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聚焦Smarter Vision打造完美體驗
擁有更完美的視覺享受

【作者: Mike Santarini】   2013年09月30日 星期一

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MCU的應用範圍十分廣泛,從消費端的生活周遭,到工業端的自動化控制,都可以見到MCU活躍的身影。而馬達控制,更是MCU重要的應用領域之一。放眼馬達的應用領域其實相當廣泛,小至數位相機的鏡頭伸縮、家電產品,大到電動車、自動化產線、風扇與重工業等,馬達都是系統中的重要角色。其中,擔任馬達背後控制重任的,就是MCU。


MCU滿足各類馬達控制

意法半導體產品行銷經理楊正廉指出,MCU在馬達的應用中,顧名思義就是給予馬達控制的能力。例如在一般的家電系統上,通常是由使用者輸入指令,透過MCU來進行馬達轉速變化與電源管理等控制。而工業機器人在產線上所進行的複雜定位,也都是藉由MCU與馬達的結合,來進行完美的動作控制。


楊正廉說,隨著馬達的種類不同,所需要的MCU等級也各有差異,從消費市場最簡易的8位元應用,到工業自動化控制所需要的高階32位元領域,不同種類與功能的MCU都能一手包辦。


為了了解MCU究竟在馬達控制上,扮演著什麼樣的角色,首先就必須先了解馬達的分類。馬達種類大致上可區分為AC(交流電)馬達、DC(直流電)馬達、步進馬達及特殊領域專用馬達等四大類。就最常見的AC馬達與DC馬達來比較,儘管AC馬達在各種領域的應用中,佔了絕大多數,但由於AC馬達的能量轉換效率較不理想,對於環保意識抬頭,訴求節能的今日產業界來說,逐漸必須轉向採用效率更高的直流馬達。


直流馬達反攻市場

至於直流馬達,其優點在於電源的功率轉換效率更高,這也讓亟欲前進歐美市場的業者,更容易通過歐美國家嚴苛的節能標準。根據觀察,2013年的直流馬達市場可望快速起飛,馬達系統業者早已看準時機,與上游晶片廠商加快合作腳步,藉由更高效能與更低能耗的MCU產品,讓產品能更快推向歐美市場。


直流馬達強調更高的能源轉換效率,其應用領域廣泛。事實上,直流馬達正是最早發明出來,能將電力轉換為機械功率的電動機。只不過在交流感應馬達與步進馬達問世後,逐步取代傳統的直流馬達。


儘管交流馬達擁有更精密的定位控制,但直流馬達良好的線性特性,加上工業自動化的發展,使其得到再次發展的契機。而直流馬達易於控制的優點,至今得以應用於各種變速控制的應用上。


英飛凌工業與多元電子事業處行銷部經理黃國為表示,目前直流馬達的應用常見於吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等。只要透過8位元MCU,便可充分對於馬達進行控制。


儘管8位元架構設計較為簡易,但MCU業者還是必須對於馬達電源與功率開關管理有深入的了解。馬達的控制涉及不同程度的演算法,例如霍爾效應感測、有刷無刷、單相三相與電壓電流功率等層面,即使8位元MCU業者容易透過價格戰來搶得訂單,然而若無法提供客戶更多馬達控制的技術支援,還是難以跨入複雜的馬達領域。這些技術支援,都是MCU廠商必須具備的能力之一。



圖一 : 風扇馬達控制是MCU最普遍的應用場合。舉凡吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等,都可以看到MCU的身影。
圖一 : 風扇馬達控制是MCU最普遍的應用場合。舉凡吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等,都可以看到MCU的身影。

工業複雜運算 MCU助一臂之力

對於工業市場來說,馬達其實就是電力驅動器。電力驅動器的特性在於可控性、靈活性與準確性。而隨著工業自動化的快速發展,自動化的基礎技術也為工業驅動帶來了革命性的進展。


事實上,驅動技術的日趨成熟,加上商品化產品高度普及,使得馬達驅動技術不只普及在消費市場的各個角落,也已經在工業自動化領域中發光發熱,這一切都歸功於伺服技術的成熟。


黃國為認為,在各種馬達的應用中,交流馬達佔了絕大多數,特別是在變頻與工業自動化領域中更為常見。然而交流馬達最大的問題點,就在其變速控制的複雜度過高,也使其傳統多半只能用於定轉速的應用上。


但近年來,隨著半導體技術的高度成熟,功率電子元件與先進控制方法都來到一個全新的階段,再加上電腦輔助設計的普及,透過MCU與DSP等半導體元件,已經可以更進一步控制複雜的交流馬達,這使得無段變速交流馬達的控制不再是個問題,工業控制也因此獲得更高度的自動化。


馬達是工業自動化的心臟,而馬達控制更是一門極富挑戰的學問。就分類來看,各式各樣的馬達種類繁多,運作原理、特性、應用與材料都各不相同。應用於工業伺服領域的馬達,通常必須具備精密的位置檢測元件,如光電編碼器、解角器等,也通稱為伺服馬達。


黃國為說,在獲得MCU控制的助力之後,交流馬達本身的優點得以全盤發揮,特別是針對伺服系統的定位控制,包括工業機器人、數值工具機,甚至是碾壓裝置的同步轉速控制例如煉鋼廠、碾紙廠與紡紗廠等,交流馬達都能發揮其特性,也因此逐漸取代傳統的直流馬達系統。



圖二 : 一般性影音與影像處理系統流程圖。
圖二 : 一般性影音與影像處理系統流程圖。

ARM核心造就高性價比優勢

在ARM Cortex系列處理器問世之後,各家MCU廠商大量採用該核心來打造自家MCU產品,使得市場上一時間ARM架構MCU成為當紅炸子雞。儘管8位元MCU的普及度高,然而8位元特性並不能滿足所有應用,特別是更為複雜的工業自動化控制,這也讓ARM Cortex架構的32位元優勢能夠充分發揮。


楊正廉指出,ARM Cortex系列核心所主打的,就是以32位元的效能與8位元的價格,來取代傳統MCU產品。32位元與8位元的差別,就如同跑車與腳踏車,一旦用上了32位元MCU,意味著運算工作將更為複雜,精確度的要求也更高。


ARM Cortex核心依據效能不同,擁有包括M0、M0+、M3、M4等不同架構。事實上,工業馬達複雜的演算法,讓MCU必須擔負起繁重的運算工作,例如三相馬達就必須透過磁場導向控制(FOC)的運算,來精確掌握其轉速與扭力等動作。包括FOC演算、霍爾效應感測與過電壓、過電流保護等需求,都可以透過中階的ARM Cortex M3核心來滿足。


而最高等級的Cortex-M4,具備浮點運算單元與DSP能力,可以滿足工業馬達更精密複雜的高階演算。至於M0與更低功耗的M0+核心,則是針對簡易的馬達控制,不論工業市場與一般的消費市場都能勝任。


對於MCU廠商普遍入主ARM Cortex核心,造成『人人都是ARM、差異化不大』的情況。面對這樣的問題,楊正廉認為,ARM Cortex核心為MCU廠商帶來產品效能提升、價格便宜與快速上市的優點,但也的確讓不同產品間的差異化變低。「好像買哪一家的MCU都一樣。」


這個時候,各家MCU廠商其實都致力讓產品在同中求異,如推出讓客戶更易上手的開發工具、或者主打產品的高性價比,甚至走向更高整@內文:


你是否看過奧迪汽車的自動停車功能?在無人駕駛的情況下,汽車卻能自行找到車位並停放好;或者,你是否曾經使用Kinect控制器玩過Xbox 360遊戲?或者才剛剛咬下一口在水果店購買的新鮮水果?如果你有過上述經驗,那麼你就可算是Smarter Vision系統時代到來的見證人。


從最尖端精密的電子系統到一顆普通的蘋果,Smarter Vision技術對各式各樣的產品影響甚鉅。雖然現今的各式系統發展已達驚人水準,但專家預測在未來10年,包括汽車電子、工廠自動化、醫療、監控、消費、航太工程與國防等電子系統,都將採用功能更強大的Smarter Vision技術。


隨著Smarter Vision系統日趨複雜,我們很有機會乘坐自動駕駛汽車在高速公路上馳騁;直覺外科中發展驚人的機器人輔助手術系統等醫療設備,也將有長足的進程,能支援外科醫生從遠端進行外科手術;電視與視訊會議系統也將展現更高階的臨場感和互動性;而電影院、家庭與商店的螢幕,則會依據每位消費者的興趣甚至是心情而顯示不同的內容。


從啞巴攝影機到Smarter Vision


智慧型系統乃源自嵌入式視覺,根據發展快速的「嵌入式視覺聯盟」產業組織定義,嵌入式視覺結合兩項新興技術:嵌入式系統(電腦以外所有使用處理器的電子系統)和電腦視覺(又稱機器視覺)。隨著嵌入式視覺技術的問世,監控設備公司開始採用成本較低、以數位技術為基礎的鏡頭。數位處理技術為系統提供卓越的功能,其效能遠比使用透鏡的類比系統更為優異,且價格更為低廉。


魚眼鏡頭和採用各種視覺專用演算法的嵌入式處理系統,大幅強化鏡頭所擷取到的影像畫質。針對光照條件進行校正,能夠改善對焦、增加色澤和數位縮放範圍等技術讓鏡頭不需以機械電機控制來執行平移、傾斜和縮放功能,進而提高系統的可靠性,再者,數位訊號處理系統已能提供1080p甚至更高的影音解析度。


嵌入式視覺聯盟創始人暨顧問公司BDTI執行長Jeff Bier表示:「嵌入式視覺技術的發展遠超過機動的PTZ(左右轉動/上下傾斜/放大)類比攝影機系統時代,對多項產業有深遠影響。我們已在數位時代生活一段時間,我們也已見證嵌入式視覺從早期數位系統專攻於壓縮、儲存或強化攝影機拍攝內容,快速發展為現今能夠認知攝影機拍攝內容的Smarter嵌入視覺系統。」



圖一 : 風扇馬達控制是MCU最普遍的應用場合。舉凡吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等,都可以看到MCU的身影。
圖一 : 風扇馬達控制是MCU最普遍的應用場合。舉凡吊扇、工業扇、立扇、散熱風扇等,都可以看到MCU的身影。

篩選出完美蘋果


試想以蘋果為例,一顆漂亮的蘋果是如何被擺放在水果攤上的?賽靈思公司工業、科學與醫療業務部的工程師Giulio Corradi表示:「Smarter Vision技術現在被運用在食品檢驗生產線上,可依蘋果的好壞程度進行篩選。高速食品檢驗生產線所採用的第一代嵌入式視覺系統具備一個或多個攝影機來檢驗蘋果或其他農產品表皮上的瑕疵,如果偵測到異常的色澤,即會在蘋果上做記號,並篩選出作進一步檢測或是丟棄。」


如果水果曾在送進檢驗生產線之前掉落,傷痕卻難以察覺,Corradi表示:「在某些情況下,攝影機無法偵測到水果掉落造成的損壞,因為實際損壞位於果肉中,只能靠人力以肉眼檢查。Smarter Vision系統在攝影機上整合了紅外線感測器以檢驗果皮下的損壞,能啟動自動分類機揀選出損壞的蘋果,以免被包裝送往水果店。」如果沒有Smarter Vision系統的協助,便無法在檢測中篩選水果,而水果損壞的地方會在水果店架上變得更明顯,必須立即丟棄。換言之,一個壞蘋果會糟蹋成堆的蘋果。


Corradi表示:「Smarter Vision技術也運用於現代化工廠。越來越多的工廠已採用自動化,使用機器人輔助技術或完全自動化的機器人生產線,使製造商能根據不同的工作項目更換機械設備。對於需要製造不同產品系列的機器人而言,安全籠的空間有限,並無法因應機器人的移動範圍。」


帶來完美駕駛體驗


此外,為了保護工人的安全,同時避免限制自動化工廠生產線的活動範圍,企業正採用Smarter Vision建立安全系統。攝影機和雷射上會豎立虛擬柵欄或屏障,如果工作人員和安全監測人員在產品生產時過於靠近工廠生產線,會發出警示聲警告人員。部分裝置則建置多重虛擬屏障系統,在有人跨越外部屏障時會先發出警報聲,然後在此人跨越第二道屏障並接近機器人時自動關閉整條生產線,以避免意外傷害事故的發生。


嵌入式視覺聯盟創辦人Bier表示:「這種類型的虛擬屏障技術正被廣泛應用,對於降低工廠的安全事故貢獻尤大,我們更樂見在遊樂場、家庭游泳池周圍或轎車上安裝虛擬屏障,可以預見未來將會使用更多虛擬屏障系統以保障日常生活的安全。」


過去十年中,汽車製造商已開始將一系列Smarter Vision技術支援的駕駛輔助功能應用到高階車款中,同時在跑車和一般車款產品線中加入更多的協助功能,包括:盲點檢測、車道變換輔助、行人和交通號誌檢測等,會在偵測到危險情況時向駕駛人員發出警示。最近新推出的車款更提供更先進的自動剎車系統和車道維持系統等,不僅可以監控駕駛環境、偵測潛在危險,還能輔助駕駛員採取防護措施,避免事故發生或降低其嚴重性。


可延長人類壽命


另一個受到Smarter Vision影響甚鉅的是醫療電子產業。Smarter Vision技術正廣泛應用於各種醫療成像技術,包括內視鏡和影像掃描器(CT、MRI等)、和Intuitive Surgical公司推出的達文西機器人外科手術系統等。達文西精密的 3D視覺系統能讓外科醫生操作高度精密、流暢和觸覺敏感性佳的機器人外科儀器,完成各種精細且複雜的手術。


每一代新系統的推出,能讓外科醫生執行更多種類和數量的外科手術,並確保更佳的治療效果與縮短恢復期。用於控制和協調手術程序的技術精密程度極高,須仰賴優異的處理能力與邏輯元件的相互搭配。因此,每一代新技術可藉由處理器與邏輯元件的高整合度而從中獲益。



圖二 : 一般性影音與影像處理系統流程圖。
圖二 : 一般性影音與影像處理系統流程圖。
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