匯流排技術 PCIe 在智慧工廠中的關鍵地位

在工業 4.0 趨勢下，工廠勢必得導入智能系統輔助，而深度學習、3D 感測及圖形運算等技術也將帶來大量資料傳輸的需求，這就讓高速的工業匯流排技術角色愈加吃重。如今，PCI 和 PCI Express 是兩種重要的匯流排技術，新一代 PCI Express（簡稱 PCIe）較已被廣泛採用的 PCI 具有更高效能，不但沿用原有 PCI 編程概念及通訊標準，且建基於更快的串行通訊系統，僅需修改實體層，無須修改軟體，即可將現有 PCI 系統轉換為 PCIe。

除此之外，PCI 裝置支援熱拔插、熱交換與隨插即用等特性，保留了 PCI 定址模式的相容性，以確保現有應用與驅動程式可繼續作業無虞，因此主機板廠的設計使用 PCIe 介面，也已成為常態。而在智慧工廠中的主要應用領域，可分為機器視覺、運動控制以及資料採集三大類，為因應這一趨勢，研華科技（Advantech）則分別提供完整的解決方案，滿足各行業所需。

機器視覺

機器視覺技術被廣泛用於自動化生產製造流程，以提高半導體、汽車、電子等行業的生產力與良率，越來越多的應用需要極高的精度及速度。同時，3D 機器視覺與 AI 更帶動大量圖像資料需求，於是以 PC-Based 為架構的機器視覺應用，由於高速匯流排與高運算量的優勢，逐漸成為機器視覺市場的主流方案。

過往的機器視覺應用，主要規格為「0.3MP，30fps，灰階影像」。由於精度、速度的提升，加上智慧製造的需求，使得「2.0MP，60fps，彩色影像」的應用方興未艾，高資料傳輸量的 PCIe 匯流排遂成為 PC-Based 機器視覺的最佳選擇，並廣泛運用於量測、瑕疵檢測等應用。此外，PCIe 匯流排採用序列式通訊協定，大幅改善以往 PCI 匯流排的效能，並提供可靠、高頻寬點對點獨立頻寬的傳輸資料；而支援 DMA，不占用任何 CPU 資源，也非常符合機器視覺多相機應用的需求。

運動控制

在工業物聯網的浪潮下，傳統生產線的變革及新世代智慧工廠的誕生，讓以運動控制為代表的自動化技術廣泛應用，未來運動控制的發展將趨向高速度、高精度及網路化，並以各種邊緣運算裝置結合雲端服務平台，進而融合訊資訊技術，達到智慧化的先進製造。

如今，設備和服務端之間具有高度聯網和強大的通訊能力，而高速、高效、安全的現場總線是智慧工廠的基本要求。近年來興起的 EtherCAT 通訊標準，因為採用了獨特的數據處理方式「On the fly」，突破了傳統乙太網技術的性能侷限，使得自動化平台兼具即時性與開放性。PCIe 介面的 EtherCAT 主站控制卡，可提供更高的傳輸頻寬，面對高速點位運動及高精度的軌跡控制，保證即時性及穩定性，不受電腦平台影響，能做到誤差僅一微秒（1µs）的精確同步控制。

資料採集

早期的 33 MHz PCI 匯流排非常符合主流週邊設備的 I/O 頻寬需求。然而，現階段的發展已不可同日而語，處理器與記憶體的頻寬大幅提升，且處理器速度幾乎是以等比速率增加。各種新興的 I/O 技術如 Gigabit Etherne t與 IEEE 1394B，幾乎取代匯流排上單一裝置所配備的所有 PCI 匯流排頻寬，在特定應用中的時脈頻率已不敷使用，無法滿足電力管理、I/O 虛擬化與服務品質等需要絕對穩定的頻寬與精確潛時的新一代 I/O 需求。

若透過 PCIe 介面卡，則能有效減少頻寬問題，所需的緩衝記憶體數量將遠低於傳統 PCI 介面卡所需。新一代的 I/O 需求，如服務量測品質與電力管理，也可提升資料完整性，並允許系統裝置進行選擇性斷電。此外，就算尚未完成的傳輸作業占用其他通道，也可透過虛擬通道進行資料傳輸。

對於系統自動化來說，PCI 匯流排多年來一直是插卡式擴充介面卡的首選。而新一代的 PCIe 則具有更高效能，與 PCI 相比，PCIe 提供高效能、精準即時傳輸、分層結構、I/O 簡化與易用等優勢，不但可提升整體效益，更可進一步完善設備自動化的需求，相關的模組化解決方案對於建置智慧工廠將有極大助益。

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（首圖來源：Shutterstock）