過(guò)去幾年，COVID-19的肆虐讓全球制造業(yè)遭受重創(chuàng)。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，僅2022一年，全球因工廠意外停工造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1.5萬(wàn)億美元。

未來(lái)的智能工廠需要更高的靈活性和更強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，才能盡量減少此類風(fēng)險(xiǎn)。而這種能力從何處構(gòu)建？軟件可配置硬件給出了答案。

硬件參數(shù)可配置 制造產(chǎn)線更靈活

軟件可配置硬件，也稱為可重構(gòu)硬件，是指通常應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，可以通過(guò)編程來(lái)更改其功能和結(jié)構(gòu)的硬件設(shè)備。常見(jiàn)的軟件可配置硬件類型包括：現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）、可編程自動(dòng)化控制器（PAC）、可編程I/O口、可編程ADC/DAC、可重構(gòu)AFE和多通道PMU等多種不同的類型。

未來(lái)的工廠將會(huì)面臨著諸多的挑戰(zhàn)：

1-緊跟趨勢(shì)生產(chǎn)

一方面，生產(chǎn)需要跟隨不斷變化的消費(fèi)趨勢(shì)，更頻繁地按照市場(chǎng)反饋進(jìn)行新產(chǎn)品的制造；對(duì)于高需求的產(chǎn)品制造進(jìn)行擴(kuò)充，對(duì)于低需求的產(chǎn)品制造進(jìn)行減產(chǎn)。

2-緊跟技術(shù)演進(jìn)

另一方面，工廠需要緊密跟隨技術(shù)演進(jìn)，不斷將創(chuàng)新制造技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)線融合，從而實(shí)現(xiàn)不間斷的效率提升。

3-預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)變動(dòng)

此外，工廠還要對(duì)于不可預(yù)測(cè)的國(guó)際事件和供應(yīng)鏈變化，做好突發(fā)關(guān)停或產(chǎn)線遷移的準(zhǔn)備，盡可能降低損失。來(lái)自市場(chǎng)、技術(shù)和國(guó)際形勢(shì)的多重因素，促使未來(lái)工廠更需提高靈活性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

圖1：未來(lái)智能工廠（圖源：ADI）

而通過(guò)軟件可配置硬件的部署，工廠就可以在不替換物理設(shè)備的情況下，迅速完成相關(guān)制造功能的調(diào)整修改，快速適應(yīng)生產(chǎn)需求的變化，這種靈活性對(duì)于滿足不斷變化的操作需求和提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。而隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和智能制造的進(jìn)一步發(fā)展，軟件可配置硬件能夠讓工廠在快速變化的市場(chǎng)環(huán)境中保持更好的競(jìng)爭(zhēng)力。

需要理清的是，這里提到的軟件可配置硬件（Software Configurable Hardware）和通常提到的軟件定義工廠（Software Defined Factory）是兩個(gè)不同的概念。前者是在硬件器件層面的定義，后者則是在工廠層面的定義，兩者緯度不同，看似毫無(wú)聯(lián)系，但要實(shí)現(xiàn)后者軟件定義工廠，軟件可配置硬件的參與也必不可少。

既然軟件可配置硬件對(duì)于未來(lái)智能工廠必不可少，那么如何選擇合適的器件呢？接下來(lái)我們從FPGA和可配置I/O兩個(gè)大的分類來(lái)深入剖析。

FPGA：為智能工廠提供靈活計(jì)算能力

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，其核心優(yōu)勢(shì)是內(nèi)部硬件電路不像定制硬件（如ASIC）那樣固定不變。相反，其內(nèi)部數(shù)以萬(wàn)計(jì)的邏輯塊可以通過(guò)用戶編程來(lái)組成復(fù)雜的自定義硬件功能，這種獨(dú)特性可以使FPGA為制造業(yè)領(lǐng)域提供靈活的計(jì)算能力。

在高度競(jìng)爭(zhēng)和快節(jié)奏的制造領(lǐng)域，能夠迅速修改和優(yōu)化系統(tǒng)至關(guān)重要。FPGA可以用于控制系統(tǒng)，如驅(qū)動(dòng)控制和傳感器數(shù)據(jù)處理。如果控制策略需要更改或優(yōu)化，工程師可以通過(guò)重新編程FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需更換任何硬件組件，這不僅大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，還能顯著降低成本。

對(duì)于定制小批量產(chǎn)品的制造，傳統(tǒng)的硬件解決方案可能過(guò)于僵化且成本高昂，而FPGA的靈活性允許生產(chǎn)線適應(yīng)不同的產(chǎn)品配置和要求。例如，在電子組件組裝線上，F(xiàn)PGA可以控制機(jī)器人臂的精確動(dòng)作，快速切換組件拾取和放置的模式，從而適應(yīng)不同的組件類型和組裝要求。

隨著產(chǎn)品需求和技術(shù)的變化，傳統(tǒng)的硬件設(shè)備可能會(huì)迅速過(guò)時(shí)。而FPGA的可編程性質(zhì)允許其適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)更新FPGA的固件/軟件來(lái)引入新功能或改進(jìn)系統(tǒng)性能，從而延長(zhǎng)制造產(chǎn)品線的生命周期。

作為知名的集成電路制造商，Microchip Technology提供了豐富的FPGA產(chǎn)品組合，包括SmartFusion、IGLLO2、ProASIC3和PolarFire系列。其中[ProASIC3系列] 的定位是極小封裝和極低功耗的低密度FPGA，支持便攜式、消費(fèi)類、工業(yè)、通信、汽車(chē)和醫(yī)療等多種不同應(yīng)用。

其中ProASIC3E系列基于非易失性閃存技術(shù)構(gòu)建，這意味著即便在斷電的情況下，其編程設(shè)計(jì)也能得以保留。該器件支持330至35K LE和多達(dá)620個(gè)高性能I/O，內(nèi)部集成了Arm Cortex-M1軟處理器IP內(nèi)核，具有易于編程和加快上市時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于該系列產(chǎn)品，我們推薦的具體產(chǎn)品型號(hào)為“ [A3PE3000-1PQG208I] ”，可以在貿(mào)澤電子官網(wǎng)搜索該料號(hào)獲取更多產(chǎn)品信息。

軟件可配置I/O為智能工廠提供靈活互連能力

I/O接口模塊是自動(dòng)化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間進(jìn)行信息交流的橋梁，確保工業(yè)控制系統(tǒng)能夠有效地與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行交互，對(duì)各種操作進(jìn)行精確控制，從而優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高效率和安全性。

輸入模塊從各種現(xiàn)場(chǎng)傳感器接收信號(hào)，傳遞給控制系統(tǒng)，幫助控制系統(tǒng)了解到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)；輸出模塊可以將控制系統(tǒng)的指令傳遞給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一組復(fù)雜的通道模塊，這一組通道模塊按照該控制系統(tǒng)的特定需求進(jìn)行配置，每個(gè)I/O模塊的功能固定，而且是以模擬為主導(dǎo)。

圖4：典型PLC中的I/O模塊（圖源：realpars）

這種控制系統(tǒng)的I/O模塊配置工作非常復(fù)雜和繁瑣，設(shè)計(jì)者需要思考采用何種I/O分組配置才能高效滿足通信和控制需求，在大量的不同產(chǎn)品選型和互連之間設(shè)計(jì)最優(yōu)連接路徑。安裝人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行成本高昂且工作量巨大的手工安裝工作。

如果客戶需求發(fā)生變化，則勢(shì)必帶來(lái)I/O模塊的功能調(diào)整，但傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中的I/O模塊并不支持重新混合和再配置。即使只是需要簡(jiǎn)單地增加一個(gè)額外的通道，也需要重新設(shè)計(jì)和安裝擴(kuò)展板，這將會(huì)顯著增加整個(gè)控制系統(tǒng)的面積、成本和功耗。并且這種新增的通道安裝位置受限，因此對(duì)于渠道的使用效率也無(wú)法發(fā)揮到最佳。

圖5：SWIO和傳統(tǒng)I/O的對(duì)比（圖源：ADI）

如果I/O模塊具備軟件可配置的特性，那么就能夠大大減少控制系統(tǒng)的I/O模塊配置的復(fù)雜度、成本和功耗，并且在需要進(jìn)行通道調(diào)整的時(shí)候，提供足夠的靈活性。

基于此類需求，ADI率先提出了軟件可配置I/O（SWIO）的概念，并推出了一系列的SWIO產(chǎn)品，幫助制造商提高控制系統(tǒng)靈活性，同時(shí)降低復(fù)雜度。

SWIO具備“一次構(gòu)建，常規(guī)適用”的特點(diǎn)，支持通過(guò)任意引腳訪問(wèn)任意工業(yè)I/O功能，且允許在任意時(shí)間配置通道。

在使用軟件可配置I/O時(shí)，制造商可開(kāi)發(fā)一個(gè)平臺(tái)來(lái)代替多個(gè)過(guò)時(shí)的固定功能I/O模塊，或?qū)⑵鋺?yīng)用于需要跟隨不同客戶需求調(diào)整的定制生產(chǎn)線中。對(duì)于傳統(tǒng)上依賴于多個(gè)I/O模塊的控制柜，且每個(gè)通道類型需采用指定布線的系統(tǒng)，由于現(xiàn)在采用了可編程的單個(gè)模塊類型，硬件的需求隨之減少，從而有助于降低物流、制造和支持成本。

當(dāng)制造商從傳統(tǒng)設(shè)備過(guò)渡到智能邊緣設(shè)備時(shí)，SWIO可以實(shí)現(xiàn)向T1L、以太網(wǎng)和其他工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的托管過(guò)渡，通過(guò)促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的持續(xù)使用，將傳統(tǒng)工廠過(guò)渡到互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施。

此外，SWIO還支持開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的可配置現(xiàn)場(chǎng)I/O單元，此類單元能夠在已安裝的支持HART的4-20mA傳感器和執(zhí)行器與10BASE-T1L或100M光纖回程之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖6：SWIO支持控制網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)（圖源：ADI）

關(guān)于SWIO系列產(chǎn)品，我們?cè)诖送扑][AD74115H單通道可配置模數(shù)轉(zhuǎn)換器] ，該器件集成了一個(gè)16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè)14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），還包含一個(gè)高精度2.5V片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，可用作DAC和ADC的基準(zhǔn)。AD74115H單個(gè)引腳具有多個(gè)可配置模式，可配置成模擬I/O、數(shù)字I/O、電阻溫度探測(cè)器（RTD）以及熱電偶測(cè)量能力。在貿(mào)澤電子官網(wǎng)搜索“[AD74115HBCPZ] ”，就可以獲取關(guān)于此器件的更多信息。

軟件可配置硬件的未來(lái) 賦能工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型

軟件可配置硬件的應(yīng)用和工廠實(shí)現(xiàn)靈活性密不可分，隨著工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，軟件可配置硬件的技術(shù)將會(huì)與以下制造業(yè)技術(shù)趨勢(shì)一起釋放出更大的潛能。

首先，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)正越來(lái)越多地被用于自動(dòng)化決策制定、預(yù)測(cè)維護(hù)和質(zhì)量控制。

可以預(yù)見(jiàn)到，制造業(yè)中對(duì)能夠進(jìn)行更復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)分析的硬件的需求將會(huì)增加。軟件可配置硬件，特別是那些能夠進(jìn)行高速并行處理的系統(tǒng)（如FPGA），將變得非常重要，因?yàn)樗鼈兛梢员痪幊虂?lái)執(zhí)行復(fù)雜的算法，以更有效地支持AI算法，提供必要的計(jì)算能力，同時(shí)保持能源效率。

第二，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）正改變著制造業(yè)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流和遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求也在不斷增長(zhǎng)。

軟件可配置硬件將是這些應(yīng)用的核心，因?yàn)樗鼈兛梢暂p松集成到IIoT解決方案中，并可根據(jù)特定需求進(jìn)行編程和優(yōu)化。

第三，為了減少延遲并提高處理數(shù)據(jù)的能力，邊緣計(jì)算應(yīng)用不斷增長(zhǎng)。

軟件可配置硬件非常適合邊緣計(jì)算應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└咝阅堋⒖啥ㄖ频挠?jì)算，同時(shí)保持低功耗。

最后，在可持續(xù)發(fā)展方面，未來(lái)的智能工廠將需要更多的定制硬件解決方案來(lái)滿足特定的操作要求。

隨著可持續(xù)性成為一個(gè)重要議題，能夠通過(guò)軟件更新來(lái)延長(zhǎng)硬件使用壽命的解決方案將變得更加受歡迎。

總的來(lái)說(shuō)，軟件可配置硬件正逐漸成為智能工廠技術(shù)進(jìn)步的核心驅(qū)動(dòng)力。它不僅優(yōu)化了制造流程的效率和靈活性，還為智能決策提供了關(guān)鍵支持。面對(duì)不斷變化的生產(chǎn)需求和市場(chǎng)環(huán)境，無(wú)論是對(duì)舊有工廠進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，還是在新工廠中實(shí)施先進(jìn)技術(shù)，軟件可配置硬件都顯示出了其不可替代的重要性。

這種技術(shù)的采用有助于工廠更加靈活地適應(yīng)未來(lái)挑戰(zhàn)，同時(shí)確保操作效率和生產(chǎn)力的持續(xù)提高。在未來(lái)的發(fā)展中，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步融合與發(fā)展，我們預(yù)見(jiàn)軟件可配置硬件將在加速工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中扮演更加積極的角色。

審核編輯 黃宇