技術頻道

以下為幾種目前較常見的3D列印技術： ．熔融沉積成型 ．光固化成型 ．燒結 ．噴射 各種技術適用於不同類型的材料，如塑膠、尼龍、陶瓷或金屬；因此，列印物件也具備不同的強度、彈性和成品表面，分別適用於不同的組合區域(從釐米到米)和特徵尺寸(從微米到毫米)。 選擇3D列印技術通常取決於所需物件的屬性。其次的考量因素是需要列印原型，或是大規模生產多種類型的成品。但無論哪種情況，都需要快速列印。 SLS 3D印表機利用高功率雷射將塑膠、尼龍和金屬固體粉末材料熔合在一起。當需要列印更加複雜的3D幾何形狀，例如內部特徵、底切結構或薄壁等，可以選擇SLS積層製造技術。粉末材料燒結通常能將機械特性和強度做到類似射出成型物件的程度。 在SLS 3D印表機中，雷射移動經過粉床平面，逐點燒結物體的一層。如圖1所示，粉輥會添加燒結一層所需的粉末量，並重複上述步驟，直到3D物件製作完成。3D印表機可使用高功率二氧化碳或NIR雷射來熔融塑膠、尼龍和金屬粉末。將數位微鏡裝置(DMD)作為曝光頭的一部分，使印表機能夠將2D區域暴露在近紅外光下，相較於逐點雷射控制技術，可更快速地列印更複雜的圖形。鑒於DLP晶片組的快速切換速度，這類印表機可根據應用需求即時調校像素功率或補償溫差。 圖1　SLS 3D列印製程。 雷射刻印於動態後期階段具可追溯性 雷射刻印包含光束與光膜或熱敏膜表面的相互作用，從而改變表面的屬性或外觀。它可用於印刷電路板(PCB)、塑膠瓶、醫療設備、金屬零件和紙箱等。普通的刻印資訊或符號包括2D矩陣或QR code、商標、順序批次數據和批號等。 長期以來，我們一直列印代碼和符號，但近期對於後期刻印和可追溯性資訊的需求正在蓬勃發展。在醫療和航太產業，法規要求每個零件上都要印上資訊。數位標記解決方案具有靈活性，可在製造過程的後期階段為每個物體加上獨特的圖案或影像資訊。無論是列印關鍵的批次標識，或是有趣的客製化標記，製造商皆能輕鬆整合動態資訊並簡化大規模生產的列印物流。 熱轉印系統與雷射燒結類似，如圖2所示，它們都是透過逐點控制雷射光束在熱敏標籤或塗層上製作客製化影像。但是，採用DLP技術的雷射印表機透過動態2D近紅外光模式熱啟動物體，一次即可在整個照射區域內完成刻印，而不須要逐點進行。由於數位微鏡裝置(DMD)上的微鏡片可以微秒速度非常快速地開關，列印速度通常能夠滿足生產線週期的時效需求，即使是複雜的大型代碼或圖案也毋須擔心。另外，DLP技術還支援灰階影像，大大豐富了圖形列印效果。 圖2　熱轉印技術製作的客製灰階標籤。 柔版印刷可不間斷製作連續圖案 柔版印刷是在捲筒印刷機上，將柔性光聚合物印版包裹在旋轉圓筒上。著墨版面有略微凸起的圖像，在高速旋轉過程中將圖像轉印到物件上。柔版印刷油墨可用在廣泛類型，包含吸收性材料和非吸收性材料上的印刷。柔版印刷使用的卷材在大量印刷時幾乎可無間斷地運行，並能製作連續圖案，例如柔軟物體材質的包裝，圖3為柔版印刷包裝的範例。膠片印刷採用了類似的影像轉印概念，但一次只載入一張紙或一項物體。 圖3　柔版印刷可無間斷製作連續圖案。 圖4　產品包裝上柔版印刷的標籤。 圖4所示，包裝市場上大量仰賴工業印刷機在產品標籤、瓦楞紙、折疊紙箱以及食品袋等柔軟材質上進行印刷。 數位列印解決方案與印版機器正展開激烈角逐，並有望在未來日益普及。數位列印機器具有不受數量規模影響的客製化優勢，且列印速度更快，機器維護成本更低。 從印版轉向數位列印的一項別具意義的例子是PCB光刻市場。在過去十多年間，PCB光刻機已經從掩模轉換到數位直接成像，用於在各種光刻膠層上繪製精細的圖形。DLP技術是數位光刻的關鍵，原因在於DMD兼具大型微鏡陣列、小尺寸和極快的數據傳輸率，促成了以微秒計的成像週期，可滿足每小時印刷數百張PCB板的需求。 DLP技術為雷射刻印帶來的優點，也適用於新的數位列印系統設計。舉例來說，動態2D近紅外光模式可與圓筒或著墨版面直接相互作用，從而即時製作定製的列印影像。透過程式設定微鏡的開關時間，DMD可輕鬆實現多位元深灰階成像。這與顯示應用類似，但與普通的60或120Hz投影格率相比，它具有更快的圖像幀率，以德州儀器(TI)的DLP650LNIR為例，其幀率可高達12,500Hz。 數位製版效率/一致性高 印刷產業中，實體印版是印刷機的關鍵零件，決定了在媒介物上的印刷內容。許多印刷機上都會用到印版，如柔版印刷機和膠印機等。製版的類比流程包括聚合物基材、底片內容、紫外線曝光和沖洗。 近年來，數位製版已逐漸普及，這種製版技術透過電腦引導的雷射將影像直接蝕刻到印版上。數位化處理可縮短製版時間，提升一致性並減少缺陷，進而降低成本。從效能的角度來看，數位列印還改善了定位和邊緣列印的可重複性。在將DMD用於引導雷射曝光系統的一部分後，可增加雷射照射2D區域的曝光能力，可以更快地製版，並融入含灰階的複雜影像。 DMD是DLP技術核心的一種微機電系統(MEMS)。DMD包含具有高度反射性的鋁微鏡陣列，該陣列可控制空間內的光線。在高功率雷射應用中，DMD的功能帶來許多優勢。 如圖5所示，DLP650LNIR DMD支援從950~1,150nm NIR波長範圍內最高光功率處理能力(500W/cm2)。可從像素值調整多種光學功率，並支援更快速成像的單次曝光高速2D模式。此外，動態微鏡程式能夠補償可能出現的任何處理偏差，例如衰減功率或曝光值，來克服表面不均勻性造成的偏差。 圖5　DLP650LNIR 0.65英寸WXGA高功率DMD。 DMD可同步控制一百萬光點 採用X乘Y微鏡陣列，能增強雷射曝光系統的可程式性和靈活度。一次雷射照射的2D區域曝光能力讓列印複雜的影像速度比逐點雷射控制系統快速。將光學影像壓縮技術與DLP晶片組結合，可以根據不同的應用需求增加或改變每個像素的功率。DLP650LNIR具有1280×800(或一百萬以上)個空間光調製微鏡。這些微鏡尺寸為10.8μm，可以低於50μm的解析度列印特徵影像，而不會使圖像縮小。 DMD支援NIR波長 如圖6所示，DLP技術可與各種光源配合使用，支援紫外線、可見光和NIR波長。DLP650LNIR DMD可與800~2,000nm波長範圍內的光源結合使用，但能針對950~1,150nm波長範圍進行優化，因而可處理134W/cm2的輸入功率。因多種粉末、油墨、介質、基體和熱敏塗層都能與NIR雷射波長相互作用，因此NIR雷射可廣泛應用於燒結、標記、編碼、數位印刷和剝離等。DLP650LNIR為這些應用增加照明、曝光和熱控制功能。 圖6　DLP技術在363到2,500nm波長範圍內的能力。 DMD的微鏡開關切換速率非常快，以微秒計。DLP650LNIR與DLPC410控制器、DLPR410可程式唯讀記憶體和DLPA200驅動程式配套使用，構成完整的晶片組解決方案，可提供12,500Hz的二進位模式刷新率。               高速模式刷新率可透過程式設計即時在生產線上客製複雜圖像。也可如圖7所示，利用自我調整模式，用於先進的列印技術或校正內嵌圖像。 圖7　可調適模式下的單微鏡控制。 數位控制器提供高位元深度 DLP微鏡能生成8位元灰階影像，如圖8中的圖像所示，其生成速度大於每秒1,000個圖案。因此能藉由數位控制灰階功能，這一點是逐點雷射系統幾乎做不到的。控制像素和模式持續時間的設置，意味著每種模式的工作時間均可控制光線擊中物體或材料的光點數量。也就是列印高像素(High-dots-per-inch, DPI)的圖像，預熱粉床以便更均勻地燒結，或提供高度準確的模式來燒蝕缺陷。DLP技術帶來時間和空間光控制功能，可製作工具套件，如工業印刷、標記、編碼和燒結工具。 圖8　DLP技術支援8位元灰階圖。 如果把高功率照明與DLP技術整合在一起，那麼管理DMD的溫度將會至關重要。光引擎設計應使微鏡陣列的溫度維持在70℃以下及DMD封裝背面溫度在30℃以下。在高功率雷射的系統設計時，針對DMD背面進行水冷，是一項關鍵要求。如果要獲得最高的輸出功率，則還需要強制氣流通過DMD的正面。 開始設計後，使用者會瞭解雷射源的功率，以及需要曝光或與預期材料相互作用所需要的能量。如果在設計中運用DLP晶片，有些地方將發生光效率損耗。主要位置會是輸入照明光學零件、DMD和輸出投影光學零件。   舉例來說，該設計會在DMD中損失25%的光線，光學元件輸出會損失17%。如果設計值為160W的DMD入射功率，那麼DMD輸出功率為120W，最終將有100W的能量從投影光學零件輸出並擊中物體或表面。在1280×800像素上分布100W能量，則相當於每個像素功率為0.1mW。 這些只是在特定光學引擎設計的估計值，但它們為如何確定每像素功率提供了指南。 如圖9所示，影像壓縮是一項用於提高每像素功率的技術。例如，如果採用1:16的壓縮率設計輸出光學零件，要達到在材料表面1280×50行(而非1280×800行)微鏡陣列上分布100W能量的目的，需要把每像素功率提高16倍，達到1.6mW。根據不同的終端設備設計規格和表面所需功率，存在著不同數量的影像壓縮組合。在利用DLP技術設計高功率NIR系統時，會須要評估多種系統注意事項和折衷因素。 圖9　左邊光學壓縮是一項用於提高每像素功率的方法，例如二維碼。右邊未做光學壓縮，例如灰階圖。 (本文作者為德州儀器DLP產品行銷與工程經理)

毫無疑問，向USB Type-C發展是顛覆性的，給製造商和消費者帶來了改變，雖然不是每個人都會對這種改變感到高興，但這是發展的趨勢，且是必然的。因此，將需要一段時間的調整，在此期間，製造商將需要以一種具成本效益的方式適應新舊的改變。 3.5mm有線耳機使用率仍普遍 我們很容易忽略與外部設備(如耳機和常規揚聲器)連接揚聲器的持續相關性和重要性。藍牙的成功意味著過去10年內的絕大多數音訊設備最有可能採用藍牙互聯。音訊是藍牙的第一個「殺手級App」，其形式是手機的無線耳機。最近幾年，它已成為我們手機連接到車用資訊娛樂系統的預設方式，其不僅用於接聽電話，也用於串流媒體音樂。 可攜式設備常由電池供電，而當設備在串流視聽時，電池通常更耗電。同樣，由於無線耳機尺寸小巧，電池使用壽命也相對較短，因此消費者可能會有備用的傳統有線耳機。高傳真音響愛好者可能更喜歡他們的有線耳機，因為這些有線耳機高品質的聲音重現，所以往往相對昂貴，使用者不願意僅僅因為耳機插孔消失就停止使用他們偏愛的設備。 中期(可能是長期的)方案是使用一個轉接器，它可將USB Type-C連接器與傳統的3.5mm音訊插頭相匹配，但不一定保證通過USB Type-C連接埠支持模擬音訊。為改善此一情況，音訊方案供應商開始提供相關的類比音訊開關，以滿足此一應用設計，並為原始設備製造商(OEM)提供產品開發優勢，以下便用安森美半導體旗下的Type-C類比音訊開關「FSA4480USB」舉例說明。 3.5mm轉Type-C　高度整合方案不可缺 FSA4480為適用於USB2.0、麥克風和邊帶訊號(Side-band Signal)的單一介面，可用於任何需要透過Type-C連接埠提供音訊訊號的可攜式設備，含OMTP/CTIA(AHJ)檢測、電阻檢測和高壓保護等特性，可使用這些特性以較低的音訊諧波失真(THD+N)和最佳化的減小爆破雜訊保持訊號完整性。 在從傳統耳機插孔向USB Type-C過渡期間，消費者可能需要一個外部轉接器，將3.5mm插頭連接到USB Type-C連接埠。這帶來了些許挑戰，因為四段TRRS(尖端、環形、環形、套筒)3.5mm音訊介面有兩個標準；OMTP和CTIA(也稱為AHJ，或美國耳機插孔)。在一個連接埠中有四個單獨導體的好處是顯而易見的，這四個導體的配置方式帶來了問題。如圖1所示，兩個標準的不同。當添加其他類型的設備時，每個導體的定義可能更不同。 圖1　目前使用的兩個主要TRRS標準。 任何打算為多個標準提供共用介面的方案都需要能夠自動檢測和適應這些標準，這為製造商提供了解決當今市場上一個共同問題的機會，同時也提供了下一代使用者介面。從根本上說，無法檢測到MIC輸入並將其切換到3.5mm插頭上的正確環將導致不一致的使用者體驗。FSA4480能夠檢測和切換MIC和接地環到設備中正確的訊號路徑，以及檢測和適應其他規格。 同樣，FSA4480整合了感測技術來測量USB連接埠上觸點的電阻，這也使它能夠保護設備免受Type-C介面上碎片、浸水或其他導電污染物導致引腳之間的意外短路。由於該元件整合了所有類型數位和類比訊號所需的所有開關，所以對所有資料流程的訊號路徑進行了最佳化，這提供了較高的音訊品質，THD+N為-110分貝。 FSA4480的許多特性使用專用記錄器，透過I2C介面控制。例如，過電壓保護(Overvoltage Protection, OVP)功能有三個專用記錄器，用於OVP中斷遮罩、OVP中斷標記和OVP狀態。同樣，記錄器控制音訊開關左通道、音訊開關右通道、MIC開關、感測開關和音訊接地開關；感測和切換左、右、MIC開關的延遲也可使用專用記錄器設置。 該元件的另一個關鍵特性是它能夠檢測引腳之間的意外連接，如前所述。這也是透過記錄器來管理的，包括RES檢測引腳設置、RES檢測值、RES檢測中斷臨界值和RES檢測間隔。這種級別的可配置性和控制使OEM能配置FSA4480，以精確地滿足應用的需要，無論是手機、音訊播放機還是智慧揚聲器。 總而言之，USB Type-C介面透過將多個功能整合到單一介面正改變消費電子產品的外形。這將不可避免地引入一個過渡時期，也可能產生對能適應最主要形式外部音訊介面的方案需求：3.5mm插孔。然而，由於對高端耳機的大量投資，可以理解消費者不願意做出這種轉變，除非有一個清晰和有效的方案來適配他們喜歡的耳機產品。 (本文作者為安森美半導體行銷經理)

由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所以氣壓馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷推陳出新，且功能不斷的增強；同時各種控制方法與理論也不斷出現，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制，也開始新一輪的研究開發。本篇文章嘗試使用盛群半導體的HT32F52352微控制器(MCU)作為控制核心，研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。 IC技術提升有助氣壓馬達發展控制 氣壓系統在產業自動化中，屬於低成本自動化的領域，在各製造業中被廣泛應用，如自動進料退料系統、包裝機械、塑膠射出機、IC插件機、高速研磨機等，對於省力化、少人化的自動生產系統，扮演著極重要且基本的角色，同時氣壓系統若搭配適當的機構、感測器及電動機控制即是機電整合(Mechatronics)。 氣壓系統致動器依其運動方式之不同，可分為產生直線運動之氣壓缸、產生旋擺運動之氣壓旋擺器與產生迴轉運動之氣壓馬達。其中氣動馬達(Air Motor)與電氣馬達相較，氣動馬達有如下特性： 1.可以無限制的反覆正逆轉或停止、起動而不會燒毀。 2.起動或停止時的切換無火花產生，無爆炸之虞。 3.轉速的選擇範圍大。 4.受外界環境如濕氣、氣溫、塵埃等因素的影響少。 5.超負載時馬達停止不會有燒毀之虞。 6.重量、外型均較同馬力之電氣馬達輕巧。 雖然氣動馬達有上述之優點，但是由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所以氣動馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。 然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷的推陳出新，與功能不斷的增強；此外各種現代控制方法與理論也不斷地提出，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制，如今也可以來研究開發。 目前國內關於氣動馬達伺服控制的研究較少，有學者使用DSP based之模糊控制器進行氣動馬達轉速伺服控制，有的則採用參考模型適應性控制(Model Reference Adaptive Control)進行氣動馬達轉速伺服控制。 上述研究分別採用價格昂貴之DSP與PC作為氣動馬達控制器之硬體，同時其控制器法則通常為複雜結構(Complex Structure)且需複雜演算，不易安裝於一般之工業控制器內。所以本研究以實際工業控制應用為考量，嘗試使用盛群半導體公司微控制器HT32F52352 MCU作為控制核心，研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。 氣動馬達種類與原理 本篇文章將以實際商品研發為目標，研究開發氣動馬達伺服控制系統，其中包括： 1.氣動伺服馬達系統設計與製作。 2.以HT32F52352晶片為基礎之氣動馬達伺服控制器設計與製作。 3.HT32F52352 MCU Based氣動馬達精密伺服。 其與電氣馬達伺服控制作一對應比較，示意圖如圖1所示。 圖1　氣動與電氣馬達伺服控制系統比較圖 氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉換成旋轉的機械能的裝置，在氣壓傳動中使用最廣泛的是葉片式和活塞式氣動馬達。葉片式氣動馬達主要由1為轉子，2為葉片，3為進出氣孔，4為氣缸體等零件構成(圖2)。上有進、排氣用的配氣孔槽，轉子上銑有長槽，槽內有葉片。定子兩端有密封蓋，密封蓋上有弧形槽與進、排氣孔及葉片底部相通，轉子與定子偏心安裝。這樣由轉子的外表面、葉片(兩葉片之間)、定子的內表面及兩密封端蓋就形成了若干個密封工作區。 圖2　葉片式氣動馬達的構造示意圖 圖3為一小型活塞式氣動馬達，是一種通過曲柄或斜盤，將若干個活塞的直線運動轉變為回轉運動的氣動馬達。按其結構不同，可分為徑向活塞式和軸向活塞式兩種。活塞式氣動馬達適用於轉速低、轉矩大的場合。其耗氣量不小，且構成零件多，價格高。其輸出功率為0.2~20kW，轉速為200~4,500r/min。活塞式氣動馬達可用作傳送帶等的驅動馬達，圖4為活塞式氣動馬達的構造示意圖。 圖3　小型活塞式氣動馬達 圖4　活塞式氣動馬達的構造示意圖 氣動馬達控制系統架構 MCU Based氣動馬達轉速伺服控制器主要是由氣壓源、空氣調理組、5口3位比例閥(FESTO MPYE-5-1/8)、快速排氣閥(FESTO MPYE-5-1/8)、輪葉式氣壓馬達(TONSON V1-L)、光學旋轉編碼器(HTR-W-500)、伺服控制器(核心為HT32F52352晶片)、個人電腦及相關運動控制電路所構成。其系統架構圖，如圖5所示。 圖5　氣動馬達控制系統架構圖 氣動馬達伺服控制，其工作原理(MCU Based閉路控制)詳述如下： 使用者使用調速旋鈕(VR1)設定之氣動馬達轉速值，HT32F52352 MCU Based伺服控制器計算相對應之控制量，經伺服控制器內運算放大電路送出0~5V電壓至比例閥，比例閥依照輸入的電壓大小控制高壓空氣進入氣動馬達之流量，使得氣動馬達按照期望之轉速運轉。最後，經由光學編碼器的量測送出方波訊號至速度轉換器轉換為類比電壓訊號0~3V傳輸至伺服控制器，伺服控制器再根據此回授轉速值以及內建控制法則(Control Law)，調整輸出類比電壓訊號，進而達到氣動馬達轉速閉迴路控制。 其中位於氣動馬達出入口之兩只快速排氣閥，其功能是使氣動馬達排氣不再經由5/3氣壓比例閥排氣，而是經由快速排氣閥較大口徑排氣口排氣，由於氣動馬達排氣是經由最短路徑排放，阻力最小，氣動馬達背壓減小，因此氣動馬達轉速大幅增加。氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖，如圖6所示。 圖6　氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖 在對氣動馬達系統進行伺服控制器設計之前，本文將以實際實驗資料對氣動馬達進行開路系統鑑別，其目的是將氣動馬達轉動動態方式，此一非線性函式以一線性回授控制系統型式表示之，以便後續伺服控制分析與設計。本文設計之氣動馬達系統鑑別方塊圖如圖7所示。 圖7　氣動馬達系統鑑別方塊圖 此一MCU Based的氣動馬達轉速伺服控制器，乃是使用兩顆盛群HT32F52352的微控制器作為運動控制核心，其主要功能有二項： 1.第一顆微控制器對氣動馬達，進行功能控制，包括LCM操作功能顯示、讀取功能鍵訊號。 2.第二顆微控制器根據功能設定，對氣動馬達進行轉速伺服控制。 MCU位居氣動馬達控制核心 主要是由HT32F52352晶片與運算放大電路所構成，方塊圖如圖8所示，功能分述如下： 圖8　MCU 控制驅動電路方塊圖 1.HT32F52352晶片擔任主控制器的任務，根據功能選擇開關輸入(1組4連動開關)，讀取輸入電壓值(ADC1~4)，進行不同功能氣動馬達控制。 2.放大電路，使用741運算放大器將0~3V電壓放大0~5V，送至比例閥。 MCU速度顯示器電路 主要是由HT32F52352晶片、與一LCM顯示器電路所構成，其工作原理詳述如下。因本氣動馬達最大轉速為6,000rpm，所以採用一LCM顯示器來顯示轉速，此LCM顯示器之8bit資料匯流排與PortB連接，4bit控制匯流排與PortC連接，HT32F52352晶片讀取速度轉換器送來之電壓並計算相對應之轉速並顯示轉速。 MCU Base馬達測試結果 本文將作品分成氣壓馬達系統、驅動電路、七段顯示器電路與HT32F52352晶片部份進行個別實機測試，最後再將四個系統組合起來進行整合系統實機測試。 首先是氣動馬達系統組裝與測試，氣體壓力設定為4bar，由電源功供應器提供0~5V直流電壓給5/3比例控制閥，改變氣體壓力，量測氣壓馬達的轉速特性。 接著是速度轉換器校正與測試，使用波形產生器產生不同頻率之方波給轉速轉換器(Frequency to...

目前工業傳動通常採用一般所熟知的矽基IGBT逆變器(Inverter)，但最近開發的碳化矽MOSFET元件，為這個領域另外開闢出全新的可能性，不但每單位面積的導通電阻非常之低，切換效能絕佳，而且跟傳統的矽基續流二極體(FWD)相比，內接二極體關閉時的反向恢復能量仍在可忽略範圍內。考量到幫浦、風扇和伺服驅動等工業傳動都必須持續運轉，利用碳化矽MOSFET便有可能提升能源效率，並大幅降低能耗。本文將以意法半導體(ST)旗下的碳化矽MOSFET產品為例，比較1200 V碳化矽MOSFET和Si IGBT的主要特色，兩者皆採ACEPACK封裝(表1)，同時利用ST的PowerStudio軟體，將雙脈波測試的實驗數據和統計測量結果套用在模擬當中，模擬20kW的工業傳動，並評估每個解決方案每年所耗電力，還有冷卻系統的要求。 矽基IGBT應用限制 以逆變器為基礎的傳動應用，最常見的拓撲就是以六個電源開關連接三個半橋接電橋臂。每一個半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負載(馬達)上的硬開關換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關係，每次換流都需要六個反平行二極體執行續流相位。 當下旁(Lower Side)飛輪二極體呈現反向恢復，電流的方向就會和上旁(Upper Side)開關相同，反之亦然；因此，開啟狀態的換流就會電壓過衝(Overshoot)，造成額外的功率耗損。這代表在切換時，二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響，因此也會影響整體的能源效率。跟矽基FWD搭配矽基IGBT的作法相比，碳化矽MOSFET因為反向恢復電流和恢復時間的數值都低很多，因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。 圖1和圖2分別為50A-600VDC狀況下，碳化矽MOSFET和矽基IGBT在開啟狀態下的換流情形。請看深色區塊，碳化矽MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時間都減少很多。開啟和關閉期間的換流速度加快可減少開關時的電源耗損，但開關換流的速度還是有一些限制，因為可能造成電磁干擾、電壓尖峰和振盪問題惡化。 圖1　開啟狀態的碳化矽MOSFET 圖2　開啟狀態的矽基IGBT 除此之外，影響工業傳動的重要參數之一，就是逆變器輸出的快速換流暫態造成損害的風險。換流時電壓變動的比率(dv/dt)較高，馬達線路較長時確實會增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重，長久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業傳動的電壓變動率通常在5~10V/ns。雖然這個條件看似會限制碳化矽MOSFET的實地應用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專為馬達控制所量身訂做的1200V矽基IGBT，其實可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個案例當中，無論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟矽基IGBT相比，碳化矽MOSFET元件開啟或關閉時都保證能減少能源耗損，即使是在5V/ns的強制條件下。 圖3　關閉狀態的矽基MOSFET 圖4　關閉狀態的矽基IGBT 圖5　比較動態特質 靜態與動態效能比較 以下將比較兩種技術的靜態和動態特質，設定條件為一般運作，接面溫度TJ= 110℃。圖5為兩種元件的輸出靜態電流電壓特性曲線(V-I curves)。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化矽MOSFET的優勢都大幅領先，因為它的電壓呈現線性向前下降。反觀IGBT的電壓呈現非線性下滑(VCE(sat))，這是集極電流的作用之一。即使碳化矽MOSFET必須要有VGS=18V才能達到很高的RDS(ON)，但可保證靜態效能遠優於矽基IGBT，能大幅減少導電耗損。 兩種元件都已經利用雙脈波測試，從動態的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎，例如600V匯流排直流電壓，開啟和關閉的dv/dt均設定為5V/ns。圖6為實驗期間所測得數據之摘要。跟矽基IGBT相比，在本實驗分析的電流範圍以內，碳化矽MOSFET的開啟和關閉能耗都明顯較低(約減少50%)，甚至在5V/ns的狀況下亦然。 圖6　動態特色的比較 電熱模擬顯現工業傳動應用效能 為比較兩種元件在一般工業傳動應用的表現，本文利用意法半導體的PowerStudio軟體進行電熱模擬。模擬設定了這類應用常見的輸入條件，並使用所有與溫度相關的參數來估算整體能源耗損。 用來比較的工業傳動，標稱功率為20kW，換流速度為5V/ns。設定4kHz和8kHz兩種不同切換頻率，以凸顯使用解決方案來增加fsw之功能有哪些好處。 因為考量到隨著時間推移，所有馬達通常要在不同的作業點運轉，所以本文利用一些基本假設來計算傳動的功率損耗。依照定義IE等級成套傳動模組(CDM)的EN 50598-2標準，還有新型IES等級的電氣傳動系統(PDS)，將兩個作業點套用在模擬之中：一是50%扭矩所產生的電流，第二個則為100%，對應用來說這代表著輸出電流分別為24和40Arms。 若以最大負載點而論(100%扭力電流)，兩種元件的散熱片熱電阻都選擇維持約110℃的接面溫度。圖7在50%扭力電流和切換頻率4~8kHz的狀況下，比較碳化矽MOSFET和矽基IGBT解決方案的功率耗損。 圖7　50%扭力電流下每個開關的功率耗損 圖8則是在100%扭力電流下以同樣方式進行比較。功率耗損分為開關(傳導和切換)和反平行二極體，以找出主要差別。和矽基IGBT相比，碳化矽MOSFET解決方案很明顯可大幅降低整體功率損耗。有這樣的結果是因為無論靜態和動態狀況下，不分開關或二極體，功率耗損都會減少。最後，無論是4或8kHz的切換頻率，兩種負載狀況的功率耗損減少都落在50%範圍以內。 圖8　100%扭力電流下每個開關的功率耗損 從這些結果可以看出，這樣做就能達成更高的能源效率，減少散熱片的散熱需求，對重量、體積和成本來說也都有好處。表2總結了整個逆變器相關功率耗損的模擬結果(作業點100%)，以及為了讓兩種元件接面溫度維持在110℃所必需的相關散熱片熱電阻條件。在模擬所設定的條件下，當8kHz時Rth會從矽基IGBT的0.22C/W降到碳化矽MOSFET的0.09C/W。大幅減少代表散熱片可減容5:1(就強制對流型態的產品而言)，對系統體積、重量和成本有明顯好處。在4kHz的狀況下，Rth會從0.35降到0.17C/W，相當於4:1容減。 能源效率影響工業成本 當工業應用對能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關鍵因素之一。為了將模擬的能源耗損數據結果轉換成能源成本比較概況，必須就年度的負載設定檔和能源成本這些會隨著時間或地點而有所不同的參數，設定一些基本假設。為達到簡化的目的，我們把狀況設定在只含兩種功率位階(負載因素100和50%)的基本負載設定檔。設定檔1和設定檔2的差別，只在於每個功率位準持續的時間長短。為突顯能源成本的減少，我們將狀況設定為持續運作的工業應用。任務檔案1設定為每年有60%的時間處於負載50%，其他時間(40%)負載100%。任務檔案2也是這樣。 對於每個任務檔案全年能源成本的經濟影響，乃以0.14/kWh為能源成本來計算(歐洲統計局數據，以非家庭用戶價格計算)。從表3可以看出，碳化矽MOSFET每年可省下895.7~1415kWh的能源。每年可省下的對應成本在125.4~198.1歐元之間，如電壓變動比率限制不那麼嚴格，則可省更多。 碳化矽MOSFET具成本/效率優勢 本文針對採用1200V矽基IGBT和碳化矽MOSFET之工業傳動用逆變器，進行了效能基準測試。內容還特別探討馬達繞線和軸承保護所導致在電壓變動比率方面的技術限制，接著在20kW工業傳動條件下，針對上述技術與限制進行比較。結果顯示，使用碳化矽MOSFET取代矽基IGBT可大幅增加電力能源效率，即使換流速度限制在5V/ns。比較成本後也發現，在特定的假設條件下，這種做法可減少一般工業傳動應用的能源費用支出。 (本文作者皆任職於意法半導體)

為此，汽車充電必須要採取另一種截然不同的全新方法。目前開進充電站或在充電站停留的概念仍有其關聯性，但或許只適用於較長的旅程。更可行的方式，可能是趁電動車停在公司、購物中心或車站時一邊進行充電，確保汽車隨時充了再開。 電動車充電選項多樣　前瞻性概念逐漸萌芽 多數車輛皆支援透過標準家用的單向交流電(AC)電源進行充電，讓所有消費者能在家利用晚上時間為汽車充電。AC充電解決方案的範圍包括，將車輛接到家裡的電源插座，再接到線上控制與保護裝置(IC-CPD)，最後接到整合在電源插座和車輛之間的小接線盒。部分解決方案可能裝載於壁掛式固定裝置內，也就是所謂的「壁掛式機櫃」充電器。此方法通常會在電源裝置和車輛之間加裝一個通訊元件，並內含接地和保護功能。 不過，電池充電需要的是直流(DC)電源，因此車輛內建的充電電子元件必須將AC轉換為DC。包括空間、散熱、效率和重量等設計限制全都變成限制充電時所能傳送的電池容量，以及限制電池充電速度的因素。再清楚不過的一種做法，就是利用車外通用型DC充電器為各種車輛提供電力，如此便不需要將AC-DC轉換器放在車內(圖1)。  圖1　各種電動車充電選項 隨著各國開始出現大容量電池，許多前瞻性的概念開始萌芽，亦即將這些電源整合到我們日常的電力需求之中。有些概念考慮將這些需求結合到太陽能發電策略中，利用家庭和商業大樓內的再生能源為電動車充電，同時在發生斷電狀況時將其做為備用電力，或是用來緩解尖峰需求。這種Vehicle-to-Building(V2B)方式已在美國底特律市使用一批可雙向輸電的Fiat 500e電動車完成測試。 這個創意甚至還能加以延伸，考量全國的電力需求，將電力需求往上提升，更全面地轉移到再生能源搭配Vehicle-to-Grid(V2G)的實作。荷蘭與三菱汽車(Mitsubishi)合作，利用OUTLAND PHEV進行V2G的試驗，將家庭平均每日用電量儲存在車內。這樣的創意確實增加了充電解決方案的需求，因為它不只需要提供高效率的AC-DC轉換，還需要額外執行DC-AC轉換，以將電力回送到電網內(圖2)。 圖2　替代的充電方式 充電標準儘管同時反映V2B和V2G的需求，但對於如何精準實作到全國或國際上卻未有足夠的說明。其他選項似乎未能得到廣泛的支援，像是用充飽電的電池替換用完的電池。不過，這種解決方案在印度等特定市場較受到青睞，尤其是針對二輪和三輪車及巴士的解決方案。 感應式充電仍是解決一切問題的妙計，讓汽車能利用埋在停車場地底下的線圈，將電力傳送到車上的線圈來充電。雖然這種充電方式已經使用在行動手持裝置上，但對齊兩個線圈的過程中會產生耗損，還有需要傳送的電量，使得這種方法目前只能侷限在特定的使用案例。 複製加油便利性　快速DC充電架構不可少 如果要將內燃機車輛加油的便利性，複製到電動車使用者身上，充電站將需要提供大量電力。典型的22kW充電解決方案可提供AC充電，供應足夠行駛120分鐘200公里的電力，適合用在車主上班時能整天充電的汽車。但如果要將200公里的充電時間縮短到16分鐘，則需要靠150kW的DC充電站。甚至提高到350kW後，供應相同電量所需要的時間，將與現在進入加油站所需要的時間差不多，大約7分鐘。但要注意的是，要加快充電速度，汽車電池也必須支援此充電方式(圖3)。 圖3　充電系統的基本結構 快速DC充電器的終極目標，就是廣泛將架構標準化，包括輸出電壓的範圍和支援的電力傳送。輸入電力預期介於300Vac至400Vac，並透過AC-DC和DC-DC轉換器轉換為連接汽車所需要的DC電壓。另外，也需要實作資料傳輸通道，以提供關於汽車和電池充電狀態的資訊。汽車資訊和車主資料還可成為最終元件的一部分，作為用來處理付款作業的安全資料通道。 雖然目前多數的實作都限定在50kW左右，但目前所定義的仍為350kW高充電功率。電源連接器定義能容納未來所需要的電力汲取，支援最高1000Vdc電壓，200A電流。 針對家庭使用，電力汲取則受限於本地基礎設施。壁掛式機櫃充電器雖然可以供應兩相或三相電力，但無法支援22kW以上的功率。不過，針對原本便設計供大規模電動車充電的環境，像是停車場和高速公路休息站，可以預期將會有完整的充電停車位。10至30kV的中電壓隔離式變壓器能為高功率充電器供電，每一部可供應到最高350kW的功率，同時以全速為多輛汽車進行超快速充電。在變壓器隔離的情況下，除簡化電力電路，也能改善整體效率。 另一方面，充電站也會廣設在商場或購物中心的停車場。充電點的形態與大小將類似於一座加油機，尺寸大約可提供最高150kW的功率。不過，由於是用三相低電壓的電網連線，因此並非所有充電器都能同時以全功率運作(圖4)。 圖4　DC充電生態系統概覽 充電點本身通常會是壁掛式機櫃或充電樁(如上所述的一部直立裝置)。其實作方式包括從單一充電次單元，到日後可隨需升級為更高充電功率的多重次單元。 充電器次單元(經常遭誤解為模組)目前可提供AC轉DC的轉換，最高功率介於15kW至20kW，次單元經過堆疊，可提高充電樁供應的整體功率。 但隨著對加快充電速度的需求提高，趨勢開始轉為使用每部大小約50kW以上的次單元。次單元本身的結構結合了獨立元件或功率模組，主要取決於其想要達成的設計規格。 標準化建構基礎實現安全/充電通用化 汽車的能量來源轉型，衝擊到許多產業，將許多原本鮮少涉及汽車業或甚至完全無關的新廠商拉了進來。與半導體業關係久遠的汽車原始設備製造商(OEM)則為例外，他們的角色能為這個開發中市場的部分其他廠商提供連結。 如同現在的汽車OEM不會自己經營加油站，未來他們也不會將重心放在為電動車提供充電基礎設施，因為這是充電器製造商的工作，這些製造商已有相關的經驗，瞭解如何為類似應用開發電力管理解決方案。至於安裝與管理則交給充電點營運商，他們會設法選出最具能源效率和經過成本最佳化的解決方案；他們的後端系統將管理需求，預測更適當的能源價格，同時處理安全付款機制。最後一片拼圖是能源供應商，他們的支援是確保整個基礎設施專案能實現，確保電網將電力送到需求點的必備要素。 充電樁的標準化工作已經在進行中，目的是為了確保消費者能有一個安全、簡單且全面通用的方式來為其汽車充電。來自歐洲和美國的相關廠商(包括英飛凌)合作成立了CharIN e.V.協會，一個專為開發及推廣聯合充電系統(Combined Charging System, CCS)而設立的組織。他們的規格定義從充電順序和資料通訊，到實作的插頭類型等範圍。此外，也有一些類似的組織成立，在日本推廣CHAdeMO和在中國推廣GB/T等替代方案，另外像Tesla也有自家的專有系統。 CharIN標準可透過單一連接器同時支援AC和DC充電，已獲得國內和國際性標準機構的認證。其AC充電符合IEC 61851第1節和第22節的要求，DC充電則符合第1節和第23節的涵蓋範圍。在插頭和插座方面，則應參考IEC 62196第2部分關於Type 2 AC連接器和第3部分Combo 2 DC連接器(歐盟)，以及第1部分Combo 1連接器(美國)的內容。 快速充電須考量多樣要素 電池充電可視為恆定電流應用的實作，不需要考量過載的情況。一般電池充電是在恆定電流(CC)模式下以¼C實作，其中的C定義電池在一小時內的充電或放電速率。當充電程序達到80%左右時，電流仍會保持固定，但電壓則持續穩定提高，直到達到電池的Vmax。一個200Ah電池組需要的時間大約是4小時，之後電池將改以恆定電壓(CV)模式充電。 快速充電需在前20分鐘用2C的速率為電池充電，後面的階段用1C充電10分鐘，最後則用½C繼續充4分鐘。一個200Ah的電池組可在34分鐘內達到80%電量，約等於300公里的行駛里程。只不過，DC快速充電還是存在許多限制。首先，它受限於所用的電池充電技術。除此之外，電池的配置、熱管理實作，以及電池芯的互連方式也都必須納入考量(圖5)。 圖5　典型的快速充電設定 在充電器方面，CharIN規格設想的最高恆定電流輸出在700Vdc下為500A，支援至最高920Vdc。但電池系統也必須另外建立一些機制，以應付快速充電所導致的衰退情況，並整合最高1000Vdc的隔離功能。最終解決方案的效率應該要達到95%以上，並在日後提升到98%。最後別忘了，300kW耗損1%的效率，等於耗損掉了3kW。此外，纜線在500A全負載下每公尺也會發生100W的功率耗損。 功率循環的影響與其他功率應用相較下偏低，熱循環對私人設備的影響微乎其微，甚至毫無影響，但對公用充電站的設計來說則是一大挑戰。例如，私家車在10至15年使用壽命內每年充電最多5,000次，而大眾運輸車輛(例如巴士)的充電器在15至20年使用壽命期間的充電次數則可能達到30,000次。 遵循兩大方法達到快速DC充電 高功率DC充電器的設計方式主要遵循兩種基本方法，一種是將輸入的三相AC電源轉換為可變的DC輸出，饋入DC-DC轉換器。充電器必須經過與車輛通訊，才能定義出精準的DC電壓；另一種方法是將輸入的AC電源轉換為固定的DC輸出，然後再經由DC-DC轉換器轉換為汽車所需要的電壓(圖6)。 圖6　兩種有潛力的高功率DC充電器方式的方塊圖 這兩種方法都同樣適用於本應用，沒有重大的優點或缺點。但與其將重心放在轉換方法上，最主要的考量還是在於實作如何將所需的散熱效果降到最低、提高功率密度，以及縮小整個系統尺寸。 高功率密度需要靠強制進氣散熱(現行的標準)，但新一代充電解決方案正在尋找可行的水冷式解決方案。精簡型解決方案必然需要考慮更高的切換速度，也就是32kHz至100kHz之間的範圍，以縮小磁性元件的尺寸。 最簡單且符合成本效益的AC-DC轉換方法，就是使用二極體整流器。但其簡化設計讓設計人員只能視本地的三相供應電壓使用固定的輸出電壓，還有不理想的總諧波失真(THD)。雖然線路電流的諧波失真可透過實作多脈衝整流器來加以改善，但卻需要採用更複雜的變壓器和額外的整流二極體。 使用三相主動前端(AFE)則可解決THD的問題，其可以提供正弦形的輸入電流，同時供應可變DC輸出電壓至後續的輸出級。為減輕額外的複雜度，閘極驅動器需使用隔離式電源供應器，另外也需使用輸入濾波器，而這類拓撲已經過詳實的記錄和研究，並已通過考驗，是適合本應用的解決方案。 另一種雖然現行較少使用，但越來越受歡迎的選擇，則是Vienna整流器。這是一種三相三階的PWM整流器，只需要三個主動式開關，並具備雙重升壓型功率因子校正(PFC)(圖7)。可以控制輸出電壓，甚至在電力不平衡或其中一相中斷的情況下也能運作。這種整流器也很堅固耐用，即使控制電路故障，輸出或前端仍不會短路。與AFE相同，其輸入電流為正弦波，各種實作所顯示出來的功率因素最高可達到0.997，THD低於5%，效率達97%以上。 圖7　AC-DC轉換器的整流器與PFC選項 在DC-DC轉換級中，諧振拓撲因效率的緣故而較常被採用。在整體實作需要的情況下，也可在其中加入電氣隔離。此種設計可實現更高的功率密度並縮小體積，尤其在變壓器整合一次側電感器的應用中；零電壓切換(ZVS)能夠降低切換耗損，對提高整體系統效率有所幫助(圖8)。在電網隔離架構中，多重交錯式降壓轉換器是最適合的DC-DC拓撲選擇，其優點包括可跨相分享負載，減少漣波和濾波器的尺寸，但代價是需要的元件數量較多。 圖8　DC-DC轉換主要搭配串並聯LLC諧振轉換器實作 快速DC充電器實作方式 中國市場擁有目前最成熟的快速DC充電實作，普及率達80%(相較下，歐洲、中東及非洲為15%，美洲只有5%)。這裡15kW以下的解決方案最普遍，但預計2020年時20kW會成為最主要的次單元選項，另外到2023年也會出貨大量的30kW和超過60kW的單元。這反映出市場趨勢是往350kW的高功率充電發展。為此，電源方案供應商如英飛凌，開始發展各式矽解決方案，像是功率模組、閘極驅動器IC、微控制器解決方案等，也提供可靠的驗證解決方案和安全控制器，保護付款與系統安全性(圖9)。 圖9　英飛凌的DC電動車充電設計產品 建議採用的方法，取決於欲達到的總功率輸出目標，同時也會影響到次單元的拓撲和建構方式。針對30kW以下的壁掛式裝置和充電樁，建議採用獨立的功率裝置，至於350kW則有專用於實作的功率模組。介於50至150kW之間的應用，是否選擇獨立功率元件或功率模組，則從環境因素、空間和價格作決定。 30kW至150kW為常見解決方案 常見的做法是使用15kW至30kW的次單元建構快速充電器，再將其堆疊成150kW的電動車充電解決方案。採用獨立裝置的15至30kW次單元和充電器實作，則可選擇Vienna整流器來進行40kHz的PFC級切換(圖10)。 圖10　由獨立裝置製成的充電器典型拓撲 用於氣冷系統的三相、380V/50Hz電源，TRENCHSTOP 5 IGBT與CoolSiC肖特基二極體的結合，經過整合後會是很適合具成本考量之應用的解決方案。使用碳化矽(SiC)二極體，其效率比傳統Si二極體高出0.8%，支援的功率輸出也能多出80%。將IGBT換成600V CoolMOS P7 SJ MOSFET，則能改善0.5%的效率。 在DC-DC轉換器中，通常使用諧振轉換器來進行頻率最高達300kHz的切換，並依電池充電電壓供應200V至700V。其中600V CoolMOS CSFD，或用於30mΩ以下RDS(on)的600V CoolMOS CFD7...

TSN管理網路流量更順暢 TSN的其中一個組成部分是管理模型，能夠管理和引導網路上的流量串流，並且能夠配置IEEE通訊協定系列，以便在同一個網路上成功運作。TSN可比擬為鐵路系統，網路管理模型類似於處理列車(資料)交通的鐵路訊號系統，因此列車(承載)能夠抵達目的地而不會相撞。如IEEE P802.1Qcc通訊協定中所述，有三種可能的管理模型，包括完全集中模型、完全分散模型和部分集中模型。 在完全集中的模型中，終端裝置與集中管理實體進行關於串流要求的通訊。然後，集中管理實體使用這些要求來計算網路串流的必要調度，以滿足這些需求，並隨之配置交換器和終端裝置(也就是比擬中的火車站)。 在完全分散的模型中，發起方向接受方 (通常是終端裝置)提供開放串流，而且終端裝置上的應用程式會通知網路元件保留特定串流所需的資源。這種方法不需要中央管理實體。 雖然在部分集中模型中存在集中管理實體，但是在轉發到集中管理實體之前，來自終端裝置的資料會透過標準化通訊協定傳遞到最近的橋接。換句話說，部分集中式模型中的集中式管理實體僅管理各個網路流量串流和資源，而毋須在全域層級處理來自每個終端裝置的串流需求或承載資料。 根據IEEE 802.1CB通訊協定的定義，「區域網路和都會網路的標準：達到可靠性的訊框複製和消除」，TSN串流識別會運用幾種不同的方法來識別串流。這些方法包括目標MAC地址和VLAN識別碼、來源MAC地址和VLAN識別碼等等。此外，串流識別用於計算透過網路的特定串流的資料流以及處理容錯的備援路徑。 完全集中模型管理流量最直接 雖然完全集中的網路管理模型不是處理時效性網路中流量的唯一方法，但該模型是說明目的的三種方法之中最直接的一種。 如前所述，完全集中的網路管理模型具有執行兩個關鍵角色的集中管理實體。如圖1所示，這些功能由集中使用者配置(CUC)和集中網路配置(CNC)表示。 圖1　完全集中的時效性網路模型，是最直接處理時效性網路中流量的方法。 如圖1所示，完全集中的TSN模型包括下列五個元件： 終端站(發起方和接受方)：這些終端裝置運作需要時間關鍵的確定性通訊的應用程式，並做為透過TSN系統傳輸的乙太網路訊框來源(發起方)和目的地(接受方)。 橋接(乙太網路交換器)：TSN橋接是乙太網路交換器，用於發送和接收包含時間關鍵型通訊串流的乙太網路訊框。硬體可由任何供應商開發，但必須能夠根據嚴格同步的排程傳輸訊息。 集中使用者配置(CUC)：中央使用者配置是供應商特定的應用程式，能夠與CNC和終端裝置進行通訊。CUC代表控制應用程式和終端站，要求與CNC進行確定性通訊。  中央網路配置(CNC)：中央網路控制器是供應商特定的應用程式，可促進網路上控制應用程式的確定性訊息傳遞，並訂定計劃傳輸所有時間關鍵資訊串流，然後部署到啟用TSN的橋接(乙太網路交換器)。 時間關鍵資訊串流：在TSN模型中發起方和接受方之間傳遞的資訊包括時間關鍵「串流」。TSN模型中的發起方和接受方之間的每個時間關鍵資訊串流由終端裝置唯一標識，而且有嚴格的時間要求，須要對於確定性訊息傳遞確實遵循。 相較於僅分別處理單一需求或網路功能的完全分布式或部分集中式模型，完全集中式TSN模型使用集中方法來表示「使用者需求」和「網路功能」，以便自動整合整個系統的所有元件。雖然完全集中的模型有助於改進整合，但是須要更複雜的計算以確保更好的網路運用率。最後，使用者選擇的TSN模型取決於應用的特定需求，而且不屬於TSN任務群組制定的IEEE標準的範圍。不過，由於每個模型和應用程式中部署的特定技術和通訊協定可以由任何供應商提供，因此顯然需要獨立供應商和其他產業組織來填補這片空白。 TSN為IIoT/工業4.0提供高確定性網路 TSN技術為標準乙太網路上的確定性網路提供可擴展、可預測的方法。但是，由於TSN不僅僅是一個工具，而是一個全面的解決方案，系統整合商最終必須仰賴獨立供應商和多種通訊協定來滿足每個工業應用的特定需求。這種困境正是互通性為確保成功採用TSN的關鍵所在。最後，採用TSN的統一基礎架構從根本上需要在兩個關鍵方面實現互通性(圖2)： 圖2　完整的工業自動化互通性通用架構具第二層互通性。  1.對於第2層網路和訊息傳遞達到TSN相容的通用結構。 2.跨越整個網路的多個通訊協定進行通訊的通用語義。 體認到工業4.0的效益和未來的智慧製造，全球標準組織、工作小組和獨立供應商正在努力建立共同的基礎架構，並展現互通性，以便機器對機器協作、行動裝置的資料存取和更多的應用得以實現。 做為確定性乙太網路標準，TSN本質上是電腦網路的開放系統互連(OSI)模型中的第二層技術。第二層也稱為資料鏈結層，其中包含轉發乙太網路訊框的技術。為了滿足工業4.0對低延遲網路即時通訊的需求，雖然已經達到高網路負載的穩定性，以及資訊技術(IT)和操作技術(OT)的融合資料傳輸，但是，許多乙太網路交換器製造商和產業組織仍然採用IEEE開發的開放TSN標準。 透過與其他乙太網路交換器領導供應商合作，Moxa對於符合IEEE 802.1 TSN標準而且滿足未來需求的解決方案實施確定性乙太網路通訊，直接為第二層技術的開發做出貢獻。藉由Moxa等製造商提供的TSN規格乙太網路交換器，系統整合商可以滿足工業4.0的高頻寬即時需求，而毋須更改現有的應用程式。此外，這些製造商可以簡單地使用標準IEEE乙太網路交換器來完成這些工作，甚至可以將「隨插即製」裝置加入到融合網路中。實際上，TSN規格乙太網路交換器可為IIoT和工業4.0應用提供高確定性網路，其效能與傳統專用系統相當。除了達到可擴展性、彈性、高頻寬和高可用性之外，TSN乙太網路交換器在部署和維護方面具有成本效益。 除了提供用於建立符合TSN標準的統一基礎架構的標準乙太網路硬體之外，Moxa也積極參與跨廠商TSN插拔大會(電子設備設計人員測試其產品與其他製造商的產品之間技術標準互通性的活動)和世界各地的測試台。Moxa已加入四個插拔大會/測試台，分別是德國的邊緣運算聯盟(ECC)、美國的工業網際網路聯盟(IIC)、德國的(Labs Network Industrie 4.0, LNI)和中國的工業互聯網產業聯盟(AII)。透過參與這些插拔大會/和測試台，Moxa可以嚴格測試TSN與其他供應商產品的互通性，並確保開發的實作方式在上市前穩定可靠。 即使未來「自制金字塔」中的裝置可以由獨立供應商開發，每個裝置也必須能夠與系統中的每個其他元件進行通訊，而不僅僅是第二層裝置進行通訊，才能充分實現工業物聯網的效益。除了消除隔離傳統第二層自動化孤島的障礙之外，成功的TSN實施也需要跨層的通訊協定互通性，才能實現更靈活的拓撲結構，並為工業應用開創新的機會。 例如，世界各地的產業組織，包括CC-Link合作夥伴協會(CLPA)、EtherCAT技術集團(ETG)、乙太網路 Powerlink標準化組織(EPSG)、機械工程產業協會(VDMA)、開放DeviceNet供應商協會(ODVA)、Profibus和Profinet International(PI)等等，均針對OPC統一架構(OPC UA)和配套規格進行整併，藉以實現不同供應商和標準之間的通用語義。 OPC UA配套規格允許現有機器透過不同通訊協定進行通訊的公司對應到OPC統一架構，藉以實現IIoT通訊。事實上，EtherCAT、MTConnect、Profinet、Sercos、Powerlink等等已經完成對OPC UA配套規格的對應。OPC UA配套規格提供一種表示不同工業通訊協定的方法，其中資訊通常以不同格式建立為共用通用語言。透過這種方式，來自不同供應商的機器可以實現互通性，而毋須立即放棄現有系統和通訊協定。 雖然OPC UA配套規格為機器互通性提供中間解決方案，但新的計劃是對於從現場到雲端的所有層級應用運用OPC UA做為通用平台，無論是水平層級還是垂直層級。由於OPC UA可用於完整描述複雜系統和語義，因此工業自動化應用可以運用OPC UA實現「原生」通訊協定互通性，並結合TSN技術的支援。例如，如果世界上的每個人說同一種語言，沒有人會在與其他人溝通時需要字典。實際上，無需在不同通訊協定之間進行轉換即可實現無縫互通性，顯然有助於促使產業組織和獨立供應商為未來的工業自動化支援通用語言。 透過採用統一的網路基礎架構，可以實現從廠區的感測器、傳動器、機器和控制器到雲端的雙邊IIoT資料通訊，而不會減損工業控制/自動化的效能。仍然，擴大整合和互連也會導致工業系統面臨網路安全風險。 但是，製造商不應該由於風險而避免採用IIoT技術，並放棄時效性網路優於標準乙太網路的優勢。所幸，國際電工委員會(IEC)也正在制定工業網路和系統安全的全球標準，例如IEC 62443。因此，選擇這些先進技術可以支援未來IIoT網路的統一架構，並對於運用工業4.0和數位化轉型帶來的機會減少面臨的風險。 無論是透過提供產品即服務來提高資產運用率，還是尋求新的商機，目前的數位化轉型浪潮都有望在未來幾年內徹底改變製造業。但是，充分運用工業物聯網的能力需要高頻寬、低延遲、確定性的網路，才能實現工業控制系統的即時通訊。 如今，時效性網路的問世表示標準乙太網路技術能夠提供確定性服務，突破盡力傳送式通訊的傳統限制。透過TSN，製造商不再須要透過專用通訊協定和控制系統將應用侷限於自動化孤島中。工業應用反而可以期待一個未來的大時代，全新的雙邊通訊流程將超越傳統普渡模型的水平和垂直隔閡。實際上，隨著國際標準組織和裝置供應商持續針對TSN進行整併，標準乙太網路技術已經準備就緒，必將成為IIoT時代工業網路的未來基礎。 (本文作者為MOXA產品經理)

我們可以學著瞭解設備發出的正常聲音為何，如此當聲音出現變化時，才可以確認其已經出現了異常；之後再瞭解是什麼問題，而透過這樣的方式將聲音和特定的問題聯繫在一起。識別異常可能需要進行幾分鐘的訓練，但將聲音、振動和原因結合起來實施診斷可能需要一輩子的時間。經驗豐富的技工人員和工程師可能具備這種知識，但這類人屬於稀有資源，單單透過聲音本身識別問題可能相當困難，即使使用錄音、描述性框架或接受專家親自培訓也是如此。 因此，半導體業者在過去20年裡，一直致力於理解人類是如何解讀聲音和振動的，期能建立一個系統，能夠學習來自設備的聲音和振動，並解譯它們的含義，以檢測異常行為、進行診斷。本文將以ADI的OtoSense體系結構為例進行說明，OtoSense是一種設備健康監測系統，支援我們所說的電腦聽覺，讓電腦能夠理解設備行為的主要指標：聲音和振動。 該系統適用於任何機器設備，可以即時工作，無需網路連接。目前已被應用於工業應用，可支援實現一個可擴展的高效設備健康監測系統。為了保證耐用、不可知且高效，OtoSense設計理念秉持幾個指導原則： ．從人類神經學中獲得靈感，人類可以透過一種非常節能的方式學習和理解他們所聽到的任何聲音。 ．能夠學習靜態聲音和瞬態聲音，這需要不斷調整功能和持續實施監測。 ．在靠近感測器的終端進行識別，應該毋須透過網路連接遠端伺服器來做出決策。 ．與專家互動，向他們學習，前提是盡可能避免干擾他們的日常工作，且過程要盡可能愉悅。 本文探討了引導開發OtoSense的原則，以及在設計OtoSense期間，人類聽覺所發揮的作用。之後，將進而討論聲音或振動特性的是如何被設計出來的、如何從這些特性瞭解其代表的意義，以及在持續學習中如何不斷改變和改進OtoSense，用於執行愈加複雜的診斷，且結果更為精準。 人類聽覺系統對照OtoSense解析 聽覺是一種關乎生存的感覺。它是對遙遠、看不見的事件所產生的整體感覺，在出生前就已成熟。人類感知聲音的過程可以藉由四個熟悉的步驟來描述：聲音的類比擷取、數位轉換、特徵提取和解讀。在本文每個步驟中，都會將人耳與OtoSense系統來進行比較。 首先是類比擷取和數位化。中耳中的膜和槓桿捕捉聲音，然後調整阻抗，將振動傳輸到充液腔道中。在那裡，另一層膜會根據訊號中存在的光譜成分選擇性地移位；而這反過來彎曲了彈性單元，這些單元發出數位訊號，反映出彎曲程度和強度。然後，這些單獨的訊號會透過按頻率排列的平行神經傳遞到初級聽覺皮層。 在OtoSense中，這項工作由感測器、放大器以及轉碼器來完成。數位化過程使用固定的採樣速率，可在250Hz和196kHz之間調節，波形以16位元編碼，然後儲存到大小為128到4096之間的緩衝區。 特性提取則發生在初級皮層。頻率域特性，如主頻率、諧波和頻譜形狀，以及時間域特性，如脈衝、強度變化和在大約3秒時間窗內的主要頻率成分。OtoSense則使用一個時間窗，我們稱之為「塊(Chunk)」，它以固定的步長移動。這個塊的大小和步長範圍為23毫秒到3秒，具體由需要識別的事件和在終端提取特性的取樣速率決定。在下一節中，會根據OtoSense提取的特性進行更詳細地解釋。 而解析發生在聯絡皮層，它融合了所有的感知和記憶，並賦予聲音以含義(比如透過語言)，在塑造感知期間扮演核心作用。解析過程會組織我們對事件的描述，遠遠不止是對它們進行命名這麼簡單。為一個項目、一個聲音或一個事件命名可以讓我們賦予它更大、更多層的含義。對於專家來說，名字和含義能讓他們更能理解周圍的環境。 這也是為何OtoSense與人的互動始於基於人類神經學的視覺、無監督的聲音映射。OtoSense利用圖形表示所有聽到的聲音或振動，它們按相似性排列，但不嘗試創建固定分類；這讓專家們能夠組織螢幕上顯示的各組，並為它們命名，而毋須嘗試人為創建有界線的類別。他們可以根據自身的知識、感知和對OtoSense最終輸出的期望構建語義地圖。對於同樣的音景，汽車機械師、航空工程師，或者冷鍛壓力機專家，甚至是研究相同領域，但來自不同公司的人員，都可以按不同的方式進行劃分、組織和標記。OtoSense則與塑造語言意義一樣，使用相同的自下而上的方法來給定意義。 聲音/振動/特性選擇原則 經過一段時間(如之前所示，時間窗或塊)，我們會給某個特徵分配一個單獨的編號，用於描述該時間內聲音或振動的給定屬性/品質。OtoSense平台選擇特性的原則如下： 1.對於頻率域和時域，特徵都應該盡可能完整地描述環境，提供盡可能多的細節。它們必須描述靜止的嗡嗡聲，以及咯噠聲(Clicks)、嘩啦聲(Rattles)、吱吱聲(Squeaks)和任何瞬間變化的聲音。 2.特徵應盡可能按正交方式構成一個集合。如果一個特徵被定義為「塊上的平均振幅」，那麼就不應該有另一個特徵與之高度相關，例如「塊上的總光譜能量」。當然，正交性可能永遠無法實現，但不應將任何一種表述為其他特徵的組合，每種特徵都必須包含單一資訊。 3.特性應該最小化計算量。我們的大腦只知道加法、比較和重置為0。大多數OtoSense特性都被設計成增量，如此每個新示例都可以透過簡單的操作來修改特性，而不需要在完整的緩衝區，或者，更糟糕的，在塊上重新進行計算。最小化計算量還意味著可以忽略標準物理單元。例如，嘗試用值(以dBA為單位)表示強度是沒有意義的。如果需要輸出dBA值，則可以在輸出時完成(如果有必要時)。 在OtoSense平台的2~1,024個特性中，有一部分描述了時域。它們可以是直接從波形中提取，或者是從塊上任何其他特性的演化中提取。在這些特性中，有些包括平均振幅和最大振幅、由波形線性長度得到的複雜度、振幅變化、脈衝的存在與否和其特性、第一個和最後一個緩衝區之間相似性的穩定性、卷積的超小型自相關或主要頻譜峰值的變化。 在頻域上使用的特性提取自FFT。FFT在每個緩衝區上計算，產生從128~2,048個單獨頻率的輸出。然後，該過程創建一個具有所需維數的向量，該向量比FFT小得多，但仍能細緻地描述環境。 OtoSense最初使用一種不可知的方法在對數頻譜上創建大小相同的資料桶。然後，根據環境和要識別的事件，這些資料桶將重點放在資訊密度高的頻譜區域，要麼是從能夠熵最大化的無監督視角，要麼是從使用標記事件作為指導的半監督視角來判斷。這類比了我們的內耳細胞結構，在語言資訊密度最大的地方，語音細節更密集。 支援終端/本地資料OtoSense實現即時檢測 OtoSense在終端位置實施異常檢測和事件識別，其毋須使用任何遠端設備。這種結構確保系統不會受到網路故障的影響，且毋須將所有原始資料塊發送出去以進行分析。運行OtoSense的終端設備是一種自包含(Self-contained)系統，可以即時描述所監聽設備的行為(圖1)。 圖1　OtoSense系統。 運行AI和HMI的OtoSense伺服器一般託管在本地。雲端架構可以將多個有意義的資料流程聚合成為OtoSense設備的輸出。對於一個專門處理大量資料並在一個網站上與數百台設備交互的AI來說，使用雲端託管的意義不大。 運用兩種策略進行異常檢測 正常/異常評估毋須與專家進行太多交互。專家只需要幫忙確定表示設備聲音和振動正常的基線。然後，在推送給設備之前，先將這個基線在Otosense伺服器上轉換為異常模型。然後，我們使用兩種不同的策略來評估傳入的聲音或振動是否正常。 第一種策略是我們所說的「常態性」，即檢查任何進入特性空間的新聲音的周圍環境、它與基線點和集群的距離，以及這些集群的大小。距離越大、集群越小，新的聲音就越不尋常，異常值也就越高。當這個異常值高於專家定義的門檻時，相應的塊將被標記為不尋常，並發送到伺服器供專家查看。第二種策略非常簡單，任何特性值高於或低於特性定義的基線的最大值或最小值的傳入塊都被標記為「極端」，並發送到伺服器。 異常和極端策略的組合良好地涵蓋了異常的聲音或振動，這些策略在檢測日漸磨損和殘酷的意外事件方面也表現出色。 從特徵到事件識別　OtoSense要與人類密切互動 特徵屬於物理領域，而含義屬於人類認知；如果要將特徵與含義聯繫起來，則是需要OtoSense AI和人類專家之間展開互動。 我們花了大量時間研究客戶的回饋，開發出人機介面(HMI)，讓工程師能夠高效地與OtoSense互動，設計出事件識別模型。這個HMI允許探索資料、標記資料、創建異常模型和聲音識別模型，並測試這些模型。 OtoSense Sound Platter(也稱為Splatter)允許透過完整概述資料集來探索和標記聲音。Splatter在完整的資料集中選擇最有趣和最具代表性的聲音，並將它們顯示為一個混合了標記和未標記聲音的2D相似性地圖(圖2)。 圖2　OtoSense Sound Platter中的2D splatter聲音地圖。 任何聲音或振動，包括其環境，都可以透過許多不同的方式進行視覺化，例如，可以使用Sound Widget(也稱之為Swidget)(圖3)。 圖3　OtoSense sound widget(Swidget)。 在任何時候，都可以創建異常模型或事件識別模型(圖4)。事件識別模型是一個圓形的混淆矩陣，它允許OtoSense用戶探索混淆事件。 圖4　可以基於所需的事件創建事件識別模型。 另一方面，異常可以透過一個顯示所有異常和極端聲音的介面，進行考察以及標記(圖5)。 圖5　在OtoSense異常視覺化介面中，聲音分析隨時間的變化。 OtoSense的設計初衷是向多位專家學習，並且隨著時間推移，進行越來越複雜的診斷。常見過程是OtoSense和專家之間的迴圈： 1.異常模型和事件識別模型都是在終端運行。這些模型為潛在事件發生的概率以及它們的異常值創建輸出。 2.超出定義門檻的異常聲音或振動會觸發異常通知。使用OtoSense的技術人員和工程師可以檢查該聲音和其前後聲音資訊。 3.然後，這些專家會對這個異常事件進行標記。 4.對包含這些新資訊的新識別模型和異常模型進行計算，並推送給終端設備。 簡而言之，OtoSense技術旨在使聲音和振動專業知識在任何設備上都持續可用，且毋須連接網路來執行異常檢測和事件識別。在航空航太、汽車和工業監測應用中，相關技術已經被越來越廣泛地用於設備健康監測，而這表示，在曾經需要專業知識，以及涉及嵌入式應用的場景中，尤其是對於複雜設備而言，該技術都表現出了完善的性能。 (本文作者為ADI OtoSense內部產品開發主管)

而所謂的記憶體內處理器(Processor In Memory, PIM)(圖1)，或稱記憶體鄰近處理器(Processor Near Memory, PNM)、記憶體內運算(In-Memory Compute, IMC)等，則是在晶片電路設計時即以記憶體的矩陣記憶電路為基礎，再行加搭起運算電路，使記憶與運算電路幾乎融為一體。 圖1　左圖為現行處理單元與記憶體間有讀寫(Fetch提取、Store存入)的瓶頸，右圖為PIM作法可消除運算與儲存間的傳輸瓶頸。 資料來源：IBM PIM作法過去曾在上世紀90年代倡議過但未能成為潮流，但隨著人工智慧(AI)、機器學習(ML)、深度學習(DL)的興起，產業界重新評估與發展PIM技術及晶片，原因主要在於現行主流技術在運算效能提升上漸遭遇多項瓶頸，難以因應日益增高的深度學習運算量。 首先是晶片設計團隊逐漸難從處理單元的邏輯設計上獲得更高效能，因此IBM POWER(Performance Optimization With Enhanced RISC)架構處理器於1999年首次運用持續推進的半導體製程縮密技術，於單一晶片實現雙核心，以增加核心數獲取顯著效能提升，2005年AMD於x86架構上實現雙核，自此處理器紛改以增加核數為主要效能提升手段。 多核作法之後亦遭遇瓶頸，即處理單元(核)間的資料交換不夠快速，溝通協調成為運作瓶頸，因此改進晶片內外的連接傳遞方式成為重點，此時經常出現晶片商強調結構織法(Fabric)一詞。 改善連接結構後仍有其他問題需解決，因漏電流因素晶片運作電壓難以再下降，即便晶片放入更多的核，也無法讓所有的核均全速運作，因供電散熱之限只允許部份的核全速運作，部份之外的核須以降速、輕負荷方式運作，或暫時關閉停止運作，此稱為暗矽(Dark Silicon)限制，當製程技術持續提升，晶片內的核數愈多，暗矽限制也會更嚴重(圖2)。 圖2　電路運用率撞牆，暗矽效應阻礙使多核處理器無法全速運作。 資料來源：Michael Bedford Taylor 另外記憶體與處理器間的傳輸通道也難以更快，記憶體電路區塊與處理單元區塊有別的結果，傳遞過程必然有一段電路距離，因電路上的寄生電容因素而難以更快速傳遞，形成馮紐曼瓶頸(Von Neumann Bottleneck)，半導體製程縮密技術讓記憶體容量愈來愈大，但進出處理單元的資料通量卻沒有相應的提升。 深度學習運算量大增　PIM技術動向受矚目 而如前述，深度學習需要的運算量不斷提高，特別是在支援自駕車應用上，2017年NVIDIA提出自駕車運算平台DRIVE PX PEGASUS，宣稱合併兩張DRIVE PX PEGASUS可獲得320TOPS(8位元整數)的人工智慧推論運算力，目標在於支援ADAS標準最高的Level 5自駕層級，即各種路況與情境下均能全程自動化駕駛不需人為介入，然代價是500瓦功耗，對汽車電瓶亦是不小負荷。 由於傳統方式提升運算(特別是深度學習運算)效能日益困難，因此產業開始嘗試回望PIM技術。PIM技術因記憶電路與處理電路兩者緊鄰，傳輸距離短，可快速傳遞運算，而深度學習所需要的「網狀層次連接、節點加權運算」亦容易以PIM方式實現，記憶體內儲存的資訊即是節點的權重(Weight，或稱特徵權重)，運算後的結果再向更深層的節點傳遞，進行相同的乘積累加運算(簡稱乘加運算Multiply...

電容式觸控技術具低成本/可靠性優勢 電容式觸控技術主要適用於觸控按鈕、滑動條和滾輪，作為機械按鈕和旋鈕的取代產品，廣泛應用於各種白色家電。除了降低系統成本外，電容式觸控技術還能夠提高可靠性，因為隨著時間的推移，機械按鈕或旋鈕更容易損壞，還會粘上廚房和洗衣間裡常見的水、油脂。然而觸控感測器表面覆蓋玻璃或塑膠，清潔起來很容易，同時支援各種時尚的設計(圖1)。 圖1　(a)觸控式螢幕按鈕和滑動條，已在電器上廣泛應用；(b)可連接至互聯網的帶有大顯示幕的冰箱，則可使用觸控式螢幕技術提供整潔而極具吸引力的外觀。 觸控按鈕和滑動條的這些共同優勢適用於電容式觸控HMI觸控式螢幕，使用戶能夠與電器以及互聯網進行通訊。此外，與互聯網相連的物聯網家電為電器製造商帶來了關鍵優勢，包括： ．遠程維護。 ．供應商透過資料採擷瞭解使用者模式。 ．功耗管理：同步高電流電器以避免電源線出現尖峰。 ．針對遠端缺陷修復和產品改進的韌體更新。 同時，物聯網連接為用戶帶來了諸多優勢，有助於製造商推廣和銷售支援觸控式螢幕的家電，包括： ．某些產品的烹飪說明、食譜和最佳做法下載。 ．洗衣粉及用量、設定洗衣機(甚至可根據洗衣粉或洗衣精的類型設定)和處理故障。 ．為添加新功能和提高效能而進行的韌體更新。 ．天氣、新聞和股票更新。 不過，要想為供應商和用戶提供上述優勢，必須解決一些設計問題。 抗噪/防潮/識別　為三大設計挑戰 與現代智慧手機和汽車類似(但重要程度不同)，觸控式螢幕HMI在白色家電應用中最常見的三個問題是抗噪性、防潮性以及在用戶戴手套時識別觸控命令。如何妥善解決這些問題端賴於觸控式螢幕控制IC的差異。 在抗噪性方面，微控制供應商如Microchip透過專利技術，幫助控制器提高抵抗電源線雜訊的能力。這對於美國以外因未接地或接地不良而導致電源線雜訊極其嚴重的地區來說尤為重要；雜訊透過電源線傳導到電源，然後傳輸到觸控控制器IC。 觸控控制器是一種極其敏感的元件，可測量奈庫倫(Nanocoulomb)級的電荷。只需用手指輕輕觸碰觸控式螢幕，就能從螢幕上帶走少量電荷，對此需要進行一致的正確解讀。雜訊會向感測器注入大量電荷，擾亂控制器，尤其是沒有足夠抗噪能力的控制器。 出現誤觸控事件或幽靈觸控時，按鈕可能會被隨機地自行按下。對於烤箱而言，這可能非常危險。例如，誤觸控事件可能在使用者不需要的情況下啟動自我清潔進程，存放在其中的物品可能給用戶帶來安全問題，造成危險。這是每個電容式觸控控制器都存在的問題，目前已有半導體廠的專利技術可避免傳導雜訊並控制問題。 為了解決雜訊問題，控制器將過濾共模(Common-mode)雜訊，並透過跳頻方案避免雜訊問題。該專利方法利用自容觸控以及互容觸控掃描，並涉及差分觸控感測。IC不是將每條感測線路視為其自身的獨立元素，而是測量感測線路對之間的差值；這樣就消除了兩條線路共有的雜訊。如果顯示幕的相似區域出現相同的雜訊，則該雜訊將被消除，僅保留有效訊號。這種差分觸控感測提供了非常有效的雜訊消除/抑制能力。 在電器內部，洗衣機馬達、冰箱壓縮機以及電磁爐上，燃燒器輻射的雜訊處於雜訊消除頻寬範圍內，這樣便可為這些電器上的觸控式螢幕提供可靠、穩健的效能。因此，這可避免誤觸控事件。然而，還有一點也同樣重要：檢測合法觸控並向主控制器報告以避免因雜訊而錯過觸控事件，否則會出現用戶預計會發生某事件但實際未發生的情況。 由於水和其他液體在廚房和洗衣間中十分常見，因此需要防潮功能。例如，當爐子上鍋裡的液體因沸騰而飛濺到觸控式螢幕上時，不應發生誤觸控事件。不過，霧或水滴也可能導致問題。因此，能夠在潮濕或有水的情況下檢測觸控應當是每個設計人員研究電器的觸控式螢幕HMI時的關鍵要求。 如果螢幕上有薄霧或小水滴，則應支援多點觸控操作。電器應用通常支援兩點觸控，但電器設計人員可透過大型顯示幕提供10點或10點以上觸控的支援，以便多個用戶可以同時觸控。如果用戶觸控螢幕時水匯集到一起或者較大的水滴落在水平螢幕上，則應該抑制由水引起的誤觸控並且支援正常的單指操作。設計人員應該避免使用鹽水等高導電性液體甚至漂白劑等清潔溶液引起的誤觸控事件，圖2簡要介紹了顯示面板背後的情況。觸控式螢幕HMI技術的另一個優勢是支援戴手套操作。在廚房裡，通常會戴上或薄或厚的手套。在目前上市的電器中，有幾種功能未被用於觸控式螢幕IC，這些功能本可為最終用戶提供重要價值，但卻經常被忽視且不被採用。 圖2　觸控式螢幕後面的觸控IC中有一系列驅動電極、接收電極以及相應電路，能夠準確可靠地檢測用戶觸控。 在開發過程中打開和調整後，控制器中可選的支援戴手套操作功能可針對廚房裡常用的手套(約1.5mm厚)提供多點觸控(最多10點觸控)。如果用戶戴手套站在廚房水槽旁，又須要與冰箱或爐子觸控式螢幕連接時，就可能會用到手套支援功能。 更常見的是，烹飪時會使用通常由矽樹脂製成的厚(最多5mm)手套或烤箱手套，由於支援戴手套操作，控制器仍然可以向HMI提供準確的輸入。這可以自動發生而毋須進入單獨的模式，並且可在不使用手套時返回到正常感測水準，因此系統不會過度敏感，因此可避免誤觸控事件。相比之下，一些控制器要求用戶在潮濕、裸露手指、手寫筆和手套等模式之間進行選擇，無法即時自動檢測和調整設置，以在所有環境下完成自然且直覺的使用者體驗。在這些應用中，使用較大按鈕時，使用者介面往往也更加簡單，在設計電器的觸控式螢幕時也應考慮支援手套。 選擇合適的觸控控制器/感測器/螢幕 對於廚房電器和洗衣間電器，將根據電器的尺寸使用各種螢幕尺寸。例如，咖啡機顯示幕為3英寸，微波爐、爐灶台和洗衣機的顯示幕為5英寸，冰箱和冰櫃的顯示幕則可達到22英寸或更大。 在電器供應鏈中，晶片供應商與感測器供應商合作提供晶片和感測器設計。他們共同完成系統整合：通常，模組/顯示幕製造商會整合包括觸控感測器和觸控介面的系統，然後將其提供給電器製造商(圖3)。這個例子說明了當今的半導體供應商如何在提供晶片之餘，另外提供調整和完善系統的服務，使晶片在供應鏈中更易用。 圖3　除了觸控IC外，觸控IC提供商還額外執行許多功能，以將觸控式螢幕成功推向市場。 標準IC工作在-40~85℃的工業溫度範圍內，具有標準韌體，能夠滿足各種顯示幕尺寸和不同電器製造商的要求。電器觸控式螢幕控制器系列提供各種適當的螢幕尺寸選項，可提高電器觸控式螢幕設計的擴充能力，最終縮短設計階段以及降低系統和開發成本。表1顯示了工業級電器顯示幕的一些設計參數。最後一個考慮因素是電磁相容性(EMC)。顯然，設計必須支援EMC；隨後，必須透過測試，驗證設計是否達到了理想的傳導發射和輻射發射結果。 觸控設計為閱讀/輸入理想方案 另外，為儘早瞭解並提高對觸控式螢幕功能的認識，有些觸控方案供應商會為電器觸控式螢幕系列中的每個控制器，提供指定的評估工具包。該工具包中包括一個帶觸控式螢幕控制器的印刷電路板、一個被動柔性印刷電路的尾部，此尾部可將觸控IC連接到玻璃/塑膠透鏡上的觸控感測器。該工具包透過USB連接到主機PC，包括所有必需的纜線、軟體和文件。該評估工具包可與一個完整的軟體發展環境一起使用，使電器設計人員能夠開發和調整電器觸控控制器。圖4為電器製造商可以在評估工具包中找到的內容。總而言之，電器製造商計畫利用物聯網的功能。為此必須提供一種可供閱讀和輸入資訊的方法，而觸控顯示幕則是最理想的解決方案。為成功從當今的方法過渡到先進的觸控式螢幕技術，電器製造商須與IC供應商合作，為電器應用專門設計觸控控制器。使用合適的觸控控制器，電器可以提供互聯網連接，並實現抗噪性、防潮性以及手套操作。 圖4　評估工具包中包含一個帶柔性連接器的專用感測器和一個電子控制板。  (本文作者皆任職於Microchip)

在過去，對於特定的工業控制應用，製造商通常不得不採用專用的通訊協定和系統，而不是採用標準的乙太網路技術。雖然早期的乙太網路只能進行盡力傳送式通訊，但近年來標準乙太網路已經發展了漫長的歷程。隨著時效性網路(TSN)的出現，標準乙太網路現在能夠提供確定性服務，並整合了由過去眾多專用通訊協定隔離的「自動化」。 為了對於未來的智慧製造界定真正統一的網路基礎架構，Moxa等國際標準組織和硬體供應商正在共同開發以時效性網路為基礎的解決方案。隨著TSN成為實施真正的IIoT網路的堅實基礎，全球製造商終於可以發揮工業4.0本有的全部效益。本文會將時效性網路對工業自動化的革新分為兩部分，第一部分將介紹TSN與工業自動化的發展現況，另一部分將探討國際標準組織和裝置供應商如何促使TSN成為工業網路的未來基礎。 推動數位化轉型　技術/通訊協定無縫接軌 現今的世界正在見證數位化轉型的新曙光，製造商須要重新考慮現有的商業模式和工業自動化基礎架構。為了在「工業4.0」時代保持關聯性和競爭力，製造商須要做的不僅僅是採用數位技術，並像過去一樣在自動化孤島中部署預先定義的流程。未來的工業有賴於瞭解推動新一波數位化浪潮的因素、目前工業自動化模式對實現數位化轉型的侷限性，以及如何克服這些限制以實現工業4.0的全部優勢。 目前製造技術自動化和資料交換趨勢的基礎，也稱為「工業4.0」或「工業物聯網」(IIoT)，基本上是數位化。透過將類比訊號、聲音、影像、文字和其他資訊轉換為電腦可讀取格式，數位化幾十年來一直在改變產業的本質。傳統產業不僅能夠提高效率和生產力，而且以往難以想像的機會也開拓並改變了我們在全球展開業務的方式。在可預見的未來，這些趨勢將持續以相當強勁的速度推動成長，預計不僅對工業部門，而且對全球經濟都有重大利益。 然而，工業中的數位化轉型不僅僅涉及將類比資訊轉換為1和0系列的過程。為了讓製造商瞭解所有這些資訊，必須從廠區的無數感測器和設備傳輸資料，並為人或其他機器進行處理，以便即時做出明智的決策。因此，智慧製造的數位化轉型必然包括各種網路技術和通訊協定，這些技術和通訊協定能夠實現無縫通訊，而且從感測器到具有人工智慧的精密機器人提高各種數位化設備的可視性。 實際上，數位化能夠實現將來自連線裝置的資料整合，以及收集和採取效能提升回應的能力，這促使許多製造商採用IIoT技術。公司有明確的動機採用智慧製造，以促進營運效率和業務實務做法。無論是尋求減少機器停機時間、提升效能以開拓業務創新的新機會，還是採用全新的商業模式，例如提供產品即服務，製造商都在進行數位化轉型。 自從工業革命以來，製造商一直在尋找提高生產力的方法。在生產機械化之後，製造商已經將裝置連線做為提高效率和利潤的手段。從20世紀80年代開始，製造商開始採用數位裝置，這導致了我們現今所知的工業自動化的出現。可視化工業自動化目前架構的有用方法是經常引用的普渡模型(圖1)。 圖1　現今的普渡模型為現今的工業網路帶來許多基礎架構挑戰。 在目前的普渡模型中，工業自動化形成了金字塔，其中隔離的專用通訊協定佔據不同的層。但是，這種模式也為現今的工業網路帶來許多基礎架構挑戰。雖然獨立的專用通訊協定可能相當擅長自動進行對於本身開發的原始任務，但實質上說的是不同的「語言」，因此導致難以進行即時通訊。此模型中的傳統工業網路也針對延遲和控制進行了調整，無法共享線路，而且通常限制在100Mb/s(或更低)的傳輸速度，最後不利於可擴展性。 此外，為多個應用程式使用專用硬體和軟體會妨礙互通性，並增加維護和營運成本。因此，跨層的系統整合和可見性變得難以實現，這對整個價值鏈產生負面影響。 顯然，製造策略也需要發展，公司才能保持全球競爭力。如今，客戶需求變得愈來愈多樣化，公司正在尋找滿足這些新的和未來需求的方法，同時提高營運效率。企業必須盡可能靈活、高效率和快速回應，才能保持全球競爭力。製造商可以根據銷售預測單獨擴大生產的情況已經不復存在。相反地，製造商可能需要運用大數據分析的相關見解來即時滿足客戶需求，並且以更低的成本優化生產。這只是製造商如何部署最新技術以實現「工業4.0」並向前發展的一個例子。 由於產業正在持續數位化、自動化和創新，因此，在複雜的全球營運中，設備、裝置和人員比以往更加緊密。最後，工業網路需要趕上市場和產業發展，以確保企業能夠透過更可靠和可擴展的網路將效率、彈性和可用性轉化為更好的效能、更高的員工和客戶滿意度，以及更多的成長。 通用語意/統一基礎架構成要務 傳統的普渡模型以「自動化金字塔」為代表，概略呈現不同層次的網路通訊，這些層次仍然很零碎，可能不可靠且難以維護，尤其是從長遠來看。業界的呼籲已經轉向能夠即時回應市場和商業條件的「自制金字塔」。在這個新設想的架構中，自動化和網路資料流孤島能夠透過通用語義和統一的基礎架構相互通訊。 如圖2所示，這個新的「自制金字塔」將未來的工業自動化設想為一個無縫連接的系統。 圖2　未來的普渡模型將未來的工業自動化設想為一個無縫連接的系統。 小規模、靜態和隔離的控制環路演變成大規模、動態和開放的控制環路通訊，這稱為網路實體系統(CPS)，可將軟體和實體元件緊密結合。 閉環資料以前可以在共同基礎上公開通訊，藉以實現可以透過智慧的方式互相進行新的雙邊資料通訊流量傳輸。 從設備到材料再到人員的所有業務資產都在統一的基礎架構中智慧連接，透過端點對端點的「自主」通訊、協作、反應、適應和優化來滿足各種客戶需求，所有這些都能夠「適時」完成。 製造商透過為多種不同的應用程式(包括自動化、維護、分析等等)使用統一的網路基礎架構，可以實現下列效益： 1.由於不同的終端裝置能夠即時相互通訊，因此配置系統、裝置和應用程式來實現即時回應循環變得相當容易。統一的脈絡導向網路結構也允許進行機器學習，因此從長遠來看，可以運用大數據分析並做出相對應的回應，進一步提高按訂單生產的彈性和效率。 2.改進的資料存取有助於即時進行生產監控，因此可以在不同的情況下建立更高品質、更注重細節的KPI。 3.更強大的網路基礎架構可以支援廠區設備的更多應用，例如計數、分類、品質控制和視訊監控。由於所有即時資料都輸入系統，因此機器不再孤立地工作，而能夠與其他機器協同作業來提高生產力。結合機器人技術和機器感測技術的發展，例如動作引導、擴增實境、機器視覺和觸覺，工廠資產能夠以更低的成本達到優化的效能。 4.標準化技術和可擴展的結構(例如採用乙太網路標準的技術)可達到更大的彈性。透過基礎架構技術和通訊協定的標準化，能夠以與其他模組化單元或擴展類似的方式管理對網路配置構成重大挑戰的拓樸差異。建立、維護和移除分層更具成本效益，而且耗時更少。 實際上，能夠將現今普渡模型中的自動化孤島障礙打破的統一基礎架構將建立連接的實體工業物件系統，而且物件能夠交換並且分析資料，藉以產生有價值的資訊。透過這樣的做法，工業物聯網可以在適當的時間和地點做出正確的決策，藉以將以前預先定義的流程轉變為真正的動態流程。 TSN為工業網路奠定統一基礎 最後，工業自動化和控制系統的未來是關於資訊和網際網路技術的整合(圖3)，這些技術持續滿足高可用性和即時通訊的需求，並且也支援成本和效益達到最佳平衡的新產品和創新解決方案開發。更準確來說，未來的統一網路基礎架構也需要確定性的通訊功能，這些功能可以確保效能和QoS，或甚至優於目前將自動化孤島隔離開的專用通訊協定。值得慶幸的是，標準組織和獨立供應商已經體認到工業4.0的潛在效益，並且共同努力為工業網路奠定新的統一基礎：時效性網路。 圖3　使用統一的網路基礎架構邁向IIoT和工業4.0的道路。 為了滿足統一確定性基礎架構的需求，TSN具備一系列標準，可透過標準乙太網路實現確定性訊息傳遞。根據電機電子工程師學會(IEEE)的定義，TSN涉及一種網路流量管理形式，可確保端點對端點傳輸延遲的確切時間範圍。因此，所有TSN裝置必須將本身的時鐘彼此同步，並使用共同時間參考來支援工業控制應用的即時通訊。雖然TSN標準最初是由IEEE開發而成，但重要的是要體認到TSN已超出主要的IEEE標準，而且這是許多國際組織和公司共同辛勤努力的成果。 早期的標準乙太網路無法保證資料傳輸，而且受到高延遲的影響。因此，需要高網路可靠性和可用性的產業開發本身的專用網路解決方案(例如，改進的乙太網路、Fieldbus)，用於工業控制系統和自動化。為了滿足製造業工業應用的高可用性和低延遲要求，傳統盡力傳送式乙太網路技術必須不斷發展，才能變得更有確定性。 TSN基本上是標準乙太網路技術發展的下一個階段，目的是滿足IIoT未來的需求。除了為乙太網路上的確定性服務提供一套標準之外，TSN也將許多不同的產業組織和市場領導廠商聚集在一起，共同實現工業4.0的全部潛力和數位化效用。 傳統的乙太網路技術通常包括採用盡力傳送式封包傳送的集線器和交換器。在大多數情況下，資料封包會依序成功傳遞，但不保證必定如此。雖然盡力傳送式網路可以充分運用於網頁瀏覽應用，但是工業控制應用需要更高的可用性、零封包遺失和更低的延遲。畢竟，如果不能保證資料封包傳送，關鍵控制資料可能無法適時傳送到正確的位置。 在20世紀80年代，製造商開始從機械或類比技術轉向數位技術時，雖然盡力傳送式乙太網路提供比傳統Fieldbus更高的頻寬，但是，對於需要高精度、可用性和有保證即時傳輸的工業控制系統而言，並不是適合的基礎架構選項。除了當時乙太網路技術的高成本之外，乙太網路重新傳輸演算法和衝突偵測尚無法滿足工業控制系統的效能要求。因此，製造商必須開發專用系統和通訊協定，才能透過確定性網路實現數位化。 不同於盡力傳送式網路，確定性網路支援下列服務： ．時間同步 ．資源保留 ．極低的封包遺失 ．保證端點對端點延遲和頻寬 從乙太網路和工業自動化的早期開始，網路技術已經發生了很大變化。實際上，現代乙太網路技術甚至可以提供確定性服務，滿足以前需要專用系統和通訊協定的許多工業應用需求。由於融合網路的發展趨勢以及頻寬需求的相對應成長，真正確定性乙太網路可能比專用網路更具成本效益並符合未來需求。 為了實現能夠傳輸即時控制以及在工業設施中傳輸音訊/視訊的真正融合網路，IEEE 802.1工作小組的TSN任務群組正在為乙太網路上的確定性資料傳輸界定一套標準。做為一系列標準，TSN更像是一個工具箱，而不是多功能解決方案；要瞭解有哪些「工具」可用，以及每個工具有什麼作用，才能確定哪些工具適合什麼應用。 如表1所述的關鍵通訊協定所示，時效性網路標準主要著重於下列主要方面： 1.時間同步 2.延遲 3.可靠性 4.資源管理 正如名稱「時效性網路」所示，TSN需要所有網路設備採用IEEE 802.1AS(未來的IEEE 802.1AS-Rev)，這會界定定時和同步的標準。畢竟，所有終端裝置和乙太網路交換器之間的共享時間概念是確定性網路的其中一個關鍵特徵。此外，IEEE 802.1Qbv界定裝置須如何根據固定排程傳輸時間關鍵訊框，而且也要為共用相同線路的其他大量流量保留盡力傳送式通訊。除了網路基礎架構本身，TSN也需要一種新方法來處理資料流和需要更複雜計算的相對應需求。因此，IEEE 802.1Qcc界定啟用網路管理新方法的管理介面、機制和原則。 為了便於說明，TSN可以比擬為鐵路系統，列車類似於乙太網路資料訊框(圖4)。在這個例子中，乙太網路交換器和終端裝置就像火車站。想像一下，如果每個火車站顯示不同的當地時間，而不遵循整個系統的嚴格時間表，會發生什麼情況。如果列車從A站出發，而且火車站沒有共同時間參考，乘客如何知道列車何時抵達B站？這個問題正是鐵路開始規定標準鐵路旅客和列車時間的原因，也說明了為什麼工業網路需要時間同步。 圖4　時效性網路幫助工業網路時間同步。 (本文作者為Moxa產品經理)