技術頻道

加速數位轉型　ABB Ability亮相 數位化轉型勢在必行，工業界也蓄勢待發導入數位技術，期透過「運算+互聯+雲+數據分析」打造產業新價值。為此，ABB推出數位解決方案及數位平台「ABB Ability」，該平台從網路邊際(Edge)到雲端，結合數位裝置、系統、方案、服務，提供用戶跨產業的數位對策。 ABB指出，數位技術將在現有基礎上再提高「效率」，促進「成長」，換句話說，便是可提升運轉可靠性，且生產速度和良率也會再度提高。同時，數位技術也可以開創嶄新的商業模式，不論是新服務、新資產配置等，企業得以開創新的市場領域。 因此，早在多年前開始，ABB產品部門便先後在不同的軟體平台上發展出多項數位解決方案，例如控制及管理系統、雲端應用、遠端監控服務等，並以不同的品牌進入市場。而為強化品牌識別度，提升市場滲透力，並讓用戶更快速、更簡易搜尋到最適合的方案，因而推出ABB Ability整合平台。 ABB台灣總經理丁家儀表示(圖1)，ABB於全球有超過7,000萬個數位聯網裝置、7萬套控制系統、6,000個企業軟體方案，使該公司有很大的利基協助用戶實現工業大數據應用；而ABB Ability囊括數位裝置、軟體、服務、系統及雲端平台，目前已累積210餘種解決方案。不論是從設備層到系統層、管理層，皆可滿足用戶的數據可視化需求，進而從數據分析獲得績效提升的洞察，提出有效可行的數位客製化對策。 圖1　ABB台灣總經理丁家儀表示，該公司每一個數位方案都為提升數位能力的起點，可協助用戶加速數位轉型。 西門子力推數位雙胞胎　製造業數位化翻轉商業模式 工業4.0涵蓋諸多面向，對於通訊跟感測領域來說，工業4.0往往跟工業物聯網(IIoT)畫上等號；對自動化設備業者，例如工具機、機器手臂來說，則是各種更聰明、甚至具備自我狀態跟環境感知能力的智慧型生產設備。不過，對製造業者來說，不管是通訊設備、生產設備，都只是工廠裡的個別元素，唯有從策略管理的基本觀念--以終為始做起，才能抓對工業4.0的重點。 台灣西門子數位工廠與製程工業暨驅動科技事業部總經理Tino Hildebrand(圖2)認為，數位化轉型是智慧製造的關鍵議題之一，而數位雙胞胎(Digital Twins)更是重點中的重點。藉由數位雙胞胎，製造業可在虛擬環境中為新產品進行生產模擬跟產線設計規畫，不僅可以提高產品生產速度，亦可達到降低生產成本、減少原物料浪費，對提升公司競爭力將帶來極大幫助。 圖2　台灣西門子數位工廠事業部總經理Tino Hildebrand(左三)帶領多位產品主管一同闡釋數位雙胞胎的觀念。 而為了建置數位雙胞胎，西門子提出許多解決方案，包含功能強大且易用的軟體、備援自動化CPU、高中低階控制器等，這些方案均可無縫整合到西門子自家的全方位整合自動化平台(TIA Portal)，帶來共享資料管理、一致化的操作跟集中服務等優勢。舉例來說，在本屆自動化展期間，西門子從德國帶來一個從虛擬環境展開設計模擬，最後落實成真實生產機台的示範案例。該案例使用PLCSIM Advanced作為虛擬控制器和模擬工具，讓工程師在辦公室中就可進行機台調試，不用到客戶工廠端就可以安全並有效地驗證之前建立的控制邏輯，以達到虛實整合。 此外，開放式物聯網雲端作業系統MindSphere也是西門子力推的重點產品，該作業系統提供無限制地檢視企業裝置資產，執行數據分析，持續監控機器性能，為數位企業轉型創建新興商業機會。另外，通訊及工業識別系統可透過完整的產品線以整合工廠端及工廠層的網路系統，新世代的視覺系統提升客戶品質，且降低調機時間。 但西門子也了解，每家企業實踐數位轉型的道路不會完全相同，因此西門子除了提供完整的軟硬體方案之外，還有客服部門負責提供專業諮詢跟顧問服務。該客服部門會先協助業主釐清數位化所要達成的目標，然後與業主一同檢視企業內部目前的狀況跟資源，鎖定不足之處提出建議改善方案，可能是採購新的軟硬體設備，也可能是藉由軟體升級、機台改造等手段，來協助業主達成數位化目標。而這也是策略管理的基本，先確立目標，然後找出最具效益的手段來實踐，亦即「以終為始」。 Hildebrand進一步闡釋，在數位轉型完成之後，供應鏈上下游的合作模式必然跟現在不同。以後下游夥伴或是客戶不會再跟供應商索取實體樣品或工程樣品，因為他們的產品或系統會在虛擬環境中進行開發設計，因此客戶跟夥伴需要的會是產品的虛擬模型。這意味著工具機、馬達或其他設備，甚至零組件業者，都必須備妥產品的虛擬模型，才會有後續的生意可做。這也是數位雙胞胎之所以如此關鍵的原因。 機器視覺加持　VGR抓取/品管樣樣行 近年來，機器視覺在工業領域的應用範疇大舉擴張，除了原本的讀碼掃描、文字識別功能外，更與機器手臂結合，讓原本只能盲取盲放的手臂開啟視野，能夠辨識其所要取放的物體，甚至還可以繞過障礙物。另一方面，機器手臂也讓原本大多採取定點安裝，應用受到局限的機器視覺變得更加彈性，例如安裝在手臂上的移動式視覺系統，就能更靈活地貼近表面凹凸不平的待測物，看到更多原本看不到的死角。 所羅門集團日前便在2018自動化展中，展示了多款機器視覺與機器手臂結合應用的案例。除了利用2D機器視覺辨識待取物料的顏色、輪廓跟位置，進而精準抓取正確的物件外，由兩支鏡頭所組成的3D視覺系統，則賦予視覺引導機器人(VGR)「深度」的概念，讓VGR得以從有一定深度的物料箱中取出雜亂堆放的物料，並閃過箱壁的阻礙，將物料放到對應的定點。 所羅門表示，由於2D視覺沒有深度的概念，因此採用2D機器視覺的手臂雖可精準取放跟辨識物料，但倘若從出發點到目的地之間有障礙物存在，除非這個障礙物是固定的，可以透過預先編程來閃躲，否則光靠機器視覺，無法提供給手臂足夠的資料。但3D機器視覺則可以感測出深度的變化，進而指揮手臂做出閃躲動作。 這其實是一項很實用的功能。舉例來說，當物料箱裡有一堆隨機堆疊的物料需要機器手臂個別撿取到定點，隨著時間過去，箱子裡的物料越來越少，手臂Z軸運動的距離也會跟著增加，就像人伸手到箱子的底部取出料件，要把手伸得更進去一樣。但當手臂要從箱子縮回來時，如果沒有Z軸的資訊，手臂很可能會直接撞上箱子卡住。 當然，這個問題還是可以透過手臂編程來解決，例如手臂要上升到某個固定的安全高度後，再開始往目的地移動。但3D視覺可以用即時量測的方式提供手臂必要的資訊，因此在應用上可以更加靈活。 除了扮演指揮官的角色之外，所羅門也展示了直接將機器視覺系統安裝在手臂上的應用。這種應用模式稱為移動式機器視覺，其特性在於讓視覺系統在檢測表面凹凸不平的待測物時，能夠從更多不同角度取得物件的影像，進而找出原本藏在死角裡的瑕疵。 所羅門指出，一般來說，工業相機都是定點安裝居多，但這種安裝模式在應用上有其局限性。以物件瑕疵檢測為例，若待測物本身凹凸不平，相機卻只能從一個固定角度取得影像，則這些影像難免會有死角產生。傳統上，遇到這種狀況只有兩種解決方法，一是用多台相機從不同角度取像，二是讓物件旋轉移動，用各種角度去面對工業相機。 直接把工業相機安裝在手臂上，則是近年興起的新解法。藉由手臂靈活運動的特性，工業相機可從各種角度取得待測物的影像，而且即便待測物像汽車引擎蓋那麼龐大，也只需一台工業相機就能取得高解析度影像，讓細小瑕疵無所遁形。但這種做法也有其先天限制，就是檢查速度往往會比同時使用多台相機來得慢。但因為無死角這個特性，因此在大型零組件的品管檢測上，這種移動式視覺頗獲客戶好評。 3D視覺技術各有所長　康耐視方案齊發 機器視覺若要擴大在工業中的應用，3D機器視覺是重要發展方向之一。不同於2D機器視覺，3D機器視覺加上了深度的量測，應用範疇便能增加許多。要做到3D機器視覺有許多不同的技術方式，製程自動化機器視覺系統開發商康耐視(Cognex)便於近日發表了最新的雷射掃描與雙鏡頭3D機器視覺解決方案，以因應最新的產線需求。 康耐視資深應用工程師陳元得表示，以雷射線掃描技術實現的3D機器視覺而言，最常遇到的局限是必須在掃描精度與速度之間取捨，無法兩者兼具。因此，該公司於今年推出了新品DSMax雷射位移感測器，以雷射線掃描做到3D機器視覺感測，並期盼能同時兼顧業界所需的量測精準度與作業速度。 陳元得進一步說明，DSMax在正式推出之前便已與三星(Samsung)合作許久，針對消費性電子產品的組裝需求研發。該方案能做到20KHz掃描速度與2K解析度圖像的感測器，同時其採用單幀高動態曝光技術(HDR)，因此非常適合用於量測與檢測物件。例如，在智慧型手機生產線上組裝時，能用來檢測元件周圍的預留空間是否足夠，以保護電器使用時的安全。 另一方面，康耐視同時也推出了雙鏡頭解決方案--ES-A5000系列面陣掃描3D攝影機。陳元得表示，能快速取得影像並判斷方位是雙鏡頭3D機器視覺的最大優勢，因此該技術多是落實在機器手臂的引導應用之中。該產品亦推出了各種不同的解析度規格，以符合各類業者需求。

不過，在技術推陳出新的同時，廠商在產品開發過程亦會遇到不少技術驗證上的困難點，本篇文章將分享各傳輸技術的演進，並針對不同技術問題提出解析與建議。 DisplayPort技術演進與驗證困難點 數位影音介面DisplayPort(簡稱DP)是由影像電子標準協會(Video Electronics Standards Association, VESA)於2006年的時候所制定，其主要用於顯示器等裝置的連線。 該標準甫一推出，便立即受到Dell、HP、AMD，以及NVIDIA等全球知名廠商的青睞，在當年就有採用DisplayPort技術的產品推出，像是液晶螢幕、筆電，以及顯示卡等。 DisplayPort從1.1規格支援2K解析度以及聲音傳輸，到2009年發布的1.2規格，由原有的單通道頻寬2.7Gbps增加到5.4Gbps，解析度更達到4K60，另支援3D功能、High Bit Rate Audio以及單獨使用一個DP接口，即可同時驅動多台螢幕的多螢幕顯示功能(Multi Stream Transport, MST)(圖1)。 圖1　DP支援的多螢顯示功能(MST) 這也讓當時DisplayPort 1.2在跟HDMI 1.4規格作比較時較為勝出，因為當時HDMI 1.4只支援到4K30並且沒有類似MST功能，需要兩個HDMI發送接口以驅動兩個螢幕。 到了2016年底推出的DisplayPort 1.4世代，單通道的頻寬又提升到8.1Gbps，使得影像解析度向上支援到8K30(無顯示串流壓縮狀況下以4：2：2色彩取樣模式)，另新增了HDR功能以及顯示串流壓縮技術(Display Stream Compression, DSC)，DSC技術的壓縮比高達3：1，可在同頻寬條件下，以較好的4：4：4色彩取樣模式，支援較8K30更高的解析度以及更快的更新頻率。 DisplayPort Alt Mode可應用於Type-C介面 除了標準DP以及Mini-DP介面，DP技術亦可應用在USB Type-C介面(亦稱作USB-C)，也就是DP Alt Mode Over...

大數據與快數據 大數據(Big Data)應用是使用特殊的GP-GPU、FPGA與ASIC處理器，搭配深度學習技術作分析，從中找出趨勢、固定模式及關聯性，藉此提供影像辨識、語音辨識或其他功能。大數據的應用多建立於「過去的數據」或「儲存於雲端的數據」，因此經常能形成「訓練有素」的神經網路，尤其適合執行特定作業，例如辨識並標註影像或視訊中所有的臉孔，甚至是語音辨識也是代表性案例。 此類作業亦非常適合讓配有專用引擎(或推論引擎)及快數據應用的邊緣裝置來執行(圖1)。透過處理、分析終端所擷取的數據，快數據可引用大數據的演算法提供即時決策及結果。畢竟大數據所提供的洞察價值之一，是從「已發生的事」來推斷「未來可能會發生的事」(預測性分析)；而快數據則是提供即時行動，藉此改善商業決策、營運，並減少效率不彰情況。這些方法亦可適用於各種邊緣及儲存裝置，像是攝影機、智慧型手機與固態硬碟(SSD)。 圖1　大數據、快數據與RISC-V商機 RISC-V為數據運算新利器 新型工作負載量可分為兩種情境： 1.以特定工作負載「訓練」大型神經網路，例如影像或語音辨識。 2.將已「訓練」或「量身打造」的神經網路應用在邊緣裝置上。 兩者的工作負載量都需要大量包含大矩陣乘法與卷積(Convolution)層的平行數據處理與運算，為使這些運算功能達到最佳配置，須有能運作大規模向量或數據陣列的向量指令。RISC-V正是適合此類應用的架構與生態系統，而其以開放原始碼軟體所設定的標準化運算處理，可讓開發人員自由採用、修改，甚至增加專用的向量指令。圖1概述RISC-V運算架構可應用的情境及範例。 優化數據移動方式/時間為運算處理首要任務 快數據與終端運算的崛起，亦代表將所有數據來回傳輸至雲端進行分析已不是最有效率的方案。首先，相對大量的數據在行動網路及乙太網路之間長距離傳送所造成的延遲，對於必須即時作業處理的影像或語音辨識應用而言並非最佳作法。 其次，終端運算才是真正能擴充架構價值之所在，尤其在執行影像及語音處理，或利用固態硬碟進行運算時。如此一來，在每次新增邊緣裝置時，即可增加整體架構的運算性能。因此，如何優化數據移動的方式和時間，才是新架構可擴充性的關鍵因素與考量。 圖1a中，雲端數據中心伺服器利用大數據資料來進行深度學習神經網路的「訓練」與「學習」。圖1b中，位於終端的監控攝影機，配備了能引用大數據演算法的推理引擎，可即時辨識影像(快數據)。圖1c中，智慧型固態硬碟裝置使用推理引擎進行數據辨識及分類，有效利用裝置的頻寬。正如圖1所列出RISC-V核心的潛在應用，使用者可以自由新增專用及未來標準化的向量指令，對於往後處理深度學習與推論技術都極為重要。 另一個類似且重要的趨勢，是數據如何在大數據與雲端內部進行移動與存取。傳統的運算架構皆利用附加在多種裝置的匯流排(Bus)搭載資料傳輸(例如專用機器學習加速器、顯示卡、快速SSD，以及智慧聯網控制器等)。此類型匯流排，特別是CPU及主要持久型記憶體(Persistent Memory)之間皆因頻寬速度限制，導致設備本身的效能並未能被完善使用。此外，此類型運算裝置的記憶體不但不能互相分享，也無法與CPU共用，同時造成了設備資源的浪費。 目前產業已有幾大重要新興趨勢，針對如何改善不同運算裝置之間的數據移動(例如CPU、運算及網路加速器)，以及如何存取在記憶體或快速儲存裝置裡面的數據。這些新的趨勢都著重在開放式標準，以提供更快、更低延遲的串行連接架構，以及更聰明的邏輯協定，讓共享記憶體具有連貫的存取路徑。 RISC-V為優化數據移動關鍵技術 未來的架構必須針對持久型記憶體以及具備連貫性快取的快速匯流排(例如TileLink、RapidIO、OpenCAPI和Gen-Z)，透過連結運算加速器，提升效能持續性，同時使所有裝置共享記憶體，減少不必要的數據移動。 傳統的運算架構因在高速記憶體與運算系統應用頻寬受限的匯流排，導致效能隨之受限。未來的運算架構則採用開放式介面，能為平台所有運算資源提供統一且具有連貫性快取的存取途徑(稱為以數據為中心的架構)，且部署的裝置能利用同一個共享記憶體，減少不必要的數據複製。 非核心(Uncore)CPU與網路介面控制器將會逐漸成為移動數據的關鍵推動元件。未來非核心CPU元件不但必須能夠支援關鍵記憶體及持久型記憶體介面(例如NVDIMM-P)，也須覆蓋內建於CPU的記憶體。除此之外，適用於運算加速器、智慧聯網及遠端持久型記憶體的智慧高速型式匯流排也都是不可或缺。此外，匯流排上所有的裝置(例如CPU、通用或專用型運算加速器、網路配接器、儲存裝置或記憶體)都可以加入自己的運算資源，但前提是必須能存取分享記憶體。 RISC-V技術可視為優化數據移動的關鍵推動因素，因其可於所有運算加速器裝置上建置新機器學習工作負載量的向量指令，並提供開放原始碼CPU技術；不但支援開放式記憶體與智慧匯流排介面，也能建置以數據為中心、內含連貫式分享記憶體的新型架構。 以RISC-V解決各項挑戰 大數據與快數據在未來將會面對各種移動數據相關的挑戰，而這卻能為RISC-V指令集架構(ISA)及其所採用的開放式模組開拓新市場，它將會是以數據為中心的運算架構情境的首選，功能包括： ．擴充邊緣運算裝置所需的運算資源。 ．新增專用指令，例如客製化機器學習工作的向量指令。 ．於儲存與記憶體媒介裝置小型運算核心。 ．促成新的運算概念與模組化晶片設計。 ．促進以數據為中心的新架構，所有處理元件都能連貫存取分享持久型記憶體，進而優化數據移動的應用與環境。 RISC-V是由超過100個組織的會員所開發，其中包含一個由軟硬體創新人士所組成的協作社團，能針對特定目的或專案改編指令集架構。所有加入此組織的會員，皆能使用Berkeley Software Distribution(BSD)授權條款來設計、製造或/與販售RISC-V晶片與軟體。為實現數據的價值與可能性，須擷取、保存、存取及轉換數據，將其潛力發揮到極致。大數據和快數據應用的環境，已超越通用型運算架構的處理能力範圍。未來，極度以數據為中心的應用須具備專用處理功能，而裝置間也需要能以開放形式支援獨立數據資源的擴充。 新型態的機器學習運算工作負載量，將帶動這類可擴充型架構的崛起，而其中的關鍵因素必須依靠所有裝置都具備的共通運算架構，並以持久型記憶體作為主要數據儲存；換言之，所有裝置都能扮演運算的角色，藉以提高運算能力。所有新一代雲端及終端應用，都需要這種新型態的低能耗處理功能，因為此類運算加速處理器能專注於運算處理手邊的作業、避免移動數據所浪費的時間或執行與數據無關的多餘運算。透過數據的力量、潛力和可能性，個人、社群及整個世界都將得以更加蓬勃發展。 (本文作者為Western Digital研發工程部新一代平台技術資深總監)

標準動態範圍(Standard Dynamic Range, SDR)是現行影像的播放標準，很不幸地SDR的規格並無法忠實呈現人眼所能看到的每一種顏色。所以有了高動態範圍(High Dynamic Range, HRD)規格的產生。 早在2014年的消費電子展(Consumer Electronics Show, CES)會上，杜比實驗室(Dolby Laboratories)就展出了Dolby Vision技術規格。但因Dolby Vision為封閉規格，且每生產一台Dolby Vision相容的電視就必須付出3美元的專利費。於是三星(Samsung)、索尼(Sony)、樂金(LG)等家電大廠都希望能有一個比Dolby更開放的平台，節約支付給Dolby專利費，又毋須增加一個提交認證的流程來削弱對於自身產品的控制權，因此他們開始開發自己的對於HDR影音的方案，最終進化成一個標準--HDR10(表1)。 圖1為一相同的小點間距LED顯示器，左側以14-bit Gamma顯示SDR畫面，右側以16-bit Gamma顯示HDR畫面，兩者的視覺刷新率皆是3840Hz(4KHz)。簡而言之，將SDR與HDR放在一起比較，HDR可以讓你看到更多顏色和細節。 將HDR的基本要求轉換成小點間距LED顯示器驅動IC的規格要求，將可得到如圖2所示。下文中，自解析度開始，順時針方向逐一解說。 圖1　SDR vs. HD 圖2　HDR規格與驅動IC規格轉化 解析度與分辨率 在相同的顯示面積中，越高的解析度即代表更高的像素密度或更小的點間距。在傳統的驅動架構中，如圖3所示的P0.992的小點間距LED顯示器，可分為三大部份：①是定電流驅動IC；②是電源切換開關；③是其他邏輯IC。從圖3中可以發現電路板的布局已經相當緊湊，若要再進一層次提高解析度，明顯地，我們需要新的驅動架構，並且封裝尺寸也須要隨之縮小或採用WLCSP或COB等不同封形式。 圖3　點間距P0.992 LED顯示器燈板 為了解決上述問題，所以有了將定電流，電源開關和邏輯IC整合在一起的高整合型的驅動IC，圖4則是使用高整合型的驅動IC的P0.9375 LED顯示器燈板。顯而易見的，在電路布局上與傳統驅動架構寬鬆許多。且將封裝從一般的SSOP或QFN類型改為下方出腳的BGA，以爭取在有限面積下有更多的出腳數，以驅動更多的LED。此類型的IC約可支持到最小P0.55點間距的小點間距LED顯示器。 圖4　點間距P0.9375 LED顯示器燈板 視覺刷新率與換幀率 主動驅動(Passive Matrix, PM)架構，利用視覺暫留達成連續畫面效果。當換幀率提高，對於視覺刷新率的要求也會提高，需要更快的頻率協助完成。然而Gamma Table的灰階數與視覺刷新率呈反比，相同的灰階頻率下，越高灰階數的視覺刷新率越低。在下一段落中，再深入探討論灰階頻率這個主題。 動態範圍與對比度 HDR10的對比表現少則20,000：1；多則高達100,000：1，受限於灰階頻率的快慢，行掃數與PWM灰階數呈反比，32行掃下，最高PWM...

記憶體失效推動抗硫化需求 自2016年全球首款專利抗硫化記憶體模組於市場上發表以來，逐步帶動工控市場對於硫化議題的重視；「抗硫化」也從過去鮮為人關注的加值應用，一躍成為全球工業級記憶體技術發展的核心議題之一；而回顧抗硫化記憶體模組開發背景，緣起可追溯自應用端記憶體的失效分析結果。 針對失效記憶體進行分析發現，失效產品多處電阻阻值呈現異常(圖1)增加或開路現象，使用電子顯微鏡(SEM)觀測異常電阻，發現在電阻保護層與電鍍層交界處存在黑色結晶物質；進一步進行EDS檢測分析以確認黑色結晶物質成份，發現電阻Pin2和Pin3上電極層銀(Ag)存在含硫物質成份。 圖1　記憶體失效會呈現電阻阻值異常。 概括而言，硫化現象大抵可以兩個徵兆作為觀察指標： 1.失效產品存在電阻阻值異常增加或開路(Open Circuit)現象。 2.失效產品電阻覆蓋黑色晶體物質。 結合應用端環境分析，該失效產品實際應用於高溫、含油、含硫環境，導致使用僅一年餘即發生失效問題，短於正常使用壽命。綜合觀察量測及SEM/EDS分析數據結果，確認產品失效原因為記憶體電阻受到硫(S)侵蝕，硫與電阻導體銀(Ag)產生硫化反應後，生成不導電的硫化銀(Ag2S)，導致電阻阻值大於正常電阻標準阻值15Ω，甚至呈現開路情形。 合金材質決定實質抗硫效果 不同於一般標準型記憶體模組相對穩定的應用環境，工業電腦常需於高溫、高濕以及高污染環境下運作。隨著環境汙染問題日益惡化，空氣中濃度超標的懸浮微粒含有大量硫化氣體硫化氫(H2S)，空氣中的硫化氫從電阻縫隙進入，容易與電阻中作為導體的電極層的銀(Ag)材料化合，產生絕緣體硫化銀(Ag2S)，導致電阻阻值增加，從導體變成不導電的絕緣體，甚至形成開路而失效，影響記憶體模組正常運作(圖2)。 圖2　抗硫化形成示意圖 一般對於含硫環境的認知，除了較常被提及的溫泉火山氣體、工業廠區的化石燃料燃燒，甚至是地下水道或汙水區的廢水排放，或日常環境中的酸雨汙染、霧霾危害、車輛排放，與石油、潤滑劑、橡膠、輪胎等工業應用產品都已被認為含有大量硫化物，可能導致電子元件產生硫化現象。尤有甚者，高溫亦會加速電阻硫化的形成，使記憶體日益受損耗弱，進而縮短產品使用期限與耐用度。 傳統的抗硫化技術，多僅於電阻保護層或電極層作特殊耐硫處理，或以塗層防護(Conformal Coating)來隔絕硫化氣體之硫分子，如透過加長保護層，增加電極端覆蓋於保護層面積，以降低外在氣體從交接處滲入，延長產品耐硫的壽命；或於電極層上使用耐硫材料增加一耐硫層包覆，避免電極層與硫化氣體直接接觸，以加強電阻對硫化氣體的防護能力(表1)。然而此種方法只能達到暫時防護功效，僅能延後硫化現象發生；且常因製程問題，出現耐硫層的偏移或不良，而影響其抗硫化效果。 而新一代的抗硫化技術，則從改變電極層材料著手，以合金材質取代原電極層銀材料。於合金材質的選用，依抗硫效果可分為三種層級： 1.銀鈀合金，於既有電極層的銀材料中加入貴金屬鈀。 2.高銀鈀合金，提高合金材質中的鈀含量。 3.金銀鈀合金，由金、銀與鈀結合而成的特殊合金材料，可有效防止電阻電極層銀與空氣中的硫分子進行化學作用，達到最高的抗硫化效果；即使在高溫之環境下，也能達到防止硫化腐蝕之效果。 另一方面，此一最高等級金銀鈀合金材質電阻，亦可通過電器性能、機械性能與環境性能的測試驗證，確保控制與傳導電流時之導通性，於實現最高等級抗硫化效果之餘，亦不會影響電極元件效能(圖3)。 圖3　最高等級抗硫化技術採用金銀鈀合金材質。 抗硫化電阻防護提升工業級記憶體可靠度 電子產品硫化問題，對需要高可靠度與長時間運作的工業電腦系統而言，有其重要性與急迫性。硫化威脅無所不在，一般常見的工業作業條件，其中就可能隱藏含硫化學成分，如：石油、橡膠基粘合劑、植物精油(烴類植物)、廢棄物/污染物處理設施等。 為解決記憶體硫化問題，並滿足工業級產品面對嚴苛環境的需求，抗硫化記憶體模組開發，不僅應採用最高等級金銀鈀合金材質，更須確保產品通過如AEC-Q200等繁複測試條件與規範，以最嚴苛之測試條件確保抗硫化效果。 一般抗硫化測試標準，僅於高溫(50℃)、高濃度含硫環境下測試500~750小時；實際以超越抗硫化ASTM B809-95測試規範測試最高等級抗硫化記憶體模組，於測試環境設置固體硫粉(50g/2400ML)，將產品置於高濃度含硫的密封環境中，並將測試環境溫度調整至105℃，以加速硫化反應形成。 測試過程中每隔七天取出量測記錄電阻阻值的變化，持續測試七周後，結果顯示於105℃的高溫、高濃度含硫環境下，最高等級抗硫化記憶體成功通過49天的測試，電阻阻值正常，未出現任何硫化腐蝕現象，穩定正常運作超過1,000小時，仍無損其抗硫化效果與耐用度。 由測試結果可看出，與一般記憶體於200小時便會因硫化產生失效問題相較，採用金銀鈀合金材質電阻的記憶體模組可提升抗硫化耐用度達5倍以上，確保產品可靠度與耐用度，滿足系統長時間穩定運作需求，進而有效提升系統整體壽命(表2)。 智慧裝置多元發展　抗硫化應用百花齊放 抗硫化電阻最早乃基於車用電子的需求而研發，在全球首款抗硫化記憶體模組研發前，業界對記憶體硫化原因尚未能有清楚的認識，也未意識到硫化議題重要性。 然而，隨著車用電子逐漸成為各大科技廠於半導體終端應用市場布局重點，推升車載記憶體需求；加上多位於條件嚴苛且複雜環境的邊緣運算裝置數量呈爆發性成長，應用端對具備實質抗硫化效果的工業用記憶體模組需求也隨之成長，帶動抗硫化記憶體模組於各垂直市場採用率，逐步擴大於所有高溫、高濕、含硫環境的工業級應用，如採礦控制系統、國防航太、汽車電子、工業設備、網通與伺服器產品，徹底解決困擾工業電腦產業多年的問題。 另一方面，IPC產業領導廠商亦持續關注記憶體硫化問題，深知記憶體硫化對工業電腦、網通與伺服器產品可靠度及使用壽命影響甚鉅，要求全面導入抗硫化記憶體模組，期能提升工業電腦對抗惡劣環境能力，並藉此增進產品附加價值並創造差異化。 綜上所述，抗硫化議題成為產業焦點，而台灣從中扮演了關鍵角色。觀察抗硫化記憶體模組採用情形，自最高等級抗硫化記憶體模組開發以來，已成功解決使用者痛點，應用上也未再出現任何電阻硫化問題。像是台灣科技廠宇瞻開發之抗硫化記憶體模組，其產品發表後已陸續於美國、台灣、中國取得專利(表3)，並於2018年進一步擴大抗硫化技術應用，大規模拓展抗硫化產品布局至工業用記憶體DDR4、DDR3規格。抗硫化記憶體模組可望成為從雲端到終端，從資料中心、伺服器到邊緣裝置的標準規格，為全球記憶體模組市場開展新方向。 (本文作者為宇瞻科技技術支援部高級工程師)

圖1　第一個SEPIC採用平均模型，而右邊第二個實施逐週期法。 運用仿真來比較兩個電路的輸出回應。如圖2所示，兩個電路的回應非常相近。曲線的左邊描述了啟動序列，右邊部分顯示了兩個模型對負載階躍的回應。在這一階段具有相同的回應是首要證明顯示大訊號模型平均來說，正確地仿真SEPIC內部，而我們可以小訊號版本進行。 DCM PWM開關的大訊號模型由上篇文章的公式10中推導出的小訊號版本所代替，與Vorpérian博士先前考慮的不同。兩個模型得出了相同的分析，但Vorpérian博士先前考慮的是一個常見的配置(C端是接地的)，而為了建立一個自動切換的DCM-CCM模型，保留了原本普通被動配置。採用DCM PWM開關的小訊號模型更新的電路圖如圖3所示。右邊的參數列表計算分析所需的所有係數k。 確定準靜態增益 為了確定準靜態增益，須要照圖2使所有電感短路，所有電容開路。這正是SPICE在計算工作偏壓點時所做的工作。然後重新排列所有的訊源和元件以簡化電路，使其更易於分析。當做這項工作時，建議始終實施全面的檢查，確定新電路的動態回應與圖3完美匹配。任何偏差都表明出了錯，或者簡化中的假設過於樂觀：重複該做法直到振幅和相位完美匹配為止。組合出圖4的電路。 圖2　平均模型的瞬態回應與逐週期模型完全符合。 圖3　這是運行在DCM模式的SEPIC的小訊號模型。節點d1是負載比偏差和進入點。所有小訊號係數都自動出現在參數視窗。 圖4　用來確定準靜態增益H0的最終直流電路。 幾行算式將使我們得到輸出電壓表達式： 公式1   公式2 將公式1中的Ic代入公式2解出Vout。會得到： 公式3 小訊號準靜態增益簡單地表示為： 公式4 時間常數的確定 我們將採用FACTs並單獨確定電路的時間常數，而不是用圖3的完整原理立刻求解整個轉移函數。這種方法提供了一個優勢，以處理透過對個別草圖的SPICE仿真獲得的結果。這大大有助於逐步前進和追蹤錯誤，而不至於在大量的工作時間後才發現最終的結果是錯誤的。 為了確定時間常數，將刺激減為0。在此，由於我們想要控制到輸出的轉移函數，刺激是d1。將其減為0有助於簡化電路，如圖5所示。 圖5　將刺激減為0有助於簡化電路。在此從驅動電感L1的電阻開始。 可以用幾個公式來描述這個電路，我們知道IC=IT： 公式5 公式6 公式7 公式8 將公式7代入公式8然後解出V(c)。替代公式8中的V(c)解出V(a)。接著可得： 公式9 如果重新排列由圖3的定義替換係數k，將得出時間常數1的定義： 公式10 二階時間常數指的是從C2端看到的電阻，而L1是短路的。新的電路如圖6所示。由於L1短路，a和c端在一起，簡化更新的電路為右邊的圖片。 圖6　使電感短路真正簡化電路。 再一次，幾個簡單的等式會很快得出結果： 公式11 公式12 將公式11代入公式12，然後解出VT並重新整理。會發現： 公式13 如果知道試圖確定涉及C3的三階時間常數，變壓器配置(完美耦合)使其兩端電壓等於0V：在動態轉移函數中電容器不起作用。因此第一個係數b1定義為 公式14 二階係數 對於二階係數，我們將設置電容C2處於其高頻狀態(以短路代替它)，同時將確定驅動電感L1的阻抗。圖7說明了這種方法。因為輸出因C2短路，節點a和c都處於相同的0V電位。電路簡化為右側示意圖。 圖7　二階係數設置儲能元件之一處於其高頻狀態(C2)，同時可確定電感兩端的電阻。 我們可寫出描述VT電壓的第一個等式。觀察到：第一，IT和IC是相同的；第二，VT=–V(c)，我們有 公式15 因式分解VT/IT，L1兩端的電阻為 公式16 二階時間常數定義為 公式17 如果我們認為Vout=MVin，b2係數表示為 公式18 合併我們確定的時間常數，得出分母D(s) 公式19 如果我們考慮一個低Q值的近似值，這二階分母可以近似由兩級聯極點定義為 公式20 公式21 和合併為 公式22 零點的確定 如上文所述，當刺激調至零角頻率sz,，變形電路的回應為無訊號輸出(見圖1)。該運用現將包括將刺激復原和確定無訊號輸出的變形電路條件。圖8所示為我們須要研究的更新電路。無訊號輸出的有趣之處在於其傳播至其它節點。例如，如果Vout=0V，然後由於變壓器高邊連接，節點a也處於0V，所有涉及該節點的運算式可以簡化為如圖所示。如果輸出無訊號，則電流I1也為零，這代表Ic=I3。 圖8　在s=sz的特定條件下，觀察變形的電路，無訊號回應。 節點c的電壓定義為 公式23 因此，電流Ic等於節點c的電壓除以L1的電阻。 公式24 而電流等於 公式25 現將公式24代入公式25，然後視Ic=I3： 公式26 求解s，將係數k的值換為它們在圖3中的值，重新整理後會發現 公式27 這是個正的根源，因此為右半平面零點。透過收集所有的部分，發現極點和零點實際上是一個DCM Buck-Boost轉換器的極點和零點而得出完整的轉移函數： 公式28 及 公式29 公式30 公式31 和 公式32 最後的檢查，我們可比較Mathcad和圖1大訊號模型的SPICE仿真的動態回應。如圖9所示，曲線完美重合。 圖9　Mathcad和SPICE提供完全相同的回應(曲線完美疊加)。 另一個驗證是由採用不同的平均模型仿真相同的SEPIC結構建構。這也是一個自動切換的CCM-DCM模型，但接線方式稍有不同。圖10所示為兩種平均模型採用一個類似的SEPIC架構；圖11則證實兩個交流回應在相位和振幅上完全相同。 圖10　CoPEC平均模型包括單獨的開關和二極體連接。 圖11　DCM PWM開關和CoPEC DCM模型提供相同的動態回應。 快速分析技術為推導線性電路轉移函數提供了一種快速而高效的方法。在被動電路中，觀察可能實現的，而且是經常的，毋須寫一行代數就能得到轉移函數。隨著電路變得複雜和包括刺激源，不得不採用經典的KCL和KVL分析。但當確定分子和分母中個別的多項式因數時，如果有錯誤的話，很容易追蹤和只關注錯誤項。在複雜的電路中，小草圖和SPICE的幫助是極有用的。最後，最終結果以一種有意義的格式表示，並可直接區別出極點和零點位於何處。這是非常重要的，因為必須知道問題隱藏在轉移函數的何處。作為一個設計人員，必須平衡它們，這樣自然的產生傳播或元件的變化不會危及系統在運行中的穩定性。 (本文作者任職於安森美)

2010年，低功耗藍牙的誕生讓藍牙技術又向前邁進一大步。其影響力既深且廣，應用範圍涵蓋智慧型手機和平板、醫療和健身、智慧家庭，以及穿戴式裝置市場。以Mesh網路拓撲建立的無線通訊系統，已證實能夠有效提供大範圍的涵蓋率，不僅能延伸涵蓋範圍，而且相當穩定可靠。然而，在此之前這類網路都是建構在特殊技術之上，無法與大多數消費者的電腦、智慧型手機與周邊配件相容，亦不適用於企業端。 此次藍牙Mesh技術規格的制定是120家藍牙技術聯盟企業會員共同努力的成果，遠遠超越了一般正常的規模，也因此才能滿足全球對於藍牙網狀網路產業標準的要求。對藍牙技術而言，Mesh規格的制定，象徵著型態的轉變，而其影響層面之龐大，也讓它成為一項典範轉移。本文章共分上下篇，上篇敘述藍牙Mesh應用與特點，下篇則描述藍牙Mesh技術與設計架構。 藍牙Mesh實現智慧建築 想像一下，在一個天還未亮的冬日清晨，您開車去上班，經過公司保全系統之後，系統自動分配一個車位給您(圖1)。車位上方的編號自動亮起，引導您輕鬆將車停好。接著，車位分配系統立即將這個車位標記為已占用。 圖1　藍牙Mesh網狀網路涵蓋整個辦公室和停車場。 走進大樓，人員感應器偵測到您的存在，立即透過您的穿戴式裝置辨認您的身分。您走進電梯，搭到二樓，然後走出電梯。一如往常，您又是第一個進辦公室。當電梯門開啟，從電梯口到您辦公室及廚房的沿路，燈光自動亮起，咖啡是您公司不可或缺的要素，為了節能，其他區域依然保持在黑暗中。 您走進辦公室，身後的門自動關上。天花板及您桌上的檯燈都已經為您開啟，並且調整在您覺得最舒適的亮度。您注意到室內的溫度似乎比整個辦公室稍微溫暖一點，這正好是您個人最愛的溫度。您一坐下，您的電腦就自動將您登入。 您的一天就此順利展開，大樓自動回應了您的需求，甚至貼心地配合您的喜好。所有系統都很有效率地運作，而這一切是如何辦到的？ 幾個月前，公司安裝了一套藍牙Mesh網狀網路，一開始先安裝的是Mesh照明系統；後來人員感應器、環境感應器、無線暖氣空調及停車管理系統也陸續加入Mesh網路當中。公司因此省下了不少的電費和暖氣費，而且工作環境也變得更有人性，大幅提升了個人的工作效率。不僅如此，維護成本也因而降低，因為公司再也不必為了增加新的照明開關而大費周章地布線，既省下昂貴的成本，又不會干擾正常營運。 與此同時，大樓管理團隊也能透過各種資料來了解整個大樓及各項服務的狀況，同時掌握人們的使用情況，然後再利用這些資料將系統調整至最佳狀況。 藍牙Mesh網狀網路讓您輕鬆、經濟地掌握整棟建築的各項服務，並透過無線方式來操控並設定自動化行為。回想起來，您還真不知道以前沒有這套先進系統時是怎麼過活的。 藍牙Mesh技術基本概念 要了解藍牙Mesh網狀網路拓撲，首先要先對一些藍牙以外的最新科技名詞和概念有所認識。本章節將介紹一些最基本的名詞和概念。 「網狀網路」與「點對點」 大多數的低功耗藍牙裝置都是經由簡單的「點對點」網路拓撲來和其他裝置通訊(一對一通訊)，在藍牙的核心規格當中，這樣的網路稱為「Piconet」微微網。  想像一支智慧型手機和一台心率監視器之間建立了點對點連線，並將資料傳輸到手機上。藍牙有一項不錯的特性就是裝置可以建立多個連線，因此這支智慧型手機還可和另一個活動紀錄器建立點對點連線。儘管這支智慧型手機可以同時和兩個外部裝置直接通訊，但外部裝置彼此之間卻無法直接通訊。 反觀網狀網路則是一種「多對多」的網路拓撲(圖2)，網狀網路中的每個裝置都能與其他任一裝置通訊，這一點會在後續的文章當中詳細說明。裝置之間通訊的方式是透過訊息，而且每一裝置都可以轉發訊息，因此從兩端的通訊距離可以超越個別節點無線射頻功率所及的範圍。 圖2　採用訊息轉發架構的多對多網路拓撲。 裝置與節點 網狀網路中的每一個裝置就是一個節點，而尚未加入的裝置則稱為「未啟動配置裝置」(Unprovisioned Device)。因此，一個未啟動配置裝置轉變成網路節點的過程就叫做「啟動配置」(Provisioning)。想像一個情境，使用者新買了一個支援藍牙Mesh技術的燈具帶回家安裝，而為了將它加入藍牙Mesh網路，必須先啟動配置燈具以便能夠透過現有的藍牙照明開關或調光器來操作。 啟動配置是一個安全的程序，經過此一程序，未啟動配置的裝置會獲得一連串的加密金鑰，並且向「啟動配置器」(Provisioner)裝置(通常是平板或智慧型手機)註冊，其中一把金鑰是「網路金鑰」，簡稱NetKey。 Mesh網路中的所有節點至少都會有一把網路金鑰，也正因為擁有此一金鑰，裝置才可算是該網路的成員，並稱為一個節點。不過，節點在能發揮作用之前，還要滿足幾項條件；首先最基本的就是透過一個安全的配置程序取得一把網路金鑰。 元素 有些節點會有多個組成單元，每一個單元都能夠獨立被操控。在藍牙Mesh技術的術語中，這些組成單元叫做「元素」(Element)。圖3顯示一個LED燈具，當它加入藍牙Mesh網狀網路時，會變成一個擁有三個元素的單一節點，每一元素則分別對應至不同的LED燈。 圖3　包含三個「元素」的照明節點。 訊息 當一節點須要查詢其他節點的狀態，或者操控其他節點時，就要傳送某種類型的訊息；若節點需要向其他節點通報自己的狀態，也是藉由發送訊息通報。 網狀網路中的所有通訊都是透過「訊息」來達成，藍牙Mesh技術已定義了許多訊息類型，每一類都有自己獨特的代碼(Opcode)。 訊息主要分成兩大類：「須確認」(Acknowledged)和「不須確認」(Unacknowledged)兩種。須確認訊息的接收端節點必須做出回應，回應有兩項目的：第一，確認訊息已收到；第二，將接收端的資料傳回發送端。 須確認訊息的發送端若未收到預期的回應，可重新發送訊息，因此須確認訊息必須具備等冪(Idempotent)特質。換句話說，當某個節點收到多次相同的須確認訊息，效果和收到一次是一樣的，不須確認訊息則不須回應。 位址 訊息的傳遞必須從某一位址到另一位址，藍牙Mesh技術定義了三種位址。單點傳播(Unicast)位址用來對應單一元素定址，在配置程序中，單點傳播位址會被指派至裝置。 群組位址是一種群播(Multicast)位址，可用來對應一個或多個元素定址。群組位址可由藍牙技術聯盟定義或動態指派，前者就是所謂的「SIG固定群組位址」(SIG Fixed Group Addresses)。目前共定義了四個SIG固定群組位址，包括All-proxies、All-friends、All-relays及All-nodes。本文後續會對代理(Proxy)、好友(Friend)和轉發(Relay)等名詞的意義做進一步解釋。 動態群組位址的用意是要讓使用者透過一個組態設定程式，建立並對應一棟建築的實體組態。 例如，建築中的每一個房間都有對應的群組位址，虛擬位址則用來對應一個或多個元素定址的位址，並可涵蓋多個節點。其格式是一個128位元的通用唯一識別碼(UUID)，可對應任何元素，就如同標籤的作用。 發布/訂閱 「發布」就是傳送訊息的動作，而設定讓節點從特定位址接收某些訊息的動作，就是「訂閱」。一般來說，訊息會發送至群組位址或虛擬位址。群組和虛擬位址的名稱，通常會讓使用者一看就知道用意，因此在使用上既方便又直覺。 如圖4，我們看到「開關1」節點會發布訊息到「廚房」群組位址。「燈泡1」、「燈泡2」、「燈泡3」這三個節點，則訂閱了「廚房」這個位址， 因此會接收及處理發布至該位址的訊息。換句話說，「燈泡1」、「燈泡2」和「燈泡3」即可透過「開關1」來操控。 圖4　發布/訂閱情境示意圖 「開關2」會發布訊息到「餐廳」這個位址。而圖中只有「燈泡3」訂閱了該位址的訊息，因此「開關2」只能控制此一燈泡。請特別留意，此範例也示範了節點可訂閱不只一個位址的訊息，這樣的設計既強大又彈性。 同樣地，請特別留意「開關5」和「開關 6」兩個節點皆可發布訊息至「花園」這個位址。採用群組和虛擬位址並搭配「發布/訂閱」的通訊機制的另一絕佳優點，就是當網路中移除、更換或新增節點時，不須重新設定其他節點。 想像一下，如果餐廳需要新增安裝一盞燈會需要哪些流程。首先，新的裝置必須經過配置程序加入網路，並且設定訂閱「餐廳」的位址訊息；而其他的節點完全不會因改變而受到影響。「開關2」就像之前一樣，依然將訊息發布至「餐廳」，但現在「燈泡3」，以及新的燈泡都會做出回應。 狀態與屬性 元素可以有多種狀態，在藍牙Mesh技術當中，這樣的概念是透過狀態值來表示。「狀態」為一元素當中某種類型的數值(請參閱文後的「伺服器」模型章節)。除了數值以外，狀態還有一些對應的行為，且無法重複應用在其他情境。 例如一顆簡單的燈泡，其狀態不是「開」就是「關」。藍牙Mesh技術定義了一個叫做「通用開關」(Generic OnOff) 的狀態。燈泡即含有這樣的狀態，因此，數值「On」對應的就是燈泡開啟的狀態，或者讓燈泡點亮。 反觀一個數值為「Off」的Generic OnOff狀態，對應的就是燈泡關閉的狀態，或者讓燈泡熄滅。 稍後我們會再談到Generic通用定義的重要性。屬性與狀態一樣，都含有關於某元素的數值，這方面兩者類似，但在其他方面卻截然不同。對於熟悉低功耗藍牙的讀者可能會聯想到特性(Characteristic)，這是一種沒有對應行為定義的資料類型，因此可應用至各種不同情境，屬性提供解讀某個特性的情境。 為了示範情境對於屬性的重要性及使用方式，本文舉「Temperature 8」為例，這是一個8位元的溫度狀態類型，並且有一些對應的屬性，包括當前室內周遭溫度(Present Indoor Ambient Temperature)與當前室外周遭溫度(Present Outdoor Ambient Temperature)。 這兩個屬性可讓感應器發布感應器讀值，供接收訊息的裝置可以根據溫度的情境，更正確地解讀溫度數值。屬性主要分成兩大類：製造商(Manufacturer)屬性是一種唯讀屬性，系統管理員(Admin)屬性則是讀寫兩用屬性。 訊息/狀態/屬性 訊息是用來觸發Mesh網路裝置運作的機制。形式上，訊息類型代表著一種針對個別或一群狀態數值的操作。所有訊息都可歸為三大類型，各自反映藍牙 Mesh技術所支援的操作類型，這三大類分別為，讀取(GET)、設定(SET)和狀態(STATUS)。 讀取訊息用以取得一個或多個節點的狀態數值。狀態訊息則是用來回應讀取訊息，內含對應狀態的數值。設定訊息用來改變某狀態的數值。須確認的設定訊息最後會產生一個狀態訊息，以回應設定訊息；不須確認的設定訊息則不須回應。狀態訊息則用來回應讀取訊息、須確認的設定訊息，或者單獨使用無關的其他訊息，例如某個元素上的計時器所觸發的狀態訊息。 訊息所參照到的個別狀態，必須從訊息的代碼導出其意義；屬性則不然，在通用屬性相關訊息當中，它是直接以一個16位元屬性識別碼(ID)來表示。 狀態轉換 從某一狀態變成另一個狀態就叫做「狀態轉換」。狀態轉換可以是瞬間的，或者持續一段時間才完成，這段時間就叫做「轉換時間」。狀態的轉換很可能會對節點在應用層的行為產生影響。 狀態綁定 狀態之間彼此可能會存在著某種關係，因此改變一個狀態，可能會連帶影響另一個狀態。這樣的關係就是「狀態綁定」(State Binding)。一個狀態可以跟其他多個狀態綁定。例如某個透過調光器控制的燈泡有兩個狀態：通用開關通用高低(Generic Level)，彼此互相關聯。假使將亮度調整至通用高低的數值「零」(也就是全暗狀態)，就會使得通用開關的狀態從「On」轉換至「Off」。 模型 模型則將前面所介紹的概念都集合起來，用來定義一個元素在網狀網路當中的部分或所有功能，模型基本上分成三種。 第一種是「伺服器」模型，此模型定義了一些狀態、狀態轉換、狀態綁定，以及包含此模型的元素可能發送或接收的訊息。此外，伺服器模型也定義了訊息、狀態、狀態轉換對應的行為。 第二種是「用戶端」模型，此模型未定義任狀態，但定義了其可能發送或接收的訊息，以便「讀取」、「設定」狀態或接收其對應伺服器模型中所定義的「狀態」訊息。第三種是「控制」模型，此模型同時結合了「伺服器」模型(可與其他用戶端模型通訊)以及「用戶端」模型(可與伺服器模型通訊)。 當然，也可以透過延伸其他模型來建立模型，未延伸過的模型稱為根模型(Root Model)。模型一旦定義就永遠不能改變，換句話說，不能透過新增或移除行為來改變模型，要滿足新的需求，唯一正確且允許的方式就是延伸既有的模型。 Generic通用定義 有許多不同類型的裝置，其基本上都有一些意義相同的狀態。最簡單的就是「開」和「關」兩種狀態，例如燈泡、風扇、插座，全部都可切換成「開」或「關」。 因此，藍牙Mesh模型規格定義了一系列可重複使用且通用的狀態，例如通用開關和通用高低。同樣地，也定義了一系列作用於通用狀態的通用訊息，例如：通用開關讀取「Generic OnOff Get」和通用高低設定「Generic Level...

機器視覺應用的難點在哪些方面，以及什麼使GigE Vision在系統整合商中如此受歡迎？機器視覺硬體和軟體規格眾多，每個解決方案都有特點，使用者可以從中選擇最適合需求的選項和組合。機器視覺架構的主要大腦都是中央處理單元(CPU)。今天的多核CPU提供卓越的性能，又能使軟體設計人員能夠開發C和其它特定檢測功能的基本應用程序(如符號讀取，字符識別或存在/不存在零件檢測)，並可藉由特定CPU組態、指令集優化程式，同時可由下列幾項協同處理器提高系統性能。 繪圖處理器(GPU)是專用電路，旨在提供巨大的浮點計算能力，可用於加速圖像處理，並且能夠快速處理定義此類圖像的相關數據。GPU可以在大數據集的所有元素上同時應用通用指令，例如構成圖像的元素，且強大的平行運算架構，也是目前深度學習在訓練模型中最佳的方案。 現場可程式邏輯陣列(FPGA)是另一種形式的整合電路，可以對其進行優化以快速執行多條指令，可用於快速執行複雜的功能和計算。 處理器與協同處理器可以組合形成CPU+GPU、CPU+FPGA和CPU+GPU+FPGA，機器視覺處理架構因此可以針對各種的應用進行量身定制，並且實現可擴展的性能。角色的分工處理如下：CPU執行算法；GPU編碼，解碼和顯示訊息；FPGA執行數據預處理，特別是在空間/頻率域中。而在一個晶片上整合CPU和FPGA的SoC系統，由於整合電路體積小、功耗低，因此較常使用在行動設備中。另一方面，對於高頻寬、即時(Real Time)線上檢測環境，CPU+FPGA設計也能得到較好的結果。 對於高資料量與多相機的這類型應用，一台或多台工業相機須通過高速通訊協定將圖像資料傳送到PC，因此GigE Vision成為工業相機介面主流。 GigE Vision最具吸引力的特點是支持更長的電纜長度，與FireWire 4.5公尺的最長電纜長度和Camera Link的10公尺長度相比，GigE Vision支持高達100公尺，而毋須使用中繼器。GigE Vision還能使用乙太網交換機輕鬆擴展其系統。由於每台工業相機都可以使用IP地址進行尋址，因此在同一網路上可以無限制的連接多顆工業相機。同時乙太網電纜能夠通過100公尺長的電纜使用乙太網供電(PoE)；相較於FireWire和Camera Link來說可節省更多配線成本與時間。Cat 5e和Cat 6電纜的低成本使GigE成為需要長距離走線最具成本效益的解決方案。 GigE Vision工業相機協定是基於GenICam的指令結構，GenICam是由歐洲機器視覺協會(EMVA)所定義。以確保符合GigE Vision視覺標準的工業相機都能相容於所有第三方軟體和硬體。這能為系統整合商降低視覺系統整合和維護的成本。此外，GigE Vision結合了其他工業相機所欠缺的許多功能，如高資料量傳輸速率、未壓縮影像傳輸、低配線成本、隨插即用功能。同時也不須額外採購特殊介面且複雜的圖像擷取卡。 現今，市場有為數眾多的GigE Vision相機供應商，提供低至高解析度，高速，單板，緊湊型等各式工業相機，使GigE Vision標準成為最理想的機器視覺相機標準。 Gigabit乙太網和GigE Vision工業相機的優勢可歸納為以下優點： 1.基於PC Base視覺系統的最佳成本效益解決方案。 2.長距離連接：每段100公尺，總長度幾乎不受限制。 3.靈活、多樣化的網路配置。 4.高性能，擴充性好(可通過GigE Vision介面卡或交換器)。 5.基於GigE Vision和GenICam標準，優異的相容性和眾多供應商與型式。 占用CPU資源成GigE Vision限制 使用GigE Vision相機，由於圖像資料是以網路封包的方式從相機傳輸至PC Base平台，須占用系統CPU資源解析網路封包並轉為圖像資料，因此應用程式方面系統整合商可能須要根據系統優先順序和調整CPU多工處理，以達到預期的結果。另一方面在多相機的應用方案中，嵌入式工業控制器或機器視覺系統可能無法提供所需的所有乙太網路接口。在這種情況下，系統整合商可以使用PCI...

CAN匯流排調試過程中出現封包發送失敗，很多工程師都對此只知其一不知其二，今天我們就CAN封包發送失敗的問題來做一次探討。在瞭解CAN封包為什麼會發送失敗之前，我們先看看一條正確的CAN封包到底應該是怎麼樣的，表1是一個正常標準資料幀的封包組成。 ACK為CAN通訊關鍵要素 CAN匯流排是一種基於廣播的通訊方式，為了保證匯流排上的每一個正常節點都能正確的接收到封包，封包的發送者要求每一個接收節點在封包發送結束前要作出應答，這也是封包裡ACK存在的原因。 一幀CAN封包中ACK段長度為2個位，包含應答間隙(ACK Slot)和應答界定符(ACK Delimter)。在應答場裡，發送站發送兩個隱性位。當接收器正確地接收到有效的封包，接收器就會在應答間隙(ACK Slot)期間(發送ACK訊號)向發送器發送一「顯性」的位以示應答。 ．應答間隙： 所有接收到匹配CRC序列(CRC SEQUENCE)的站會在應答間隙期間用一顯性的位寫入發送器的隱性位來作出回答。 ．應答界定符： ACK界定符是ACK場的第二個位，並且是一個必須為隱性的位。因此，應答間隙(ACK Slot)被兩個隱性的位所包圍，也就是CRC界定符(CRC Delimter)和ACK界定符(ACK Delimter)。  ACK出錯之原因 而如果匯流排上沒有ACK應答(即應答間隙為隱性)，發送器就會發送一個錯誤標誌，並且發送錯誤計數器值加8，節點就會對封包進行自動重發。 若是自動重發依然收不到ACK，則會在發送錯誤計數器計數滿128後(即出現16幀錯誤幀)，由錯誤主動轉為錯誤被動狀態，如圖1所示。 圖1　應答界定符錯誤幀 那麼，導致ACK段出錯的原因有哪些呢？下文總結了數個原因。 首先是匯流排上只有一個有效節點。發送封包的節點在發送出一幀封包後會檢測匯流排上應答間隙的狀態，如果檢測到應答間隙為隱性位，則表示該幀封包沒有得到ACK，發送失敗，需要重發，而由於發送錯誤計數器會在發送失敗後累加，直到該節點關閉。 所以，當匯流排上只有一個有效節點時，這個節點是發不出去資料的，因為它所發出的資料幀中的ACK Slot沒有另外一個節點來填充，將永遠是隱性位，這個節點會一直重發資料直到發送成功或發送被取消。 至於其他的原因還包括：串列傳輸速率不匹配或者節點沒有初始化，導致沒有ACK；匯流排線纜短路、斷路、接反；高速CAN匯流排上接的節點不是高速CAN，而是容錯低速CAN，導致不匹配。 當調試CAN匯流排時出現節點發送封包失敗的情況時，一定要檢查是不是以上幾點疏漏導致匯流排上ACK異常。而借助恰當的儀器，可以在查找CAN匯流排錯誤時事半功倍。圖2即採用致遠電子的CANScope來對錯誤幀進行標記，同時找到錯誤幀對應的波形來查找出錯誤情況。CANScope還可以對CAN匯流排實體層、資料連結層、應用層做一系列的測試，為CAN工程師解決測試難題。 圖2　沒有ACK的封包。 CAN封包位元解析 CAN-bus匯流排是應用最廣泛的現場匯流排之一，而很多非常熟練的CAN工程師，面對一條CAN封包到底有多少位的問題時，卻不能非常準確地回答。對此，本文就從最基本的框架格式來解惑一條CAN封包的到底有多少位。 CAN封包幀分為幾種呢？CAN-bus通訊幀共分為資料幀、遠端幀、錯誤幀、超載幀和幀間隔；而資料幀和遠端幀又有標準幀和擴展幀兩種，其框架類型以及用途如表2所示。 數據幀 資料幀從結構上看分為7段，分別為起始段、仲裁段、控制段、資料段、CRC校驗段、ACK應答段、幀結束段。 ．幀起始段： 該段由單個顯性位元構成，在匯流排空閒時才允許發送，所有節點必須同步於開始發送的資料幀的起始位元。 ．標準幀仲裁段： 標準幀的仲裁段由11位ID碼和一個顯性位RTR碼組成，RTR碼為遠端幀標識位元。 ．擴展幀仲裁段： 擴展幀的仲裁段由29位ID碼、一位顯性的SRR碼、一位隱性的IDE碼和一位顯性的RTR碼組成。 ．標準幀控制段： 標準幀的控制段由單位顯性的IDE、保留位r0和4位元資料長度代碼DLC組成，DLC資料段採用BCD編碼。 ．擴展幀控制段： 擴展幀的控制段由兩個保留位r1和r0和4位的DLC資料段組成，r1和r0都為顯性填充，接收時無論保留位是顯性還是隱性都沒有影響。 ．資料段： 一個資料段為8個位元組。 ．CRC校驗段： CRC校驗段由15位的校驗碼和1個隱性位填充的CRC界定符組成，CRC校驗範圍為幀起始、仲裁段、控制段和資料段。 ．ACK段： ACK段由ACK碼和一個隱性位ACK界定符組成，發送節點在ACK段發送兩個隱性位，接收節點在收到的封包ACK前面的框架格式沒有錯誤時，將發出ACK碼為顯性位的封包。 ．幀結束段： 由7個連續的隱性位組成。 遠程幀 遠端幀框架格式跟資料幀類似，也分為標準幀跟擴展幀，但是遠端幀屬於被請求發送節點發送的封包，而資料幀是發送節點的封包，如圖3，遠端幀沒有資料幀。參照資料幀可瞭解遠端幀的結構，但是兩者之間也有不同。 圖3　標準遠程幀和擴展遠程幀的結構圖 ．SRR段和RTR段： 資料幀是顯性電平，遠端幀是隱性電平。 ．節點性質： 資料幀是發送節點發出的封包格式，遠端幀是被請求發送的節點發送的封包格式。 ．CRC校驗範圍： 資料幀是幀起始、仲裁段、控制段和資料段，而遠程幀則是幀起始、仲裁段和控制段。 瞭解了資料幀跟遠端幀的標準封包格式後，有些使用者可能會詢問，有時看到的封包為什麼跟標準格式的位數不一樣？下文便詳細說明。 CAN-bus位元填充規則 CAN-bus屬於非同步串列通訊，這種通訊方式沒有時鐘線，所以各個收發器的時鐘不可能完全一致，時鐘不一致就會造成偏差。所以為了解決這個問題，CAN匯流排採用同步的方式來校準時鐘。 CAN-bus規定訊號的跳變沿為同步訊號，只要訊號發生變化，節點時鐘就被同步一次；CAN-bus還規定同步的最大週期為5個位。 但是問題來了，要是出現連續性的5個位甚至更長時間沒有邊沿跳變(例如資料段全為0×56)，那該如何解決呢？CAN-bus對這種情況又進行了規範，如果傳輸的位元訊號連續5個位是相同的，就要插入一個電平相反的位，這個就是CAN-bus的「位元填充」規則。  0×00和0×55封包解析 由於位元填充規則的存在，所以就存在著即使兩個幀都是標準資料幀，但是發送不同ID，或者是資料段的時候封包時間會不同。 圖4為1M串列傳輸速率下ID跟資料都為0×00的標準資料幀封包，原本108個位的標準資料幀的真實封包時間為123us。 圖4　標準資料幀0×00封包 而0×55的標準資料幀封包格式則如圖5。ID為555H，資料段為55H，封包沒有出現連續的相同位，所以填充位最少，8位的資料段位時間為標準的8us，全封包時間為108us。 圖5　標準資料幀0×55封包 表3給出了標準資料幀、擴展資料幀、標準遠端幀，以及擴展遠端幀四種框架類型在發送不同ID和資料時位元時間的差別。 總而言之，通過CAN-Scope匯流排分析儀的封包接收和示波器，可以將每一幀封包跟波形做對應，快速分析匯流排上的封包時間和波形情況，實現CAN匯流排的快速故障定位和干擾排除。 (本文作者任職於致遠電子)

產品效能需求增推動半導體業研發新技術 家電廠商不斷地尋求更高的產品效能，以符合日益趨嚴的效能法規，達到降低功耗和節省電費的目的。更具體地講，主要需求是降低設備在低負載穩態以及滿載工作狀態下的功率損耗。因此，研發高效能開關，特別是在低電流條件下實現高效能，是達到這個市場需求的關鍵要素，同時也是半導體廠商研發新技術的動力。 因為過去幾年技術改良取得較大進步，電源供應商最新的功率MOSFET技術可以成功地替代變頻電機控制器的IGBT開關，而且在很多應用領域，特別是在低負載工作狀態下是首選的功率開關解決方案。除了持續的效能需求外，整個變頻系統設計還須要優化尺寸、可靠性和開發工作量。為滿足這些多重目標，像是意法半導體的SLLIMM-nano產品家族便新增兩種不同的功率開關技術(圖1)，分別為： ．IGBT：3/5/8A、600V內置超高速二極體的PowerMESH和溝槽場截止IGBT--STGIPNxH60y/ STGIPQxH60y。 ．高耐壓超接合面MOSFET：3/5A、600V內置快速恢復二極體N溝道MDMesh DM2功率MOSFET--STIPQxM60y。 圖1　兩種不同功率開關技術 從這兩項技術中選擇哪一項技術須要考慮多個因素，例如，功率大小、PWM開關頻率、工作溫度、控制策略。本文在小功率壓縮機典型工作狀況中對兩個不同的SLLIMM-nano智慧功率模組進行了詳細的電氣表徵和熱性能比較，這兩款模組分別採用下面兩項開關技術，包括3A PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和3A高耐壓超接合面MOSFET(STIPQ3M60x)。 電機控制的主要應用包括基於三個半橋的變壓變頻逆變器。在硬開關換流半橋拓撲內，續流二極體必須具有低正向偏壓和快速反向恢復(低trr和Qrr)的特性。電機驅動的典型開關頻率是在4kHz到20kHz範圍內，以降低人耳能夠聽見的雜訊。 電機驅動應用和硬開關換流息息相關 要想優化功率開關的低頻性能，首先是開關須具備導通電壓低，其次是低開關損耗。電機驅動器還必須穩健可靠，在保護電路啟動前，能夠長時間耐受電壓電流突變。因為是單極元件，無少數載流子，功率MOSFET的優點是正向偏壓(VDS(on))隨漏極電流線性降低，關斷換流快。另一方面，其固有本體二極體(Body Diode)表現出與分立二極體相同的物理局限性，這是MOSFET結構所致。 在IGBT內，電壓降(VCE(sat))與集電極電流不是線性關係。在變為導通電壓前會出現一個臨界壓，飽和時在某一個集電極電流之上有一個接近恆定的正向壓降；為取得預定的反向恢復能耗和正向偏壓，可以選擇共同封裝的二極體及其尺寸。  最後，與IGBT相比，功率MOSFET的導通電壓損耗低，尤其是在低電流時更為顯著；關斷能耗低，不過，導通能耗較高，而加快本體二極體的反向恢復速度與所用技術製程有關。 電機控制功率開關技術有效降低功耗 為滿足電機控制的需求，半導體業者提供多種功率開關技術。這些功率元件提供典型的電機控制開關頻率，在壓降(VCE(sat))和開關能耗(Eon和Eoff)之間取得平衡，大幅降低了電壓導通和開關兩大損耗源產生的損耗。IGBT和Turbo 2超高速高壓續流二極體安裝在同一個封裝內，二極體經過優化處理，取得了較好的trr/VF比和恢復軟度。 另外，半導體業者也將超高耐壓超接合面MOSFET採用最新的MDMesh DM2快速二極體技術，此一技術使內部本體二極體的恢復速度更快，軟度和穩健性更好；而極低的反向恢復電荷(Qrr)和極縮的反向恢復時間(trr)，以及很低的RDS(on)通態電阻，非常適用於高效能電橋拓撲轉換器。 IGBT與MOSFET功率損耗比較 在典型工作溫度Tj=100℃範圍內，我們從動靜態角度對兩款元件(IGBT和超高耐壓超接合面MOSFET)進行了比較分析。在小電流時，MOSFET SLLIMM-nano(顯示線性特性)的正向壓降低於IGBT模組典型的類似於二極體的正向壓降，如圖2所示。從圖中不難看出，在電流低於0.7A(平衡點)時，超高耐壓超接合面MOSFET的靜態特性優於PowerMESH IGBT。 圖2　輸出靜態特性比較 另一方面，硬開關轉換器在開關導通和關斷過程中會發生功率損耗現象，因此，開關損耗也必須考慮在內。開關損耗的主要誘因是續流二極體的反向恢復電荷，在導通過程中導致開關電流升高。儘管超高耐壓超接合面MOSFET開關管優化過的本體二極體，大幅降低了功耗，但IGBT還是能夠利用共同封裝的超快速二極體降低導通功耗。 模擬結果 在下列條件下對PowerMESH IGBT和超高耐壓超接合面MOSFET進行了模擬對比測試，Vbus=300V, fsine=120Hz, Tamb=70℃，使用一個開關頻率8kHz的內置向量控制演算法(FOC)的PWM調製器和一個12C/W散熱器。 如圖3所示，在這些條件下，模擬實驗結果顯示功率損耗比較部分分析的電氣特性，也顯示了在180W前，超高耐壓超接合面MOSFET的熱性能優異，尤其是在較低負載時表現更加優異；於40W時總功率損耗降低40%，讓家電設備可以達到更高的效能級別。 圖3　模擬測試結果，逆變器功率損耗比較，Tamb=70℃ 超高耐壓超接合面MOSFET滿足低負載應用 在典型工作狀態的低功率壓縮機應用中，PowerMESH IGBT和超高耐壓超接合面MOSFET的模擬結果表明，在低負載下超高耐壓超接合面MOSFET熱性能表現更好，於40W時功率損耗可降低18%，使冰箱等家電能夠取得更高的效能等級。為驗證這個初步測試結果，我們還將在相同的測試條件下對一個低功率壓縮機驅動器進行台架測試，使用開關頻率8kHz的內置向量控制演算法(FOC)的PWM調製器。在做這個測試過程中，提高輸入DC功率(PIn)，同時觀察封裝溫度，因為封裝溫度是與總功率損耗相關的熱性能所產生。 (本文作者皆任職於意法半導體)