FPGA應用於5G智慧化加工之實時異常現象監控

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姓名

曾國翔(Kuo-Hsiang Tseng) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

FPGA應用於5G智慧化加工之實時異常現象監控
(Real-time Anomaly Monitoring of 5G-Enabled Smart Manufacturing using FPGA)

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摘要(中)

現今因「工業4.0」的驅使之下，利用大數據、人工智慧等技術來融入工業自動化，又稱為「智慧化加工」。因有高速且大量的數據傳輸需求，使得具備低延遲、高速度、多連結等特性的第五代行動通訊技術(5G)是必須仰賴的關鍵，且市面上許多訊號擷取系統無法負荷高傳輸速度與大頻寬的需求，本研究決定開發現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)，利用硬體描述語言(HDL)設計其架構，並使用電流探棒量取智慧化工廠內的電化學放電加工(ECDM)機之加工訊號，訊號儲存至FPGA中並進行處理後，利用5G傳輸至智慧化工廠之中央伺服器與邊緣計算模組，以獲取最新加工狀態，若從中發現異常現象，便命令電化學放電加工(ECDM)調整加工參數，使其成為一「閉迴路實時監控系統」，在無人監控狀態下排除異常現象。本研究自行開發「高速資料擷取系統」，其具有體積輕量化、高取樣率等優勢，作為加工異常現象之偵測工具，可為「工業4.0」帶來貢獻。

摘要(英)

Due to the driving force of "Industry 4.0", the integration of technologies such as big data and artificial intelligence into industrial automation, also known as "smart manufacturing," has become prominent. With the high-speed and large-volume data transmission requirements, the 5th Generation Wireless System (5G) with features such as low latency, high speed, and multiple connections has become essential. However, many signal acquisition systems available on the market cannot meet the demands of high transmission speeds and large bandwidth. Therefore, this study is going to use Hardware Description Language (HDL) to develop a Field-Programmable Gate Array (FPGA) for this purpose. The signal during processing of Electrochemical Discharge Machining (ECDM) machine in the intelligent factory will be captured by a current probe and stored in the FPGA for further processing. The processed signals will be transmitted via 5G to the central server and edge computing module in the intelligent factory to obtain real-time information on the latest manufacturing status. If any abnormal phenomena are detected through this system, the Electrochemical Discharge Machining (ECDM) will be commanded to adjust the processing parameters. This system will be a “closed-loop real-time monitoring system”, that can optimize the manufacturing quality in an unmanned monitoring state. Developing a "high-speed data acquisition system" in this study, which has advantages such as lightweight and high sampling rate. This system serves as a detection tool for identify anomalies in process, and making further contributions to "Industry 4.0."

關鍵字(中)

★ FPGA
★ 5G
★ ADC
★ 監控
★ 電化學放電加工

關鍵字(英)

★ FPGA
★ 5G
★ ADC
★ Anomaly Monitoring
★ ECDM

論文目次

中文摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章、緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 文獻回顧 4
1-4 研究架構與方法 6
1-5 文章架構 8
第二章、系統之運作原理 9
2-1 智慧化工廠內之5G通訊 9
2-1-1 TCP/IP通訊協定 10
2-2 高速擷取系統 14
2-2-1 電流感測原理 15
2-2-2 類比/數位訊號轉換原理 15
2-2-3 FPGA晶片架構配置原理 15
2-2-4 嵌入式Linux作業系統 19
2-3 ECDM加工異常偵測 23
第三章、系統使用之硬/軟體設備 27
3-1 Eclypse z7 ｜ FPGA 開發板 27
3-2 Genesys ZU-5eV ｜ FPGA 開發板 28
3-3 ZMOD ADC 1410 ｜類比數位轉換器模組 29
3-4 Cybertek-HCP8150 ｜通用型高頻大電流探棒 31
3-5 SRM815 ｜ 5G NR miniPCIe 模組 32
3-6 APAL 5G Mifi ｜行動式5G分享器 33
3-7 智慧工廠中央伺服器與資料庫 34
3-8 使用之軟體 35
3-8-1 Vivado ｜ HDL開發環境 35
3-8-2 Vitis ｜ FPGA軟體API開發環境 36
3-8-3 Petalinux ｜嵌入式作業系統開發工具 36
3-8-4 Qt ｜圖形化使用者界面（GUI）開發工具 36
第四章、系統建置之方法 38
4-1 FPGA之硬體架構建置 38
4-1-1 Eclypse z7 38
4-1-2 Genesys ZU-5eV 40
4-2 嵌入式Linux之開發 47
4-3 FPGA之軟體建置 49
4-4 ECDM加工異常監測 51
第五章、系統執行之結果 56
5-1 FPGA之訊號擷取測試 56
5-2 5G網路功能與速度測試 59
5-3 高速擷取系統之無線傳輸測試 61
5-4 加工異常狀態監測實況 66
第六章、結論與未來展望 68
6-1 結論 68
6-2 未來展望 69
參考文獻 70

參考文獻

[1] 石侃, 詳解 FPGA：人工智能時代的驅動引擎, 中國北京: 清華大學出版社, 2021.
[2] 蔡依婷, “啄鑽式電化學放電加工藍寶石基板之研究,” 碩士論文, 桃園市, 2022.
[3] Digilent, “digilent.com,” [線上]. Available: https://digilent.com/reference/zmod/scope/reference-manual.
[4] Budruk, Ravi (EDT)/ Anderson, Don/ Shanley, Tom, PCI Express System Architecture, America: Addison-Wesley Professional, 2003.
[5] 夏宇聞/韓彬, Verilog數字系統設計教程(教程), 北京市: 北京航空航天大學出版社, 2017.
[6] C. Simmonds, Mastering Embedded Linux Programming, Birmingham: Packt Publishing Ltd., 2017.
[7] 王又霆, “以 ADC 與 FPGA 實現 5G 通訊高速訊號擷取系統之開發,” 碩士論文, 桃園市, 2021.
[8] James F. Kurose/Keith W. Ross, Computer Networking : A Top-Down Approach, New Jersey: Pearson Education, Inc., 2016.
[9] K. Underwood, “FPGAs vs. CPUs: Trends in Peak Floating-Point Performance,” Sandia National Laboratories, Albuquerque, 2004.
[10] 余至浩, “賽靈思全新Vitis軟體開發平臺正式推出上線，不只要通吃雲端跟邊緣裝置，更要助軟體工程師降低FPGA開發門檻,” iThome, 04 12 2019. [線上]. Available: https://www.ithome.com.tw/news/134584.
[11] 鄭志平, “微電化學放電加工法應用於硼矽玻璃的精微加工技術之研究,” 碩士論文, 桃園市, 2008.

指導教授

董必正(Pi-Cheng Tung)

審核日期

2023-8-19

推文