反應電壓(0mV&100~500mV),此時血糖感測試片會在血液和酵素交互作用後,釋出電子產生電流。圖2中IGlu就是表示從血糖感測片所產生的電流,OPA電路為I→V功能,OPA Output端量測的電壓波形其實就是血糖感測片實際輸出的電流波形,而後,由ADC擷取電壓波形,各家血糖機廠商再從其中找出與血糖相關的轉換式,由MCU運算後得出血糖值,進而顯示在LCD上並儲存在RL78/L1A的Dataflash中(圖3)。需要注意的設計重點: 圖2 血糖量測的具體應用電路 圖3 血糖測值反應過程的訊號示意圖 .酵素溶解時段 此時段最重要的是DAC必須輸出非常接近0mV的電壓。因為酵素跟血液溶解的同時,也正在跟血液中的葡萄糖產生化學反應,若此時Working Electrode不是接近0mV的電壓,就會對化學反應產生干擾,而此干擾會造成之後在取樣時把量測誤差放大。 .反應及取樣時段 此階段由RL78/L1A的DAC輸出穩定電壓(通常為100mV~500mV)給血糖感測試片的Working Electrode。這就完全是客製化的設計,此電壓必須匹配各家血糖感測試片以及生化方測試方式的要求而給出不同電壓,甚至於不同的測試區間提供不同電壓。 血糖機系統設計RL78/L1A有優勢 對於一般的糖尿病患者,醫生通常一天會使用4次血糖機來量測血糖,高度使用者則一天會使用到7次(早餐前/後+午餐前/後+晚餐前/後+睡前)。若估計每次血糖量測時間為3分鐘,則表示就算是高度使用者,一天仍然只處於開機檢測運算狀態21分鐘。也就是說,通常血糖機在使用者身上,有99%以上的時間都處於待機狀態。由此可知,低待機耗電流對於血糖機系統設計而言是非常重要的特性之一。 RL78/L1A內部有一個非常省電的「32.768KHz RTC振盪電路」,此電路同時具備「省電」以及「起振穩定」兩種特性,此兩種特性使得血糖機在待機模式(RTC On)情況下,平均耗電流可低達「1.2uA~1.7uA」甚至更低,這是業界IC很難達到的效能。另外,RL78/L1A(80 Pins)周邊功能完整,可同時滿足高/低階產品功能需求。 RL78/L1A由於周邊功能相當完整,因此設計上非常靈活。高/低階血糖機可以採用模組化設計,使高/低階血糖機可以共同備料。雖然這些規格用在低階血糖機上會超出設計需求,但若客戶的重點放在共同備料時,RL78/L1A就會是很好的選擇。 在數位電路部分,ROM Size在Pin to Pin Compatible情況下可以支援48KB到128KB,倘若演算法過於複雜,設計者也不用苦尋另一顆IC。因為RL78/L1A在同Pin數的產品上提供不同的ROM Size選擇,而且Pin腳完全相容。 RL78/L1A內建的Dataflash有8K Byte,能夠直接省略一般血糖機必須外掛的EEPROM(24C64之類),除了省下外部IC成本,其他人欲破解Dataflash參數也更加困難,等於是保護作用又多了一層。 晶片內建高速振盪器(High-Speed on Chip Oscillator)能做到全溫域(-40~85℃)都維持±1%的誤差量,故其他周邊也相對穩定,因而在使用上也會更放心。 LCD有4/8COM選擇,再加上有Boost Level Control,在設計上也提供了相當大的靈活度。當產品需要更多LCD點數時,就可以選擇8COM的LCD。 此時Boost Level Control可以配合LCD所需電壓,使其在所選的Level維持穩定。這樣一來LCD的顯示效果也能擁有一定的品質。 在類比前端部分,Rail to...
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WCCA助電路設計評估 轉換器電流容限估算有訣竅

在本文涉及的分析中,對於電阻器、電容器和電感器,我們只考慮初始容限對元件參數的影響。此外,對於控制器,則僅考慮溫度和老化對其的影響,因為其所有參數都規定為-40℃至125℃範圍內的接面溫度,資料表限制包括老化試驗。本文將透過執行蒙地卡羅分析來估算轉換器在最差情況下的輸出電流極限。WCCA同時採用了幾組方法來分析系統容限: 極端值分析 極端值分析(Extreme Value Analysis, EVA)包括找到最大化和最小化系統/電路輸出(這裡指輸出電流)的參數,並將其效應進行堆疊,找到電路輸出的最差值。需要有明確的函數來描述系統輸出變數及其參數,以便推導出參數向哪個方向(最大/最小)變化會導致電路輸出的最差值。如果我們對系統有一個簡單合理的運算式,這就可以透過檢查來完成。但對於更複雜的、可能涉及非線性函數的運算式,要想確定最差的參數集可能就非常困難。針對這些較困難的情況,我們可能會採用靈敏度分析。 單調系統(Monotonic System)在最差情況下(最極端)的值會出現在當它所有參數在最大值或最小值處達到峰值時。因此,這種系統的EVA結果代表了其可能的最差性能特徵,故結果上可能看起來不樂觀。對於非單調系統,當所有參數被推到一個或另一個極端時,不一定能夠找到函數的最小/最大解,而當一些參數處於其範圍的中間時則可能會被找到。 靈敏度分析 透過靈敏度分析(Sensitivity Analysis)能夠瞭解每個參數(例如:VREF、Rsense、Lp等)對系統輸出變數(例如:Iout)的影響。電路靈敏度是衡量電路在所有其他參數保持不變時,如何對單一組件參數的增量變化做出反應。實際上,它需要找到與所有考慮到的變數相關的系統輸出的區別。當難以或無法透過檢查確定最差的電路參數組合用於極限值分析時,通常可採用靈敏度分析。 蒙地卡羅分析 蒙地卡羅分析(Monte-Carlo Analysis, MCA)是一種統計方法,通常基於電路模擬來評估系統的性能。它是對樣本資料系統的信賴區間的評估電路模擬程式(如SPICE)通常可為蒙地卡羅模擬提供腳本。該模擬包括遵循定義的機率分布(常態分布或均勻分布)為每個參數提供隨機值,並運行多次模擬,計算系統的輸出值。蒙地卡羅模擬通常會生成一個長條圖,顯示多次運行的輸出值散布情況。該長條圖通常看似高斯曲線(Gaussian Curve),模擬器也給出輸出平均值和標準差。可採用以下兩種方法之一對蒙地卡羅模擬的結果進行分析: 1.常態分布的容許區間 2.無分布容許區間 對於這兩種方法而言,分析結果將是一個輸出值的區間,代表與信賴水準相關的覆蓋率。 如果SPICE蒙地卡羅輸出不呈高斯分布,則採用無分布容許區間方法。在本文的案例中,這種方法的容許區間取決於抽樣進行N次測量或模擬得出的最小和最大資料值。測量次數N將設定信賴水準和覆蓋率水準。「e-Handbook of Statistical Methods」一文給出了計算所需模擬次數的方法,以便將最小和最大結果點作為給定的覆蓋率/信賴水準的容許區間。基於此,結果如下: 1.須進行2,456次模擬才能獲得99.73/99的覆蓋率/信賴水準 2.須進行1,439次模擬才能獲得99.73/90的覆蓋率/信賴水準 3.須進行388次模擬才能獲得99/90的覆蓋率/信賴水準 如果手頭只有一個桌上型電腦可用於模擬,進行2,456次和1,439次的模擬並不實際,因為一台桌上型電腦需要幾天的時間才能完成這麼多次PSR恒流返馳模擬,但388次模擬是能夠實現的。 為我們的系統配備一個分析模型能夠帶有一個MCA,比採用SPICE模擬器要快得多。事實上,與線性轉換器相反,PSR返馳是一個開關模式電源。首先必須進行瞬態模擬,直至達到穩定狀態以測量輸出電流值。Mathcad計算輸出電流分布只需幾秒鐘,考慮到2456或更多不同的值,而SPICE在瞬態分析中運行2,456次模擬則需要幾個小時。 為進行WCCA,我們需要確定研究中需要考量的參數。上一段中提出的分析模型包含能夠影響輸出電流的變數。圖1中總結了這些參數,顯示了返馳式恒流轉換器的原理圖,標注藍色的是研究中納入考量的元件或參數。另外,還要考量到傳播延遲tprop。 圖1 一次側穩壓恒流返馳式轉換器中用於研究最差情況下分析的元件 該研究的目標是計算給定輸入電壓和輸出負載下的輸出電流耗散,因此Vin和Vout被視為常數。匝數比Nsp也將被視為常數。對於控制器,我們將參考電壓VREF和至電流轉換器KLFF的線路前饋電壓視為可變參數。對於控制器周圍的元件,RBOU和RBOL是線路電壓感測電阻器,用於建立透過RLFF影響電流感測電壓的線路前饋偏移電流。 返馳式變壓器的一次電感和漏電感(Lp, Lleak),以及感測電阻器可直接影響電流設定點,因此它們也屬於研究範圍。 如前述,RCD鉗位電阻器固定了影響輸出電流的鉗位電壓,因此它也是研究所需要的。 此外,本研究只考慮了這些參數的初始容限(除上一段中解釋過的控制器參數)。目標是提供在轉換器使用壽命之初對輸出電流的預期範圍的估算。 表1總結在研究耗散時需要考量的元件。 下一步包括遵循特定的分布(常態分布或均勻分布)為每個參數生成具有隨機值的向量。為了能夠為每個參數選擇正確的分布,我們需要瞭解元件的製造流程或生產資料。對於控制器,我們具有這方面的知識,但對電阻器或變壓器就不具備。參考文獻表明,當參數的分布函數未知時,應假定為常態分布。另一方面,參考文獻建議在開始分析時對所有變數都採用均勻分布。最終,選擇將Rsense、RLFF、Rclamp、RBOU、KLFF、RZCDU、RZCDL、CZCD以及tprop指定為常態分布。 參數VREF經調整後可為輸出電流穩壓提供嚴謹的參考,因此,均勻分布將受此參數的影響。 我們考慮向量的維數為2,456個元素,這意味著軟體將為每個參數生成一個包含2,456個隨機值的向量。 要採用Mathcad定義常態分布,就需要知道所考慮參數的標準差。由於我們將影響電阻器和一次電感的常態分布,因此必須從參數的初始容限中提取標準差。圖2描繪了具有標準常態分布的隨機變數的機率密度函數(PDF)。標準常態分布是平均值為0、標準差為1的常態分布。可以觀察到,從常態分布中抽取的隨機值中,約99.73%與平均值相差+/-3個標準差(σ),即3σ準則。換句話說,隨機變數值超出平均值+/-3σ的機率是0.0027。可以將其作為起點,並將極限設定在+/- 3σ。基於此,可以將Rsense的標準差定義為: 圖2 標準常態分布   公式1 如果Rsense的隨機值遵循高斯分布,則99.73%的值在標準差的+/-3倍以內:對於Rsense,我們得出圖3中所示的長條圖。 圖3 感測電阻器常態分布 為繪製長條圖,Rsense陣列中的值被劃分為50個直方條。每個直方條的寬度約為1.4mΩ。垂直軸表示落入特定直方條中的值的數量。例如,約275個樣本處於2.9993Ω至3.0007Ω的範圍內。觀察此圖表,可以看到長條圖中某些值位於Rsense +/-1%範圍之外,即圖中Rsense,LL和Rsense,UL之外的範圍。由於製造商的規格也是統計性的,我們不能完全確定電阻值不會超出+/-1%的初始容許範圍,除非在生產時對電阻器100%都進行測試。如果100%的電阻器都經過測試,假設其為截略常態PDF就可能會更精確(圖4)。 圖4 鉗位在+/- 1%的感測電阻器常態分布 在定義了表1中提到的每個參數的向量之後,我們可以計算IL,pk和Vclamp的向量,最後獲得表示Iout可能值的長條圖,如圖5所示。我們可以提取Vin=162V、Vout=20V時的平均輸出電流及最大值和最小值: 圖5 輸出電流分布 -Iout,mean=479mA -σIout=4.99mA -Iout,min=465.3mA -Iout,max=492.2mA 產生的輸出電流分布並非高斯分布。因此,我們將採用無分布區間方法來闡釋結果。對於2456個樣本,輸出電流的區間為,覆蓋率/信賴水準為99.73/99。 最初,該設計的目標輸出電流為480mA:Iout,nom=480mA.最後,如果我們將Iout的精準度定義為與目標值Iout,nom的偏差,則:   公式2 公式3 考慮到控制器參數的溫度範圍為0到85℃,輸出電流容限約為+/-3%。為與模擬器進行比較,我們也採用分析模型來獲得輸出電流分布,為所有相關參數選擇了388個隨機值,從而得到99/90的覆蓋率/信賴水準,結果統整詳見表2。 為進行比較,採用Simplis執行了相同的操作,Simplis是專門用於處理開關電源模擬難題的模擬程式。Simplis與SPICE類似,其工作主要在元件級別,但其分段線性(PWL)建模方法使其能夠以10到50倍的速度對開關電路進行暫態分析(Transient Analysis)。 開發PSR控制器(NCL30082)的行為模擬模型是為了執行瞬態模擬以尋找輸出電流穩態值。蒙地卡羅分析會運行388次瞬態模擬。每次模擬都會將從常態分布或均勻分布中選出的隨機值分配給研究相關的參數。計算每次瞬態類比的50個開關週期的平均輸出電流,最終得到如表2所示的結果。 標題 模擬器直接計算388次模擬的輸出電流的平均值和標準差值。蒙地卡羅模擬持續大約2小時,而分析模型只需要不到1分鐘就能獲得388或2,456個隨機值的結果。可以看出Simplis的結果與分析模型得出的結果非常相近。 在構建特定的轉換器時,很重要的一點是要檢查性能波動,瞭解電路中所用元件的自然擴展情況。如果從主電源給LED串供電看似簡單,那麼要確保這些LED在最終用戶使用時能夠獲得經穩壓的、穩定的電流,則需要進行大量的統計分析。要想確保最高的產品品質,進行此分析極其重要。 (本文作者為安森美應用工程師)
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