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來源：貿澤電子 過去幾年，COVID-19的肆虐讓全球制造業遭受重創。據調查數據顯示，僅2022一年，全球因工廠意外停工造成的經濟損失高達1.5萬億美元。 未來的智能工廠需要更高的靈活性和更強的抗風險能力，才能盡量減少此類風險。而這種能力從何處構建？軟件可配置硬件給出了答案。 硬件參數可配置 制造產線更靈活 軟件可配置硬件，也稱為可重構硬件，是指通常應用于工業制造領域，可以通過編程來更改其功能和結構的硬件設備。常見的軟件可配置硬件類型包括：現場可編程門陣列（FPGA）、可編程自動化控制器（PAC）、可編程I/O口、可編程ADC/DAC、可重構AFE和多通道PMU等多種不同的類型。 未來的工廠將會面臨著諸多的挑戰： 1-緊跟趨勢生產 一方面，生產需要跟隨不斷變化的消費趨勢，更頻繁地按照市場反饋進行新產品的制造；對于高需求的產品制造進行擴充，對于低需求的產品制造進行減產。 2-緊跟技術演進 另一方面，工廠需要緊密跟隨技術演進，不斷將創新制造技術與傳統產線融合，從而實現不間斷的效率提升。 3-預測風險變動 此外，工廠還要對于不可預測的國際事件和供應鏈變化，做好突發關停或產線遷移的準備，盡可能降低損失。來自市場、技術和國際形勢的多重因素，促使未來工廠更需提高靈活性和抗風險能力。 
圖1：未來智能工廠（圖源：ADI） 而通過軟件可配置硬件的部署，工廠就可以在不替換物理設備的情況下，迅速完成相關制造功能的調整修改，快速適應生產需求的變化，這種靈活性對于滿足不斷變化的操作需求和提高生產效率至關重要。而隨著工業物聯網（IIoT）和智能制造的進一步發展，軟件可配置硬件能夠讓工廠在快速變化的市場環境中保持更好的競爭力。 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，看似毫無聯系，但要實現后者軟件定義工廠，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于未來智能工廠必不可少，那么如何選擇合適的器件呢？接下來我們從FPGA和可配置I/O兩個大的分類來深入剖析。 FPGA：為智能工廠提供靈活計算能力 FPGA（Field-Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列，其核心優勢是內部硬件電路不像定制硬件（如ASIC）那樣固定不變。相反，其內部數以萬計的邏輯塊可以通過用戶編程來組成復雜的自定義硬件功能，這種獨特性可以使FPGA為制造業領域提供靈活的計算能力。
圖2：FPGA在工業中的應用（圖源：Microchip Technology） 在高度競爭和快節奏的制造領域，能夠迅速修改和優化系統至關重要。FPGA可以用于控制系統，如驅動控制和傳感器數據處理。如果控制策略需要更改或優化，工程師可以通過重新編程FPGA來實現，而無需更換任何硬件組件，這不僅大大縮短了開發時間，還能顯著降低成本。 對于定制小批量產品的制造，傳統的硬件解決方案可能過于僵化且成本高昂，而FPGA的靈活性允許生產線適應不同的產品配置和要求。例如，在電子組件組裝線上，FPGA可以控制機器人臂的精確動作，快速切換組件拾取和放置的模式，從而適應不同的組件類型和組裝要求。 隨著產品需求和技術的變化，傳統的硬件設備可能會迅速過時。而FPGA的可編程性質允許其適應新的標準和技術。設計人員可以通過更新FPGA的固件/軟件來引入新功能或改進系統性能，從而延長制造產品線的生命周期。
圖3：Microchip的FPGA產品布局（圖源：Microchip Technology） 作為知名的集成電路制造商，Microchip Technology提供了豐富的FPGA產品組合，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、消費類、工業、通信、汽車和醫療等多種不同應用。 其中ProASIC3E系列基于非易失性閃存技術構建，這意味著即便在斷電的情況下，其編程設計也能得以保留。該器件支持330至35K LE和多達620個高性能I/O，內部集成了Arm Cortex-M1軟處理器IP內核，具有易于編程和加快上市時間的優點。關于該系列產品，我們推薦的具體產品型號為“A3PE3000-1PQG208I”，可以在貿澤電子官網搜索該料號獲取更多產品信息。 軟件可配置I/O為智能工廠提供靈活互連能力 I/O接口模塊是自動化控制系統和現場設備之間進行信息交流的橋梁，確保工業控制系統能夠有效地與現場設備進行交互，對各種操作進行精確控制，從而優化生產過程，提高效率和安全性。 輸入模塊從各種現場傳感器接收信號，傳遞給控制系統，幫助控制系統了解到現場環境和設備狀態；輸出模塊可以將控制系統的指令傳遞給現場執行機構，執行適當的動作。 傳統的控制系統采用一組復雜的通道模塊，這一組通道模塊按照該控制系統的特定需求進行配置，每個I/O模塊的功能固定，而且是以模擬為主導。
圖4：典型PLC中的I/O模塊（圖源：realpars） 這種控制系統的I/O模塊配置工作非常復雜和繁瑣，設計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，在大量的不同產品選型和互連之間設計最優連接路徑。安裝人員需要花費大量的時間進行成本高昂且工作量巨大的手工安裝工作。 如果客戶需求發生變化，則勢必帶來I/O模塊的功能調整，但傳統的控制系統中的I/O模塊并不支持重新混合和再配置。即使只是需要簡單地增加一個額外的通道，也需要重新設計和安裝擴展板，這將會顯著增加整個控制系統的面積、成本和功耗。并且這種新增的通道安裝位置受限，因此對于渠道的使用效率也無法發揮到最佳。
圖5：SWIO和傳統I/O的對比（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的I/O模塊配置的復雜度、成本和功耗，并且在需要進行通道調整的時候，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產品，幫助制造商提高控制系統靈活性，同時降低復雜度。 SWIO具備“一次構建，常規適用”的特點，支持通過任意引腳訪問任意工業I/O功能，且允許在任意時間配置通道。 在使用軟件可配置I/O時，制造商可開發一個平臺來代替多個過時的固定功能I/O模塊，或將其應用于需要跟隨不同客戶需求調整的定制生產線中。對于傳統上依賴于多個I/O模塊的控制柜，且每個通道類型需采用指定布線的系統，由于現在采用了可編程的單個模塊類型，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。 當制造商從傳統設備過渡到智能邊緣設備時，SWIO可以實現向T1L、以太網和其他工業通信標準的托管過渡，通過促進現場儀表的持續使用，將傳統工廠過渡到互聯基礎設施。 此外，SWIO還支持開發標準化的可配置現場I/O單元，此類單元能夠在已安裝的支持HART的4-20mA傳感器和執行器與10BASE-T1L或100M光纖回程之間進行轉換。
圖6：SWIO支持控制網絡演進（圖源：ADI） 關于SWIO系列產品，我們在此推薦AD74115H單通道可配置模數轉換器，該器件集成了一個16位Σ-Δ模數轉換器(ADC)和一個14位數模轉換器(DAC)，還包含一個高精度2.5V片內基準電壓源，可用作DAC和ADC的基準。AD74115H單個引腳具有多個可配置模式，可配置成模擬I/O、數字I/O、電阻溫度探測器(RTD)以及熱電偶測量能力。在貿澤電子官網搜索“AD74115HBCPZ”，就可以獲取關于此器件的更多信息。
圖7：AD7415（圖源：ADI） 軟件可配置硬件的未來 賦能工廠數字化轉型 軟件可配置硬件的應用和工廠實現靈活性密不可分，隨著工廠數字化轉型的深入，軟件可配置硬件的技術將會與以下制造業技術趨勢一起釋放出更大的潛能。 首先，人工智能和機器學習正越來越多地被用于自動化決策制定、預測維護和質量控制。 可以預見到，制造業中對能夠進行更復雜數據處理和實時分析的硬件的需求將會增加。軟件可配置硬件，特別是那些能夠進行高速并行處理的系統（如FPGA），將變得非常重要，因為它們可以被編程來執行復雜的算法，以更有效地支持AI算法，提供必要的計算能力，同時保持能源效率。 第二，工業物聯網（IIoT）正改變著制造業，對實時數據流和遠程監控的需求也在不斷增長。 軟件可配置硬件將是這些應用的核心，因為它們可以輕松集成到IIoT解決方案中，并可根據特定需求進行編程和優化。 第三，為了減少延遲并提高處理數據的能力，邊緣計算應用不斷增長。 軟件可配置硬件非常適合邊緣計算應用，因為它們可以提供高性能、可定制的計算，同時保持低功耗。 最后，在可持續發展方面，未來的智能工廠將需要更多的定制硬件解決方案來滿足特定的操作要求。 隨著可持續性成為一個重要議題，能夠通過軟件更新來延長硬件使用壽命的解決方案將變得更加受歡迎。 總的來說，軟件可配置硬件正逐漸成為智能工廠技術進步的核心驅動力。它不僅優化了制造流程的效率和靈活性，還為智能決策提供了關鍵支持。面對不斷變化的生產需求和市場環境，無論是對舊有工廠進行技術升級，還是在新工廠中實施先進技術，軟件可配置硬件都顯示出了其不可替代的重要性。 這種技術的采用有助于工廠更加靈活地適應未來挑戰，同時確保操作效率和生產力的持續提高。在未來的發展中，隨著人工智能和物聯網技術的進一步融合與發展，我們預見軟件可配置硬件將在加速工業數字化轉型中扮演更加積極的角色。 |
