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趨勢科技攜手米蘭理大揭駭客新手法

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。
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MOSFET/封裝設計/切換頻率最佳化 服務型機器人驅動再進步

服務型機器人是高度複雜的系統,其中強調設計日趨精巧的極限,以及高效率和可靠性。這類機器人不但尺寸小,技術參數和要求也同樣嚴格。能源效率、續航力長的電池、小巧外型和出色的硬體熱管理,是機器人設計滿足及超越使用者期望的關鍵。如果考量軟體元件,連線服務型機器人資料保護、驗證及授權也是消費者最重視的項目。機器人專案成功與否,往往取決於所需半導體解決方案的可用性和擴充性。本文將探討不同機器人驅動器技術的使用案例和優點,其中特別關注MOSFET、封裝和高切換頻率解決方案,如氮化鎵(GaN)。 圖1 服務型機器人近年廣為工業使用 服務型機器人常見系統架構 在大多數情況下,最常見的機器人架構包括中央處理器(CPU)、電源/電池管理單元、電池充電器、無線通訊(COM)模組、人機介面(HMI)、感測器和驅動模組(有刷和無刷馬達)。部分機器人並沒有本文探討的所有元件,但以上架構仍可作為良好的系統概述。 主CPU是中樞大腦,執行大部分的系統智慧功能。此處理器負責系統協調,以排程獨立的方式命令不同模組執行工作。其餘模組則執行指令,並將狀態回報主CPU(圖2)。 圖2 常見機器人系統架構方塊圖 大多數服務型機器人都是以電池驅動,以便靈活運動。這類機器人採用內建充電器,可直接連接交流電網。在這類情況下,機器人內部包含充電器,以產生高電壓DC位準,並由電源管理單元進一步繼續處理。無線充電功能是這項應用的新興趨勢,特別是需要連續工作的機器人,因為無線充電可讓機器人一邊充電一邊運作。 如前所述,現今大多數機器人系統為電池驅動,因此電源/電池管理單元在架構中相當普遍。電池管理單元負責處理電池的整體狀況(包括健康狀態和安全),同時也提供保護,避免受系統過壓或過電流影響。在電池模組中,安全性(包括身分驗證)是需要考慮的關鍵因素。電池也仰賴通用微控制器實作輔助功能,例如電池系統的計量或監控。除電池管理單元外,電源管理單元以穩定方式為其餘模組控制所需的電壓軌(12V、5V或3.3V),向機器人內部的不同元件供電。其中可以採用固定或可調整的降壓轉換器控制器,或使用線性穩壓器。 機器人配備無線通訊模組,能夠與其他機器人或控制單元等系統互連,即時指揮完整的機器人隊。通訊通常採用Wi-Fi或藍牙技術。在許多情況下,本機控制器負責通訊程序,作為機器人主控制器和外部世界之間的閘道。 越來越多機器人與人類有一定程度的互動。簡單的顯示器或甚至高解析度顯示器可實現人機介面,但LED燈也可用於向使用者提供資訊或反饋。一旦機器人具備足夠智慧,能夠透過語言與使用者互動,因此需要語音輸入及輸出裝置。 此外,服務型機器人設計可以考慮採用不同類型的感測器。驅動器通常會採用位置感測器(霍爾感測器、編碼器)、速度、角度或電流感測器。如果機器人需要精確瞭解其環境,就需要更多類型的感測器,例如用於運動感測的雷達感測器(距離和方向)、氣壓感測器,或用於物體識別的3D影像感測器。對周圍環境的感應能力,提升了機器人的自主能力,特別是部署在擁擠倉庫等複雜環境時。 最後,驅動器模組也是常見系統架構的一部分。若需要精確定位、高速或安靜運作,設計人員將決定結合無刷DC(BLDC)馬達和一組位置感測器;或如果低效能馬達控制(慢速、低精度)足以因應需求,設計人員將選擇有刷馬達,受益於該類解決方案較低的成本。此外,也有機器人應用同時採用有刷和無刷馬達,以同時滿足效能和成本效益等目標。 簡單敘述服務型機器人背後的主要技術結構之後,接下來將揭露傳導損耗如何影響機器人整體效能,以及可用於減輕這類損耗的半導體解決方案和技術。 加強MOSFET品質因素 減少切換/傳導損耗 最佳化機器人電池壽命方法之一,就是提升機器人馬達的效率,以減少功率損耗。在馬達應用中,傳導和切換損耗都是重點。像是半導體商英飛凌(Infineon)便加強MOSFET的品質因數,其中特別重視降低MOSFET的RDS(ON)(汲極至源極導通電阻)及閘極電荷(電容),在每代產品中盡可能降低這兩種損耗。 若視控制方法而定,便可發現不同損耗。使用同步整流時,如果電流飛輪通過其本體二極體,低側MOSFET就會導通。這大幅降低本體二極體的傳導損耗(PLoss=IF×VF),因為新一代產品的MOSFET RDS(ON)值越來越低;不過低側二極體仍是主要的損耗來源之一。為了解決這項問題,採用整合式肖特基二極體的MOSFET,可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。這類產品稱為OptiMOS FD(快速二極體),可透過字尾LSI識別,例如BSC010N04LSI。 圖3顯示功率損耗分析,於使用區塊整流PWM(6階)搭配同步整流的三相變頻器之中測量。供應電壓為18V,選擇用於比較的MOSFET為LS和LSI版本的BSC010N04。 圖3 功率損耗分析,顯示高側(HS)及低側(LS)MOSFET及本體二極體(D)損耗的傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗。低側本體二極體損耗主要為傳導損耗,可使用LSI零件降低。 燭光圖清楚顯示傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗,在高側(HS)及低側(LS)MOSFET都扮演重要角色。其中有三項與此有關的主要發現: 1.低側MOSFET允許軟切換,因此切換損耗可忽略不計。 2.低側二極體的傳導損耗,是迄今為止最主要的損耗來源。 3.LSI(快速二極體)版MOSFET採用整合式肖特基二極體,大約可降低25%的傳導損耗,降低幅度取決於電流位準等系統條件。 切換損耗與切換頻率密切相關。機器人變頻器的常見頻率範圍為10kHz至40kHz。切換頻率越高,損耗越大。像是英飛凌的OptiMOS解決方案提供低RDS(ON)及低電荷MOSFET,可大幅降低這兩種損耗;不過損耗不可避免,電源切換時也一定會產生熱。因此熱管理是驅動器設計的主要挑戰之一,特別是在考量小型機器人手臂等高功率密度裝置時。 DirectFET封裝(圖4)為雙側冷卻封裝,直接連接金屬封裝及內部的矽晶片,而矽晶片則直接連接底部PCB,盡可能減少外部熱阻。這類封裝有效將熱從接面傳播到PCB底部,並從頂部通過金屬封裝傳播到空氣中,或可選擇使用散熱器,因應更嚴苛的情況。此封裝除了採用較薄外型,也是空間受限設計的良好選擇。圖3顯示DirectFET和D2Pak封裝之間的熱阻比較。DirectFET熱阻(8.1℃/W)不到D2Pak(16.8℃/W)的一半。 圖4 比較DirectFET和D2PAK封裝的熱阻,DirectFET封裝可在高密度驅動器最佳化熱設計 高切換頻率驅動使馬達控制更精確 工程師在應用中使用氮化鎵(GaN)裝置具有多項優點。GaN特性包括以較低的導通電阻,提供比矽替代品更低的導通損耗,以更低電容減少切換損耗,或改善本體二極體逆復原,使其成為高切換頻率功率應用的理想選擇。提升切換頻率有助於加強驅動器效能,例如減少轉矩波動。在電源供應器等其他應用中,這項技術也用於有效縮小磁性元件尺寸。 隨著切換頻率增加,必須調整控制器。其中應考量PWM解析度,以確保完整迴路能保持所需精度。例如英飛凌便提供XMC4100系列等微控制器產品,配備高解析度PWM模組,用於此類高解析度迴路用途,特別是在切換頻率增加時。此外,切換頻率升高時,必須考量微控制器的處理能力。假設採用逐週期控制方式,就要在更短時間內完成新工作週期計算。而該公司提供的控制器產品組合,其中包含32MHz的XMC1000系列ARM-Cortex-M0,乃至於144MHz的XMC4000系列ARM-Cortex-M4F和AURIX,因應更高的功能安全及效能需求。提升控制迴路執行頻率,可以加強馬達動態,進而實現更精確的控制。 而英飛凌產品方案還包括專門用於驅動器控制計算的特殊MATH輔助處理器(包括用於三角計算的CORDIC單元和一個除法單元)。相較於標準實作,此輔助處理器可縮短XMC1000系列控制迴路的執行時間(比較硬體與軟體計算)。 圖5顯示餘弦和除法函數的執行時間比較—通常用於驅動器控制演算法,如磁場導向控制(FOC)。 圖5 使用標準ARM Cortex-M0和XMC1300進行餘弦和除法函數的標準化執行時間 傳導/切換損耗最小化 機器人開發技術再提升 工程師重視驅動器的設計參數,以便能夠開發下一代機器人解決方案和裝置。他們可以選擇不同的半導體解決方案以微調其設計。最終產品的切換頻率和熱阻等技術參數,訂定了驅動器的要求。為了建構充分最佳化的系統,設計人員必須盡可能減少傳導和切換損耗,並最佳化熱管理。 採用整合式肖特基二極體的MOSFET可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。工程師還可以利用DirectFET等新型封裝設計,提供最佳化熱管理。新型寬帶隙解決方案(如GaN裝置)可建立基礎,打造切換頻率更高的驅動器,在精度及占用面積等層面提供協助。 (本文作者為英飛凌科技應用工程師)
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貿澤供貨TI Sitara處理器

貿澤電子(Mouser)即日起開始供應Texas Instruments(TI)的Sitara AM574x處理器,這些以Arm Cortex為基礎的裝置可提供高處理能力,是專為滿足現代嵌入式應用的密集處理需求所設計,其應用包括有工業通訊、人機介面(HMI)以及自動化和控制。 貿澤電子所供應的TI Sitara AM574x處理器整合雙核心Arm Cortex-A15精簡指令集電腦(RISC)CPU,搭載Arm Neon擴充功能和兩個TI C66x浮點運算DSP核心。處理器內含兩個雙核可程式即時單元和工業通訊子系統 (PRU-ICSS),可用於Profinet、EtherCAT和Ethernet/IP等工業乙太網路通訊協定。此外,裝置亦結合可程式的視訊處理功能,加上高整合度的周邊裝置組,提供兩個嵌入式視覺引擎(EVE),並內含加密加速。 裝置整合了功能強大的影像與視訊加速—高解析度(IVA-HD)子系統,支援15fps的4K影像、H.264編解碼器的編碼與解碼、2D圖形加速器和雙核心3D GPU。其他特色還包括雙埠Gigabit乙太網路、一個通用型記憶體控制器、增強型直接記憶體存取(EDMA)控制器、16個32位元一般用途計時器和一個32位元MPU監視計時器。 Sitara AM574x處理器受到TMDSIDK574工業開發套件(IDK)支援,該套件為獨立的測試、開發與評估模組,能讓開發人員針對工業控制和工業通訊應用撰寫軟體及開發硬體。TMDXIDK574提供六個乙太網路連接埠,其中四個可同時使用,即兩個Gigabit乙太網路連接埠和PRU-ICSS子系統提供的兩個10/100乙太網路連接埠。 TMDXIDK574 IDK亦包含用於Mini PCIe、USB3.0和HDMI的連接器,並支援選購的TMDXIDK57X-LCD觸控式螢幕顯示器。套件提供定義的功能組合,可讓開發人員透過各種序列或乙太網路型介面體驗工業通訊解決方案。TMDXIDK574 IDK可經由標準介面連接其他處理器或系統,作為通訊閘道或控制器使用。此外,也可直接作為標準型遠端I/O系統,或作為連接至工業通訊網路的感測器。
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加上觸控式人機介面 廚房電器更美觀/易操作

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)
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開啟直覺人機互動新篇章 高整合140GHz雷達系統顯威

比利時奈米電子和數位科技研究與創新中心imec,5月14、15日於安特衛普(Antwerp)法蘭德斯會議中心舉辦年度科技盛會「Future Summits」,活動除邀請英特爾(Intel)技術長Mike Mayberry、益華電腦(Cadence Design Systems)執行長陳立武、微軟(Microsoft)HoloLens硬體與客製晶片副總裁Ilan Spillinger、嬌生公司全球負責人William Hait、WD執行長Stephen Milligan,以及美光科技(Micron)技術策略與營運副總裁Linda Somerville等多位產業界重量級人物分享創新科技思維與觀點外,亦展示超過50多項imec與合作夥伴共同研發的技術與應用成果,堪稱科技界最具指標性的前瞻技術交流平台。 在眾多展示成果中,採用140GHz頻段的多重輸入輸出(MIMO)雷達單晶片方案,格外令人注意,除了使用的毫米波(mmWave)頻段更高外,其採用CMOS技術高度整合多天線與收發器,實現精巧、小尺寸設計,亦是一大特點;再結合imec研發的機器學習演算法,可達到超精準解析度與高靈敏感測效能,為雷達感測在直覺式人機互動的應用發展再寫新頁。 5G/自駕車熱潮帶動 雷達感測應用前景俏 近來,隨著5G與自駕車發展日益升溫,毫米波技術的應用潛力逐漸受到產業界重視,相關研發活動與投資也不斷增加,除了聚焦在5G高頻通訊與汽車駕駛輔助系統(ADAS)的雷達應用外,利用毫米波雷達實現更多元的感測應用,亦是另一個重要發展方向。 舉例來說,德州儀器(TI)除了力推車用毫米波雷達方案外,亦積極將該技術拓展至工業自動化、智慧建築、智慧監控等其他應用領域,利用60GHz高頻毫米波雷達實現如人員計算、動作偵測、使用狀態偵測(Occupancy Detection)及生命跡象監測等應用。此外,英飛凌(Infineon)、Acconeer、Silicon Radar、NOVELIC等歐洲晶片廠,也都朝同樣的方向發展,甚至已推出基於60GHz毫米波雷達的感測方案。 事實上,目前上也有不少廠商是以24GHz毫米波雷達方案,來拓展上述非汽車ADAS應用的雷達感測市場,不過,由於業界已傳出歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)決定於2022年前,逐步淘汰使用24GHz超寬頻段(Ultra Wide Band)的產品,再加上基於60GHz頻段的毫米波雷達,本質上可提供比24GHz頻段更高的感測解析度,因此不少廠商已開始往60GHz技術靠攏。 至於汽車雷達常用的77GHz頻段,若要用於工業、建築和城市基礎建設,包括那些需要人機互動的應用,在全球大多數地區都是受到限制的。 頻寬決定距離解析度 140GHz方案來勢洶洶 值得注意的是,毫米波雷達感測器的距離解析度(Range Resolution)效能與使用頻段的頻寬大小息息相關,頻率愈高頻寬也相對較大,意味著感測器距離解析度愈好,因此目前已有業者推出採用120GHz頻段的毫米波雷達感測器,而imec此次所發表的140GHz毫米波雷達系統單晶片,則是另一突破性的技術進展。 以60GHz頻段來說,根據德州儀器所提供的產品資料顯示,頻寬上看4GHz,因此基於該頻段的雷達感測器距離解析度可達3.75公分;而根據imec的規格表來看,140GHz頻段的頻寬可高達10GHz,距離解析度則可到1.5公分等級(表1),而距離解析度愈小代表雷達感測後所能獲得的點雲圖資料(Point-cloud Data)可以更密,進而達到更精準的判斷效能。 imec研發團隊負責人Andy Dewilde說明,imec長久以來在CMOS技術的開發與多天線整合設計上擁有相當厚實的能力與經驗,因此能在一個外觀尺寸只有幾平方公分的完整MIMO雷達系統下,實現1.5公分的精準解析度。而更好的距離解析度性能,可開啟更多新的應用機會,這是該公司140GHz雷達系統單晶片重要的差異化特色之一。 Dewilde進一步談到,使用140GHz頻段的另一個明顯好處是,電磁波波長更小,僅2.1毫米,換言之,天線也就可以做得很小,因而imec僅透過28奈米Bulk CMOS製程技術,即可將天線直接整合至單晶片中,毋須使用昂貴的天線模組或外部天線,達到更高整合度與小尺寸設計,且未來也可輕易藉由大量量產來達到降低成本目標。 不僅如此,高頻毫米波波長小的特性,也可偵測到更小的位移變異,如細微的臉部表情變化與皮膚運動,能顯著提升位移靈敏度,有助於生命體徵偵測等應用,因此該雷達是實現車內生命體徵監測系統極佳的方案,可促成非接觸式駕駛狀況追蹤,例如偵測駕駛有沒有打瞌睡、壓力狀況是否異常,或者預防因急性健康危害如心臟疾病或癲癇發作。另一個可能應用,是利用動作和生命體徵偵測來監測小孩狀況,例如當兒童不小心被留在車內時發出警報,即使當下是嬰兒蓋著毯子睡覺,該雷達感測器也可發揮作用。 結合MIMO/機器學習 打造直覺人機互動體驗 除了140GHz高頻毫米波頻段所帶來的技術優勢外,imec也在該款雷達晶片中,加入MIMO多天線配置與機器學習能力,從而打造直覺簡單的人機互動介面。 以手勢辨識來說,其需要最小角度解析度以便能在三度空間中擷取手勢,而提升角度解析度的一個巧妙方式,是使用多顆收發器晶片的MIMO雷達原理。Dewilde說明,MIMO是為了手勢辨識而設置,藉此可達到更精確的角度解析,以正確解讀目標物相對於雷達的方向。而訊號處理與機器學習技術亦是用來偵測和分類手勢動作,從而實現直覺式人機互動。 事實上,imec已開發出一種特定的機器學習演算法,是基於一個包含長短期記憶模型(LSTM)層的多層神經網路,並透過監督式學習方式,亦即使用超過25人的內部標籤記錄(包括針對7種不同手勢的幾次擷取記錄),來訓練推論模型。實驗結果顯示,該模型可對記錄的7種手勢進行分類,且94%的時間可正確預測手勢。 imec荷蘭雷達專案研發經理Barend van Liempd指出,藉由加入機器學習能力,imec已證明雷達基於都卜勒(Doppler)訊息來偵測和分類細微動作的可行性,這將開啟新的應用機會,如實現直覺的手勢辨識人機互動。以擴增實境/虛擬實境(AR/VR)應用來說,新的雷達方案就可支援與虛擬物件的直覺式互動,手勢辨識還可以實現直覺的裝置控制,與現今語音控制或智慧觸控螢幕的人機介面相輔相成。 據了解,imec所研發的140GHz雷達晶片方案主要適用於室內的應用,操作範圍可達10公尺,且尺寸極為小巧,單一晶片大小僅1.5×4.5mm(圖1),可在幾乎各種裝置中被無形地整合,諸如筆電、智慧手機或螢幕邊框。 圖1 imec所研發的140GHz雷達單晶片尺寸僅1.45mm×4.52mm 圖片來源:imec imec表示,該款雷達晶片初期將用於智慧建築的人員偵測和分類、遠端汽車駕駛生命跡象監測,以及手勢辨識等應用;而更多的創新應用預期將隨著開發者的創意不斷湧現。 邁向更高整合/增強感測性能 目前imec的140GHz雷達開放創新研發合作計畫,主要係由Panasonic和Sony所支持,對該項研究有興趣的公司也可加入這項合作計畫,或另外的雙邊研發計畫,或者取得該技術功能區塊的授權。 為了增加感測數據的豐富性和空間資訊,imec已著手開發下一代採用4×4的MIMO雷達系統,以及新的雷達晶片(將採用Tx和Rx是分離的兩顆獨立晶片的設計)。這將使MIMO陣列元件在可用電路板區域的分布更有彈性。同時他們也將探索獨立的雷達晶片功能能否被增加,以實現擁有更大晶片陣列的MIMO系統。 Dewilde指出,此次在Future Summits展出的140GHz雷達系統原型(圖2),採用的是2×2 MIMO設計,所以只能做一個方向的角度偵測,下一個系統,會使用新版晶片,預計研發4×4 MIMO,有更多天線,以達到3D偵測。 圖2 imec研發團隊負責人Andy Dewilde利用imec 140GHz雷達系統原型,展示手勢辨識應用。 毫米波雷達感測有可為 與其他類型的動作感測技術相比,例如基於飛時測距(Time-of-flight,...
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瑞薩推新品擴大R-Car系列可擴展範圍

為因應各種等級汽車對於大型數位儀表板日益提高的需求,瑞薩電子最近推出了系統單晶片(SoC)元件R-Car E3,可用於汽車儀表板中的最大型顯示器(12.3英寸,1,920×720像素)上的高階3D圖形化處理,藉此也擴大了其R-Car系列SOC的可擴展範圍。此單晶片SoC結合了平順3D呈現功能、整合式音頻DSP、和其他周邊功能,以支援儀表板及具有觸控型螢幕的汽車音響(Display Audio)主機和其他功能的車載資訊娛樂(In-Vehicle Infotainment, IVI)系統。 針對3D圖形化儀表板應用的R-Car E3是其上一代產品R-Car D3 SoC的升級版,它可提供強化的3D圖形化呈現性能。隨著人機界面(HMI)所扮演的角色越來越顯重要,此瑞薩R-Car系列的新成員SoC,也提供了對於聯網汽車極為重要的功能安全性和保護功能。透過這些功能,R-Car E3簡化了設計人員在開發能夠安全處理故障和網路攻擊的穩固系統時,所要負擔的工作。 此單晶片設計讓各種系統的整合得以實現,大幅降低了整體系統的開發成本,並節省大量的空間。R-Car E3繼承了針對駕駛座應用而設計的R-Car H3和R-Car M3以及針對儀表板應用的R-Car D3所提供的可擴展性,以實現最高等級的軟體重複使用性。
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提升人機互動體驗 毫米波雷達應用更多元

人機互動(Human-Machine Interface, HMI)概念帶動毫米波雷達(mmWave Radar)應用更新穎。人機互動將從過往由鍵盤、滑鼠、觸控等方式,發展至更多元與直覺的控制方法,智慧化的人機互動過程需要越來越多的感測器,而毫米波雷達可利用無線電波偵測物體的位置、方向、距離與速度,因此,英飛凌(Infineon)將毫米波雷達與智慧音箱結合,讓智慧音箱具備更多感知能力知悉外在環境,使其不僅只是執行指令,也能與使用者有更多互動,進一步提升使用者體驗。 英飛凌電源管理及多元電子事業處射頻及感測元件經理吳柏毅表示,毫米波雷達德特點包括可偵測到很細微的運動,例如心跳;不受外在惡劣環境的影響(像是霧、灰塵);也無隱私問題,因為沒有鏡頭無法拍攝圖像等,使其在車用與工業外的應用市場有著更多發展機會。舉例而言,該公司將60Ghz毫米波雷達結合智慧音箱,使智慧音箱不僅可執行使用者指令,並可透過毫米波可偵測物體位置的特性,與使用者進行互動遊戲。 目前毫米波雷達主要應用於車用和工業市場,不過由於其可偵測物體的位置、方向、距離與速度的特性,使毫米波雷達在未來可望自汽車市場延伸至工業等多元領域,其中,24GHz與60GHz雷達應用更是前景可期。英飛凌預期24GHz盲點偵測(BSD)應用將快速增長,而2021~2027年將是價格具有競爭力的BSD模組的黃金期,其他像是室內外智慧照明、安防監控與智慧家電,也都是24GHz的新興應用範圍。 例如香港科學園區已採用內建英飛凌LED驅動器、24GHz雷達與微控制器的智慧室內照明,建立智慧人流管理系統;另外,也可於智慧路燈中內建24GHz雷達感測器和數位控制器,對車流量和照明狀態進行即時監測,提升交通管理的效率和路燈預防性的維護。 至於在60GHz雷達方面,目前英飛凌也已有許多合作夥伴計畫於前瞻計畫中採用60GHz雷達晶片,共同開發用於穿戴裝置、物聯網(包含上述所提的智慧音箱),以及汽車應用中的手勢辨識。 總而言之,隨著人機互動朝更多元與更直覺的方向發展,需要更多感測器實現智慧化的人機互動。對此,英飛凌電源管理事業處大中華區射頻及感測器部門總監麥正奇表示,該公司將持續擴大投入感測器的研發,發展更多不同類型的感測器,並與區域市場的夥伴攜手合作,共同開發新興應用,打造新世代的智慧生活。
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