汇流排技术 PCIe 在智慧工厂中的关键地位

汇流排技术 PCIe 在智慧工厂中的关键地位

在工业 4.0 趋势下,工厂势必得导入智能系统辅助,而深度学习、3D 感测及图形运算等技术也将带来大量资料传输的需求,这就让高速的工业汇流排技术角色愈加吃重。如今,PCI 和 PCI Express 是两种重要的汇流排技术,新一代 PCI Express(简称 PCIe)较已被广泛採用的 PCI 具有更高效能,不但沿用原有 PCI 编程概念及通讯标準,且建基于更快的串行通讯系统,仅需修改实体层,无须修改软体,即可将现有 PCI 系统转换为 PCIe。

除此之外,PCI 装置支援热拔插、热交换与随插即用等特性,保留了 PCI 定址模式的相容性,以确保现有应用与驱动程式可继续作业无虞,因此主机板厂的设计使用 PCIe 介面,也已成为常态。而在智慧工厂中的主要应用领域,可分为机器视觉、运动控制以及资料採集三大类,为因应这一趋势,研华科技(Advantech)则分别提供完整的解决方案,满足各行业所需。

机器视觉

机器视觉技术被广泛用于自动化生产製造流程,以提高半导体、汽车、电子等行业的生产力与良率,越来越多的应用需要极高的精度及速度。同时,3D 机器视觉与 AI 更带动大量图像资料需求,于是以 PC-Based 为架构的机器视觉应用,由于高速汇流排与高运算量的优势,逐渐成为机器视觉市场的主流方案。

过往的机器视觉应用,主要规格为「0.3MP,30fps,灰阶影像」。由于精度、速度的提升,加上智慧製造的需求,使得「2.0MP,60fps,彩色影像」的应用方兴未艾,高资料传输量的 PCIe 汇流排遂成为 PC-Based 机器视觉的最佳选择,并广泛运用于量测、瑕疵检测等应用。此外,PCIe 汇流排採用序列式通讯协定,大幅改善以往 PCI 汇流排的效能,并提供可靠、高频宽点对点独立频宽的传输资料;而支援 DMA,不占用任何 CPU 资源,也非常符合机器视觉多相机应用的需求。

汇流排技术 PCIe 在智慧工厂中的关键地位运动控制

在工业物联网的浪潮下,传统生产线的变革及新世代智慧工厂的诞生,让以运动控制为代表的自动化技术广泛应用,未来运动控制的发展将趋向高速度、高精度及网路化,并以各种边缘运算装置结合云端服务平台,进而融合讯资讯技术,达到智慧化的先进製造。

如今,设备和服务端之间具有高度联网和强大的通讯能力,而高速、高效、安全的现场总线是智慧工厂的基本要求。近年来兴起的 EtherCAT 通讯标準,因为採用了独特的数据处理方式「On the fly」,突破了传统乙太网技术的性能侷限,使得自动化平台兼具即时性与开放性。PCIe 介面的 EtherCAT 主站控制卡,可提供更高的传输频宽,面对高速点位运动及高精度的轨迹控制,保证即时性及稳定性,不受电脑平台影响,能做到误差仅一微秒(1µs)的精确同步控制。

汇流排技术 PCIe 在智慧工厂中的关键地位资料採集

早期的 33 MHz PCI 汇流排非常符合主流週边设备的 I/O 频宽需求。然而,现阶段的发展已不可同日而语,处理器与记忆体的频宽大幅提升,且处理器速度几乎是以等比速率增加。各种新兴的 I/O 技术如 Gigabit Etherne t与 IEEE 1394B,几乎取代汇流排上单一装置所配备的所有 PCI 汇流排频宽,在特定应用中的时脉频率已不敷使用,无法满足电力管理、I/O 虚拟化与服务品质等需要绝对稳定的频宽与精确潜时的新一代 I/O 需求。

若透过 PCIe 介面卡,则能有效减少频宽问题,所需的缓冲记忆体数量将远低于传统 PCI 介面卡所需。新一代的 I/O 需求,如服务量测品质与电力管理,也可提升资料完整性,并允许系统装置进行选择性断电。此外,就算尚未完成的传输作业占用其他通道,也可透过虚拟通道进行资料传输。

汇流排技术 PCIe 在智慧工厂中的关键地位

对于系统自动化来说,PCI 汇流排多年来一直是插卡式扩充介面卡的首选。而新一代的 PCIe 则具有更高效能,与 PCI 相比,PCIe 提供高效能、精準即时传输、分层结构、I/O 简化与易用等优势,不但可提升整体效益,更可进一步完善设备自动化的需求,相关的模组化解决方案对于建置智慧工厂将有极大助益。


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