工業4.0

日前萊迪思發布新款低功耗FPGA Certus-NX，除了具有小尺寸、低功耗及瞬間啟動功能，同時強化其I/O密度，並支援PCIe和千兆乙太網路介面。Certus-NX瞄準數據處理與工業、車用趨勢，加強其運算速度與安全標準，並預計在2020下半年推出同樣採28nm FD-SOI製程的第三代產品。 圖　萊迪思推出全新Certus-NX系列FPGA。來源：萊迪思 基於工業4.0與自駕車應用趨勢，Certus-NX功能上強化其低功耗、小尺寸特性，除了有助於設備實現更多智慧功能，通過ACE-Q100認證，也使其適用於ADAS與自駕市場所需的汽車電子出品。萊迪思半導體亞太區現場技術支援總監蒲小雙提及，車用電子應用講求速度，如智慧後照鏡的顯示螢幕，需要在汽車一發動就馬上啟動，因此FPGA的啟動速度便是重點。Certus-NX中，單一I/O配置僅需3毫秒，而依照元件容量不同，整個元件啟動時間僅需8~14毫秒即可完成 資安方面，Certus-NX使用橢圓曲線加密演算法(ECDSA)，因此當使用者若將產品委託第三方生產，可以藉由金鑰保管來確保產品生命週期的安全防護，避免未經授權的竄改或複製。目前Certus-NX的樣品已經開始出貨給部分客戶，未來搭配相關的開發工具如Radiant軟體、預驗證IP、開發板，有助於加速研發人員的產品開發速度。

亞德諾半導體(ADI)宣布推出用於建築控制及流程自動化之業界首款軟體可配置輸入/輸出(I/O)產品系列，以協助製造商和工業營運商提高控制系統靈活性，同時降低產品複雜性。傳統控制系統採用複雜的通道模組、類比和數位訊號轉換器，以及與操作面的機器、儀器和感測器進行通訊的單獨有線輸入/輸出，其需要進行成本高昂且勞力密集的手動配置。 ADI新推出的AD74412R和AD74413R具有可重構的模組通道，可快速、輕鬆地實現遠端設計靈活的控制系統，同時毋需大規模重新佈線，大幅提高了製造商和工業營運商的實現速度和靈活性，並使其能在不大幅增加成本和停機時間的情況下進行更改。 工業4.0的演進使消費者行為和需求隨之改變，製造商需要更靈活的系統以快速輕鬆地因應不斷變化的需求，其不能再依賴為量產市場產品和可預測之需求而設計的固定型大規模系統，相反的，其需要靈活的系統來支援快速重新配置，使所需的停機時間和資本投入降至最低。運用ADI的軟體可配置I/O使製造商可更有效地進行新專案，並實現更彈性的自動化控制，進而降低設計和安裝成本，減少調試延遲。 在使用軟體可配置I/O時，製造商可開發一個平台來代替多個過時的固定功能I/O模組，或用於I/O隨每次安裝而動態變化的多個客戶應用中。對於傳統上依賴於帶有多個I/O模組的控制櫃且每通道類型需採用指定布線的系統而言，由於終端使用者現可安裝能在控制室編程的單一模組類型，使硬體的需求隨之減少，因此有助於降低物流、製造和支援成本。由於軟體可配置I/O允許進一步用於需要更新至10BASE-T1L工業乙太網路系統的棕地裝置，所以可將其作為基於乙太網路之控制網路間的連接橋樑。此外，其並支援開發標準化的可配置現場I/O單元，此類單元能在已安裝之支援HART的4-20mA感測器和執行器與10BASE-T1L或100M光纖回程間進行轉換。

意法半導體(ST)推出新工廠設備智慧維護震動監控解決方案，推動下一代工業4.0應用快速發展。 意法半導體系統研究與應用副總裁Alessandro Cremonesi表示，機器狀態監控對於工業數位化轉型至關重要，不僅可以幫助工廠提升製造效率和生產安全，同時還可以賦予新的服務和商業模式。該公司的震動感測器、工業物聯網多感測器開發套件，以及參考設計是目前市面上性能較好、價格較實惠的解決方案，可為客戶提供高性能和高成本效益的隨插即用工業感測器系統。 意法半導體新IIS3DWB震動感測器及配套電路板STEVAL-STWINKT1多感測器評估套件，可以加速狀態監控系統的開發週期。狀態監控系統能夠推斷設備維護需求，提升工業生產效率。在本地或雲端所分析監測到的震動數據，有助於企業制定合理的運營策略，讓機器正常執行時間最大化，同時使維護成本最小化，避免發生緊急維修事件。 IIS3DWB是為工業震動監控而優化的三軸MEMS加速度計。而STEVAL-STWINKT1評估板整合IIS3DWB和其他感測器、超低功耗微控制器及震動處理演算法、Bluetooth無線模組和USB介面，可以簡化原型設計和產品測試。該套件採用塑膠外殼，內部裝有電池，可立即用於應用開發，並提供一個簡便好用的參考設計。套件隨附高速資料記錄器和雲端電表板等軟體工具，可進行收集、分析和顯示測量結果。 意法半導體已為工業物聯網技術創新者－瑞典SPM提供IIS3DWB，用於該公司的電池供電的AIRIUS無線震動感測器。而SPM Instrument全球業務總監Rikard Svard則表示，該公司之所以選擇IIS3DWB，是因為其可以在一個低功耗數位元件中整合獨特的功能，包括三軸感測器、寬頻和低雜訊，這有助於我們達到AIRIUS設定的性能、研發週期和成本目標。 IIS3DWB震動監測系統級封裝現已量產，其採用14引線塑膠焊盤柵格陣列(Aand Grid Array, LGA)封裝。 IIS3DWB是意法半導體最先進的三軸超寬頻MEMS加速度計，可用於監控機器是否需要維修的主要指標性震動，在意法半導體工業產品10年供貨保證計畫內。該產品針對震動監控應用的特殊要求能進行了優化設計，頻率回應完全平直，雜訊低，最高6kHz，陡峭截止頻率和高衰減度，解決設計人員對於頻率混疊的挑戰，確保機器故障偵測的準確性和一致性。低功耗可最大限度延長獨立供電感測器節點的電池續航時間。IIS3DWB的主要功能包括三軸加速度計有著寬廣且平坦的頻率回響，可節省外部訊號調節電路，降低設計複雜性；數位隨插即用功能，在晶片上整合訊號調節、類比數位轉換器(ADC)、濾波和頻寬均衡電路；低噪：三軸模式雜訊為75µg /√Hz，單軸模式則為60µg /√Hz，可隨時選擇；-40°C至105°C的作業溫度範圍；在三軸正常功能模式下，工作電流僅1.1mA 充分發揮意法半導體在MEMS技術市場的優勢，除了IIS3DWB加速度計外，STEVAL-STWINKT1評估套件還在板上整合多個其他微型感測器。另配備一個Bluetooth®低功耗(BLE)射頻模組，用於連接邊緣裝置或直接連線到互聯網。板上整合如此多功能，使解決方案整合商可避免過度投入於感測器整合作業，而可集中心力開發應用設計，加速產品上市時間。套件亦提供了高速資料記錄等的高階軟體功能，便於客戶探索機器學習、AI等新領域。該套件的價格相較市面上某些替代產品低75％以上，破除了阻礙工業4.0數位化轉型的巨大成本障礙。

趨勢科技日前發表研究報告，揭露進階駭客如何利用新的非傳統管道來破壞智慧工廠。 趨勢科技基礎架構策略副總裁Bill Malik表示，以往製造業面對的網路攻擊都利用到傳統惡意程式，而這些程式一般可被網路與用戶端防護所攔截。然而，新的進階攻擊卻已開發出專門針對Operation Technology(OT)及能躲避偵測的手法。正如該研究顯示，目前已有好幾種媒介可導致此類威脅，可能令工業 4.0 企業發生重大的財務與商譽損失。解決之道就是採用專為IIoT設計的防護來徹底杜絕這類精密的針對性威脅。 該項研究由Trend Micro Research 與米蘭理工大學(Politecnico di Milano)合作進行，在該校工業 4.0 實驗室內的名牌廠商製造設備上示範駭客如何利用工業物聯網(IIoT)環境中的現有功能與資訊保安漏洞來謀取不法利潤。 米蘭理工大學生產系統設計與管理約聘教授Giacomo Tavola與進階網路資訊保安副教授 Stefano Zanero指出，米蘭理工大學致力投入工業4.0的研究，以解決自動化進階控制系統的重大資訊保安與穩定性問題，尤其是它們已成為所有製造業的重要問題，對企業的影響也日益嚴重。 關鍵智慧製造設備大多採用專屬系統，然而這些設備卻具備傳統資訊科技系統的運算效能，在這些設備的效能已遠大於其用途所需的情況下，讓駭客有多餘的效能可利用。這些電腦大多使用專屬協定來溝通，但就像資訊科技系統一樣，這些協定也會被用來輸入惡意程式碼、潛入網路、或竊取機密資訊而不被察覺。 儘管智慧製造系統的設計是要部署在隔離環境內，但這樣的隔離卻因 IT 與 OT 的接軌而逐漸消失。由於此類系統是針對隔離環境而設計，故相當依賴環境本身的安全性，所以沒有太多防範惡意活動的安全性檢查。 這類可能遭駭客利用的系統及設備包括製造執行系統(MES)、人機介面(HMI) 以及可客製化的 IIoT 裝置。這些都是資訊保安上的潛在弱點，一旦遭駭客入侵就有可能破壞生產中的商品、導致設備故障，或者生產流程遭篡改而造成產品瑕疵。 針對上述問題，報告詳細提供了一些防禦與防範的措施，如採用可支援OT通訊協定的深層封包檢查，在網路層偵測異常資料；在用戶端裝置上定期執行一致性檢查，以發掘任何遭篡改的軟體元件；於IIoT裝置上的程式碼簽章也應包括相關的第三方程式庫；並將風險分析從實體保安延伸至自動化軟體；為智慧製造環境中的資料及軟體建立完整的「信任鏈」(Chain of Trust)；利用偵測工具來發掘複雜製造設備中的漏洞與惡意邏輯；工業設備上的軟體要實行隔離與權限劃分。

人口朝都市集中，是無法阻擋的趨勢，但在都市化程度越來越高的過程中，居住、交通、能源供應等都市問題，也會帶來更加艱鉅的挑戰。事業觸手遍及能源、運輸、工業與智慧建築等各垂直領域的西門子(Siemens)認為，人類社會必須利用數位科技來應對上述都會化所帶來的挑戰，並且從工業4.0的發展過程中汲取經驗，才能確保環境與社會的永續健康發展。 台灣西門子總裁暨執行長艾偉(Erdal Elver)表示，聯合國報告指出，2030年時全世界將超過60%人生活在都市中，且城市消耗全球逾70%能源，來自都市的溫室氣體排放量占比，也將超過這個數字。伴隨氣候變遷、都市化、全球化與數位化等大趨勢帶來空前挑戰，城市需善用數位科技快速調整城市的規劃設計，強化國家競爭力和社會永續。 時至2020年，物聯網、人工智慧、5G通訊技術等科技匯集，是將城市中建築、能源、交通等各項基礎建設虛實整合、完整生命週期模擬和串聯互動的關鍵基礎。虛實整合跟大數據分析，已經在製造業落實工業4.0的過程中得到實踐，將這些經驗擴大應用在城市基礎建設，推動智慧城市進展，則可稱之為城市4.0。 如果進一步分析人在都市生活中所處的場域，不難發現都市人口絕大多數的時間不是在建築物內活動，就是在交通工具上移動。因此，要解決都市化所衍生的各種問題，建築跟交通的智慧化，是無可迴避的課題，西門子在建築跟交通運輸上，都有數十年的經驗，並已經發展出許多解決方案，可以加快建築跟交通智慧化的進展速度。 在智慧建築方面，許多台北市內的知名地標，如台北101大樓、微風南山，以及還在興建中的台肥南港C2開發案、廣慈博愛園區等，均採用西門子提供的智慧建築系統，不僅提高能源使用效率，也會把工業4.0所倡導的預測性維護觀念帶進大樓基礎設備領域，提高建築管理跟運作的效率。 智慧化交通系統更是大幅減量碳排、城市智慧再升級與永續發展的關鍵環節。小到電動車、電動巴士的充電設備，大到對整個城市的道路交通流量和運輸系統進行即時資料採集跟分析預測，提高都市交通運作效率的軟硬體整合平台，西門子都已經有對應的產品跟解決方案。 展望2020年，西門子將持續專注深耕智慧基礎建設、數位工業、軌道交通等領域，提供產業前瞻的科技和解決方案，並與「亞洲‧矽谷」計畫桃園市虎頭山物聯網創新基地、台北市高中大學合作數位化人才培育，力促台灣的數位轉型與升級，成為全球實踐智慧城市4.0的表率。  

鉅鋼機械、如億自動化以及西門子(Siemens)日前簽署合作備忘錄，三方攜手提供製鞋產業最新工業4.0關鍵應用技術，並助力製鞋機械落實智慧製造。本次合作備忘錄簽約之目的除了深化三方合作關係外，也正式宣布鉅鋼機械、如億自動化、西門子成為合作夥伴，共同提供商業、技術、行銷和市場推廣各方面的支援，以協助建立成功的工業4.0解決方案。 鉅鋼機械董事長陳法勝表示，鉅鋼機械四十多年來皆專注於研發創新，以滿足客戶的製程升級需求，先後為產業推出全球首創的Runnerless無膠道射出成型機、Twinjet四射槍射出成型機，以及全自動雙色橡膠射出成型機。近期有鑑於產業對於數位轉型、智慧製造的需求，特別與全球工業4.0巨擘西門子數位工業，以及擁有厚實控制系統整合技術的如億自動化合作開發產業下一世代的智慧機械。在今年正式推出符合精密製造及環保節能的全電伺服射出系統，同時在系列產品導入物聯網OPC-UA通訊標準，滿足客戶將來所需的自動化智慧生產及遠端即時管理。而鉅鋼自主開發的KS 4.1閘道器亦可整合西門子控制元件，相信本次的合作升級能為產業的未來智慧工廠建立更堅實的基礎。 鉅鋼機械攜手西門子數位工業以及如億自動化建立三方策略夥伴關係，為產業帶來全方位數位整合智慧生產線解決方案。本次三方合作不僅為鉅鋼機械在工業4.0應用的軟硬體升級，西門子數位工業及如億自動化亦會積極協助鉅鋼全面培訓人才、共同專注開發並整合最新技術，以滿足鉅鋼及客戶的數位轉型需求。 另外，同樣是本次合作備忘錄重要夥伴之一的如億自動化，擁有多年自動化設備的多元整合經驗，並通過經濟部工業局核定「自動化服務機構-技術服務能量」登錄之技術服務單位。三方簽屬合作備忘錄，扎根產業創新發展，提升台灣本土工業自動化競爭力，並與國際接軌。

貿澤電子(Mouser)與意法(ST)宣布出版最新電子書《工業感測解決方案》(Industrial Sensing Solutions)，針對工業感測器市場的產品、策略和創新技術提供全面性概觀。書中來自ST和貿澤的專家針對採用工業感測器的最新策略，以及能將創新技術引進廠房的產品提出詳細見解。電子書內刊載了多篇關於MEMS技術進展的文章，指出這些裝置在工業4.0中所扮演的關鍵角色。 雖然感測器早已是工業應用不可或缺的重要元件，其部署率卻因為成本、尺寸和準確度等相關問題而減緩。隨著輕巧型MEMS技術的出現，再度為感測器創造了新的機會，使其有機會部署到智慧工廠，同時感測器解決方案的擴充性也因為成本和耗電量更低而獲得改善。ST與貿澤攜手出版的最新電子書探究了過去十年裡的技術進展，扼要說明感測器供應商如何從眾多方面滿足客戶的需求。    《工業感測解決方案》書中介紹多款ST產品的詳細資訊，包括專為工業4.0應用所設計的LSM6DSOX iNEMO慣性模組和ISM330DHCX iNEMO慣性SiP模組。這些可靠耐用的系統封裝在低功耗解決方案中，整合了3軸數位陀螺儀和3軸數位加速度計與機器學習核心。機器學習核心為ST的創新之一，讓感測器不用喚醒系統內其他元件就能辨識活動，具有節能效益。 電子書內包含將近二十款ST感測器產品的快速連結和訂購資訊，還有方便好用的影片內容連結。貿澤所供應的ST全系列產品包含有感測器、開發板、半導體、射頻模組和其他電子元件。

戴樂格半導體(Dialog)為電源管理、充電、AC/DC電源轉換、Wi-Fi與藍牙低功耗技術供應商，日前宣布推出其IO-Link家族最新產品CCE4503，新產品問世不僅擴大該公司在工業IoT(IIoT)市場的影響力，更重要的是為最小和最需成本考量的IO-Link設備相關感測器和制動器提供連結能力。 Dialog工業混合訊號事業部副總裁Lutz Porombka表示，工業感測器和制動器正在朝向以更小的尺寸整合更多功能，同時對於雲端連接有更強的需求。CCE4503及其優化的功能集來自於客戶聲音，亦即擁有更小，更具成本效益IO-Link解決方案，且能用於下一代工業4.0設備的強烈需求。 CCE4503是Dialog在2019年11月收購Creative Chips之後推出的首款IO-Link IC，並補強了該公司成熟的IO-Link設備和Master IC系列。IO-Link是用於工業自動化網路的首個全球標準化的串列雙向點對點通訊技術(IEC 61131-9)。它為最後一米的感測器，制動器和網路中任何協議轉換閘道器之間提供了可靠的通訊能力。 CCE4503是一款高可靠性且易於使用的設備端IO-Link相容收發器，它以小巧的DFN10 3×3mm封裝將IO-Link標準通訊與先進保護電路和低功率耗損結合在一起。因此可將IO-Link連接功能添加到空間最受限的工業感測器和制動器設備中。該設計還針對成本進行了嚴格的優化，使更多的IO-Link設備可以藉由IO-Link雲端連結存取更深層資料，進而創造更高效益。

英商戴樂格半導體(Dialog)日前宣布已簽署最終協議，收購美商愛德斯托科技(Adesto Technology Corporation)所有在外流通股。Dialog為電源管理、充電、AC/DC電源轉換、Wi-Fi與藍牙低功耗技術供應商，而Adesto是專為工業4.0市場提供創新客製化IC和嵌入式系統的供應商。 Dialog執行長Jalal Bagherli表示，此次收購大幅強化該公司在工業IoT市場的地位。Adesto在連結解決方案的堅強實力和建築、工業自動化領域高度最佳化的產品，補強最近收購的Creative Chips工業IoT產品組合並擴大了整體產品規模。Adesto深厚的客戶關係，全面的系統專業知識以及自有技術將為Dialog客戶創造更高的價值。 產品透過結合工業連接性，智慧量表和建築自動化解決方案擴展Dialog的IIoT領域能力，並得以服務5,000多個客戶，而Dialog用於智慧建築和工業應用的無線產品組合(BLE, Wi-Fi)，補強了Adesto的工業有線連結產品組合。同時Adesto的雲端連接則提高了Dialog現有工業產品的差異性。 此次Adesto的收購加快Dialog向成長中工業IoT(IIoT)市場拓展的腳步，包括智慧建築和工業自動化(工業4.0)，並無縫整合雲端連結。Adesto總部位於加州Santa Clara，擁有大約270名員工以及完善的智慧建築自動化等工業解決方案，可完全補強Dialog在生產自動化領域之半導體產品。Adesto的解決方案銷售範圍包括工業、消費性、醫療和通訊等市場。

機器人以及各種旋轉機具的狀態監測(CbM)，像是渦輪、風扇、泵浦、馬達等機具，會記錄下機具健康與效能方面的即時資料，藉以進行針對性的預測維護，以及優化控制。在機器生命週期初期執行針對性預測維護能降低生產線停擺的風險，進而提高可靠度，省下可觀成本，以及提高廠區的生產力。 振動感測為狀態監測常用方案 工業機具的狀態監測可採用許多種類的感測器資料，包括如電性量測、振動、溫度、潤滑油品質、聲響等，以及像流量與壓力等製程量測數據。目前最常見的則是振動量測，因為振動是反映諸如不平衡以及軸承失效等各種機器問題最可靠的指標。本文專注探討運用振動感測，而這類量測方法同樣也適用於其他感測器的資料。 感測器資料從感測節點傳至主控制器或雲端的傳輸方式極大程度取決於應用。在許多應用中，本地端資料處理機制會建置在邊界節點上，整理後的資料接著會以無線方式傳送到網路閘道器，或透過手機網路直接傳送到雲端或分析伺服器。 在這些情況中，傳送資料量一般都很低，而且邊界節點由於使用電池供電，其傳送功率也比較低，反觀其他應用，傳送的則是未經處理的資料。 舉例來說，在匹配與融合多個感測器的資料之後，再將結果傳出並進行分析。一些應用還需要傳送未處理資料，這些資料用來執行即時控制。在這些應用中，較可行的資料傳輸解決方案則是有線介面。工業應用的狀態監測可採用優化型微機電系統(MEMS)訊號鏈加速計、低功耗微控制器，以及有線型iCoupler隔離介面，利用它們執行擷取、整理，以及可靠地傳遞機具的健康資料，並將這些從遠端CbM從屬設備取得的資料傳回到主控制器進行後續的分析。 經過長時間累積後，機器的健康資料即可用來建立軟體模型，藉此判斷機器行為的變化，以及維護機器的健康。在像是CNC數控加工機這類應用中，這類資料還可用來即時優化系統的效能。 實作有線CbM介面面臨的挑戰包括透過長纜線傳送資料時EMC強固性、在高傳輸率下資料完整性(即時CbM資料串流傳輸)，以及通訊實體層/協定的不匹配等。本文將以ADI的有線介面解決方案為例，它們除了能協助客戶縮減設計週期與測試時間外，還能讓工業CbM解決方案加快上市時程。 有線CbM設計實作考量 在設計與部署有線式狀態監測解決方案方面，必須考量許多系統效能因素以及做出取捨。第一，在選擇適合MEMS加速計方面，必須考量需要量產的失效種類，才知道應該挑選具備什麼樣頻寬以及雜訊效能的MEMS元件，才能因應相關的系統需求。另外邊界節點的處理能力則須匹配選中的處理器，以確保能發揮最大的系統彈性。 第二，有線CbM系統的設計必須小心挑選適合的有線通訊協定以及實體層元件，以進行高速即時資料串流傳輸。建置有線介面方面，其中，需要審慎考量EMC效能、資料傳輸線路/連接器/以及透過線路傳送電力等因素。 選擇適合MEMS加速計 選擇適合MEMS振動感測器涉及多個層面的因素，首先是軸向數量。監控軸向的數量，通常和失效種類以及感測器裝設方位有關聯。如果失效分布在明顯的軸向，而且沿著該軸向有著明顯的傳遞路徑，那麼單軸向感測器就足夠應付需求。對於涉及分布在多個軸向上能量的失效，或是失效能量的傳遞路徑並不明顯的狀況，就適合採用三軸感測。 其次是失效種類。要監視的失效種類，對於挑選感測器有很大的影響。在這方面，感測器的雜訊密度以及頻寬都是重要的規格，因為它們決定了能可靠擷取到振動以及頻寬的範圍。以一個例子來看，低轉速機器的不平衡以及錯位(Misalignment)失效，需要一個低雜訊密度感測器，頻寬需求則相當低；若是齒輪失效的偵測，感測器需要的規格則是低雜訊密度以及高頻寬。 最後則是效能需求。除了失效種類，還必須瞭解CbM的效能需求。在建構精密預警機制方面，需要基本流量狀況的偵測警訊，藉以反映效能水準。這方面除了涉及到部署的分析機制以及演算法，同時也會影響到選用的感測器。感測器在頻寬、雜訊密度，以及線性度等方面的效能越高，分析功能就會越先進。 選擇適合的訊號處理 在訊號處理設計方面，考量因素則有三點。第一是加速計輸出，加速計的輸出端通常是類比或序列數位訊號介面，通常是SPI。類比輸出感測器則需要一個轉換階段，將資料轉換成數位格式，以及訊號調節步驟。包括採用分立ADC以及前置放大器調節，或是在微控制器內嵌入ADC。 第二為邊界節點處理要求，邊界節點必須執行一些基本的高速傅立葉轉換(FFT)或訊號處理演算法，才能降低資料鏈路與/或中央控制器/伺服器的工作負擔。 第三則是資料傳輸協定要求。ADC或感測器的輸出端通常是一個SPI介面。該介面本身並沒有提供任何涉及資料完整性檢查、時間標記(Time Stamping)，以及混合不同感測器資料等方面的機制。其中一種有效的處理方法就是在邊界節點上以高階通訊協定將感測器資料裝入封包，然後再進行傳輸。 這種作法雖然會提高感測器介面的強固性以及彈性，然而，邊界節點的負擔也會隨之增加，因此須妥善處理以及封裝資料流。 將加速計輸出端移植到有線通訊匯流排 如先前所述，加速計的輸出通常為類比或序列數位訊號，大多為SPI規格。SPI輸出訊號可就地處理(促成協定的彈性)之後再加入到實體層介面，或直接移植到實體層。 SPI是一種非平衡式單端序列介面，用在短距離通訊上。想要直接將SPI移植到更長距離傳輸的實體層，則可採用RS-485線路的發送與接收元件。RS-485訊號為平衡的差動格式，其原本就擁有抗擾性，且經過長距離傳輸仍能維持強固性。 利用SPI介面在主控與從屬兩端進行較長距離的傳輸則會面臨許多挑戰。SPI本質上屬於同步式，由SPI主控端啟動一個時脈(SCLK)。而SPI資料線-主設備輸出/從設備輸入(MOSI)以及主設備輸入/從設備輸出(MISO)–則會與SLCK時脈同步化，這種機制在短距離內會可靠地達成。此外，SPI還有一種主動式低電平啟動(Low Enable)晶片選擇(CS)訊號，若有需要也能允許個別從屬端定址。 在經過長纜線傳輸後，SCLK訊號會延著纜線出現傳輸延遲，每100公尺會延遲500奈秒。在MOSI的資料傳輸方面，MOSI與SCLK經過纜線傳輸後產生的延遲會呈現一致。然而，由從屬端MISO到主控端的資料傳輸，產生的延遲則會是纜線傳輸延遲的兩倍。 想要回復主控與從屬兩端的同步性，其中一種作法是把時脈訊號由從屬端饋送到主控端，另一種方法，則是利用時脈相位偏移(Phase Shift)特性，在主控端補償纜線延遲。時脈的相位偏移必須匹配系統的延遲總和。 有線通訊實體層 在進行長距離通訊時，強固的實體層是不可或缺的要素。如先前提到，RS-485訊號擁有平衡、差動，以及天生的雜訊抗擾等特性。系統雜訊會等量耦合到RS-485雙絞線的兩條線路。 其中一個訊號發出另一個訊號的反相波，而耦合到RS-485匯流排通道的電磁場則會相互抵銷，因此整個系統的電磁干擾(EMI)便得以降低。RS-485還具備了一些額外關鍵的優點，使它適合用在CbM系統，其中包括： ．更高的資料傳輸率，在較短線路中最高可達 50Mbps(低於100公尺)。 ．以較低的資料傳輸率，在最長至1000公尺的纜線進行傳輸。 ．全雙工/半雙工RS-485與RS-422多重發送/接收纜線對，可用最少零件轉換成雙向SPI至RS-485匯流排訊號。 ．較寬的共模輸入範圍，允許主控端與從屬端之間存在對地電位差。 有線介面EMC效能 通訊網路經過冗長纜線的傳遞時容易遇到包括共模雜訊、對地電位差，以及高瞬時電壓等干擾的危害。長達100公尺的纜線容易受到各種導通與幅射雜訊源影響通訊的可靠度。 想要提高對這些雜訊源的免疫力，可採用iCoupler晶片級變壓器隔離技術。另外，共模瞬態抗擾度(CMTI)指的是隔離元件拒斥高電壓/高迴轉率(Slew Rate)雜訊瞬態，並維持無錯誤通訊的能力。訊號以及isoPower隔離元件提供25kV/μs的最低共模瞬態抗擾度，並能承受最高100kV/μs的瞬態電壓而不會永久閂鎖(Latch Up)或損壞。 在工廠自動化環境中，系統設計者通常無法控制通訊網路的電氣安裝工作。因此最好的作法是假設存在對地電位差。在動作控制系統方面，對地電位差經常多達數百伏特。一個RS-485通訊節點需要電氣隔離，並確保數據線路在可環境中能可靠工作。訊號與isoPower隔離元件能提供600V峰值(基本)的最高持續工作電壓或353V峰值(增強)電壓。對於存在相當大對地電位差的狀況下，基本隔離機制能促成可靠的通訊。而強化隔離機制則能保護操作人員在廠房環境不會觸電。 在有線通訊網路中，包括外露的連接器以及布線會暴露在嚴苛的瞬態電壓干擾下。系統層級IEC 61800-3標準針對可調整速度的電力驅動系統在抗擾性方面的要求，最低須達到±4kV接觸/±8kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護能力。 透過資料線傳遞幻象電源 主控端控制器與遠端CbM感測器節點之間的電力與數據線需要創新解決方案來降低布線成本。數據與供電整合到一個雙絞線對，不僅能大幅降低成本，還能造就出更小的印刷電路板(PCB)連接器解決方案，適合用在空間受限的邊界感測器節點。 透過一個電感-電容網路，可藉由雙絞線傳遞電源與資料。高頻率資料透過串聯電容耦合到數據線，這些串聯電容也會保護RS-485收發器不會受到直流匯流排電壓影響。電源則是透過連到數據線的電感接到主控端的控制器，而供電接著在CbM從屬端感測器節點透過一個電感進行濾波，而該節點位於纜線的終端處。 另外，纜線兩端的電感應妥善匹配以避免產生差模雜訊，而自我共振頻率應至少在10MHz以上，以避免和新一代振動量測系統的即時快衝模式相互干擾。請注意，電源與資料耦合解決方案應加入數據線，這些數據線中不應出現dc資料內容，像是RS-485介面的MOSI或MISO。 選擇適宜方案實現高效振動檢測 根據設計者的設計考量因素，圖1可提供幾種選擇途徑來協助建構強固的有線工業振動DVD-R/RW解決方案。在圖1中，選項2包含ADuM5401，該元件從資料匯流排擷取5伏直流電，並向ADcmXL3021提供3伏隔離供電。此外，ADuM5401還包含4個訊號隔離通道，這種組態適合3+1的SPI隔離。 圖1　強固/高度整合/有線MEMS加速計狀態監測解決方案的選項 圖1的選項3包含ADuM5402，這個元件類似ADuM5401。兩者之間的關鍵差異在於ADuM5402提供2個傳送以及2個接收數位隔離通道。 如先前所述，ADuM5401/ADuM5402能提高有線CbM介面的EMC抗擾力，保護ADcmXL3021使其不會受高電壓干擾，以及避免在RS-485纜線介面上出現對地電位差。 表1比較三種解決方案，以多項關鍵標準進行比較，包括設計彈性、電路板空間、解決方案成本、複雜度，以及EMC效能。將微控制器整合到CbM感測器節點雖然會提高設計彈性，但代價是會增加電路板空間以及額外的軟體複雜度。由於日後主控端CbM節點會配置處理器，故圖1中選項3基本上會是一個雙微控制器的系統，因此相較於主控端CbM節點的單微控制器配置，啟動運行的速度會比較慢。 表1　各種CbM選項的取捨比較 選項1與選項2雖然設計彈性比較低，但卻提供一條部署速度更快的途徑，因為它們能促成低複雜度、透明化的SPI連結RS-485鏈路。相較於選項3，選項1與選項2還提供邁向更小電路板的途徑，選項3的應用需要額外的電路板空間來容納微控制器以及相關的電路(像是時脈振盪器以及多個被動元件)。在選項2與選項3中加入iCoupler訊號與電源隔離機制，不僅增加占用的電路空間最小，還會提升EMC效能，勝過採用晶片內部保護機制搭配RS-485/RS-422收發器的作法。 (本文作者分別為ADI自動及能源事業部系統應用工程師和系統應用經理)