功能成本可靠度完勝串列纜線　工業HMI設備興起藍牙化

HMI工業裝置帶給設計人員巨大的挑戰。產品設計的規格常以標準為指導原則；裝置的實體尺寸會受到限制，可能需要一些控制選項以配合較大型的安裝作業。在工業環境下使用的產品意謂著就是資本投資，本地堅固的產品介面即便受到各種壓力因素的影響，仍需持續可靠地使用多年。安全也是一個重要的考慮因素。連接到其他設備(例如電腦)時，產品必須保持安全運行，這通常需要在所有外接埠上進行電氣隔離。

由新式標準驅動的無線藍牙技術為設計者提供了新工具，可以協助他們提升工業裝置的使用者體驗。此外，與傳統有線的連接解決方案相比，基於藍牙的人機介面更能節省成本。

藍牙提供卓越用戶體驗

工業裝置使用藍牙可免除對特定實體連接器的依賴性，讓終端用戶可使用任何支援無線藍牙的裝置與其連接。幾乎所有裝置(包括智慧手機、平板電腦和筆記型電腦)都支援藍牙，這清楚說明了該技術平台的獨立性。由於可以不再局限於使用實體和電氣相容的訂製裝置，這對終端客戶極為有利。甚至彼此競爭的作業系統和產品品牌也可藉由藍牙而達到產品的相容性。

隨著藍牙靈活性的提高，開發人員可以利用行動應用程式自由創建更多創新和直覺的圖形使用者介面，而不再受裝置尺寸或實體按鈕的限制；易於理解的使用者介面不僅可以提供更美觀的體驗，還可減少使用者造成的錯誤。不同於常規設計使用的複雜按鈕，直覺的螢幕可以協助導航功能，並向用戶提供清晰的指令，因此可以減少在新系統上培訓操作員所需的時間，為終端客戶提供額外的好處。

當裝置和資料的存取可簡化時，即可開發新的資料驅動用例和功能。當中包括減少重新設定裝置配置所需的時間，或經由存取和分析運算資料來增加預測性維護之類的功能。這些操作可以藉由OTA(Over-the-air)方式完成，而不會影響正常操作。而且，經由雲端連接，可透過中央託管的資料庫傳送新的設定來解決操作員所犯的錯誤，而不必仰賴本地作業人員進行程式除錯。

除去實體連接可降低成本

與傳統的人機介面相比，藍牙可節省大量成本。在工業裝置市場上，電氣隔離的串列埠是最常見的介面技術之一。相較於單一的串列埠，系統級封裝藍牙模組的材料清單成本最多可降低48%，而且，如果裝置配有類似開關和按鈕等本地的LCD螢幕和機電組件，其成本差異會變得更大。

降低維護成本可進一步節省總體成本。使用藍牙時，使用者不須接觸任何機械零件；因此就沒有這些相關元件的故障問題，進而可降低產品的退貨率。對於最終客戶而言，無線介面消除因連接器損壞之類的事故而導致機械故障的可能性，避免了昂貴的維修費用。

採用無線介面可提升未來收益

工業裝置預期的使用壽命多達數年，大幅超過多數一般消費產品的使用壽命。在這段時間，開發新功能以滿足市場不斷發展的需求是無法避免的。然而，工業裝置添加新功能的工作是一個繁瑣的過程，因為裝置所在地通常位於實體造訪受限制的地點，或造訪需耗費大量工作和成本的地方。使用OTA無線韌體更新提供了更為簡便的管道，對於終端客戶而言，裝置升級提供的新方法可以延長原始的投資，而授權設備製造商可實施新業務模式，專注於銷售具有軟體選項功能的產品，可以延長產品的使用壽命。

如同所有軟體一樣，行動應用程式需要維護，而底層作業系統則不斷進化。在選擇藍牙供應商時，設備製造商應密切注意供應商維持藍牙堆疊和行動應用程式庫的承諾。在新版的主作業系統發行時，較佳的供應商須能夠提供及時且經過測試更新的程式庫。此外，工業系統逐漸成為網路攻擊的目標。現行或正在規畫中的法規越來越多，最近的一項法規案例是加利福尼亞州的SB327，該法規規定了網際網路連接設備的規則。儘管藍牙具備原有的安全功能(例如加密)，但僅靠標準本身提供的安全性是不夠的。裝置製造商應確保其藍牙供應商具有良好的安全機制，而且無線SoC和模組須擁有高階功能(例如安全啟動)，以防止未簽名授權的韌體在所屬的設備上執行作業。

雲端連接已成為工業物聯網的主流。與舊桌機應用程式的更新方式相比，結合藍牙、現代行動作業系統以及安全雲端連接的模式顯得更加簡單。此外，雲端應用使軟體更新作業更加中心化。隨著工業4.0浪潮席捲各個不同的垂直市場領域，使用雲端解決方案的需求預期將持續其成長軌跡。

減少機電裝置數量以提高可靠性

按鈕或顯示器出現故障的平均時間是多少？實體連接器可以承受多少次插拔週期而無故障發生？在實體使用者介面的裝置中，這些是設計者必須考慮的許多問題之一；反之，無線技術不受機械應力問題的影響，在為工業環境強化設計時，去掉實體介面意謂著要考慮的變數較小。

任何透過實體連接的裝置都需要在主機殼中做一個開口，但工業裝置通常部署在多變且惡劣的環境中，因此必須保護此類開口免受灰塵、水濺以及可能損壞裝置或其零件等其他條件的影響。在使用藍牙連接之後，裝置外殼可以完全密封。如果使用LED指示器，則其可放置在外殼內，並透過半透明的屏障進行視察。

若使用藍牙可提高可靠性，為裝置製造商和終端客戶節省實質成本，包括：減少設計承受惡劣環境的外殼所花費的時間，縮短產品上市時間；減少機電零組件的數量，與半導體元件相比，它們通常非常昂貴；因此，從設計中去除這些昂貴的元件也可以提高毛利率；降低終端客戶的總體持有成本(TCO)，因為使用藍牙而簡化的人機介面所需維護較少。

眾所周知，在工業環境中，大量機器和設備會增加RF雜訊而造成影響，這對無線電技術構成挑戰。由於藍牙使用跳頻，因而能夠承受來自各種RFI來源的影響，這是一項重要的考慮因素，因為許多應用程式和技術都使用2.4GHz的ISM頻段。阻隔一個或多個頻道的干擾因素無法完全中斷通訊，因此，藍牙也適用於工業的配置。

藍牙連接設計注意事項

許多種方法可以添加藍牙連接至應用端。如果開發商內部機構擁有藍牙設計專業、嵌入式韌體和行動開發的整合團隊，以及能夠透過RF認證流程設計所需的資源，設計藍牙SoC解決方案到應用端將能夠產生成本效益。

若開發商缺乏無線產品設計專業知識，預整合和預認證的無線模組是良好的解決方案。選擇具有預先認證的RF和硬體的整合模組，在設計添加無線技術時可讓業者花費更少的時間。

選擇藍牙模組的好處包括：整合的天線選件，可大幅減少對RF專業知識的需求；預認證，可避免冗長而昂貴的RF認證工作；即用型效益，可滿足大多數的需求。
預編程模組迎來效益
使用模組添加藍牙連接需要開發者對藍牙協定有一定程度的瞭解，同時還需要理解如何使用供應商的藍牙堆疊和相關API。在許多支援藍牙的應用中，開發人員還必須創建一個嵌入式主機與藍牙連接的協處理器(NCP)介面；主機至NCP的通訊連結通常對NCP而言是低階控制，而嵌入式主機必須投入大量的晶片上資源來維護緩衝區，同時監視NCP藍牙連結的狀態。為了滿足這些要求，工程師可能會傾向於選擇一種超出規格的嵌入式主機，其成本要比應用端的實際需求更高。超出規格的MCU也會消耗更多的電能。

然而，評估正確的解決方案也面臨自身的挑戰，因為開發人員必須探索所有可能的用例，並評估每個用例如何影響功能；同時還必須盡可能進行多種情境測試，以檢查各應用功能是否如預期運行，並對出現的錯誤進行故障排除或修復，這也會涉及對主機和NCP間的開發環境進行繁複的調試除錯。

幸運的是，藍牙設計可以經由選擇預先認證的模組，以及利用藍牙韌體進行預編程來進一步簡化，以提供開箱即用的連線性。預編程模組的好處包括：取得藍牙協定棧和預編程的嵌入式應用韌體，毋需進行韌體開發；獲得生產級測試的基礎架構，協助模組供應商處理堆疊和韌體；內建支援韌體更新和引導載入，可針對安全更新、除錯修正和增強穩健性進行預先驗證。

建立嵌入式系統和行動電話間連接

如前所述，使用藍牙的優勢包括取得各種潛在使用者介面的設計資源，尤其是使用平板電腦或其他形式的行動裝置作為控制器所帶來的便利性。但是，行動應用程式開發是一項專門的領域，因此，製造商需要從事外部開發服務時，它通常是產品設計的一個要素。知道如何在iOS和Android平台上正確編寫低階藍牙API應用介面程式碼的開發人員相對很少，而提供這種專業技能服務會非常昂貴。開發商可能還需要為每個平台個別聘請專家，這不僅增加前期成本，也造成因設立專案的耗時而產生的困難度。

利用模組供應商提供現成的無線介面庫來開發行動應用程式，可以大幅降低進入行動應用程式開發的門檻，而專為預編程模組介面選定而設計的行動程式庫可提供：橫跨多個行動作業系統的核心藍牙API抽象介面、專用API可優化嵌入式模組介面的控制，以及經由雲端到模組路由為韌體進行更新。

有業者如芯科科技(Silicon Labs)的Bluetooth Xpress結合了這些開發功能，將嵌入式系統連接手機；該產品結合了韌體、硬體和行動開發優化功能所提供的Bluetooth Low Energy 5模組，可以將應用程式從概念到原型的作業時間縮短至一天；同時該產品包括用於行動應用程式開發的Xpress框架，使其大幅縮短行動應用程式添加藍牙連接功能時所需的開發時間。

至於該模組的主要功能包括：開箱即用、預程式設計、預認證的藍牙解決方案，可支援藍牙5功能，包括2M和遠程PHY；藉由高階Gecko OS Xpress Command API控制的板載無線堆疊，執行設定和控制；串列傳輸速率，流量控制，GPIO和藍牙性能等參數均可針對特定應用程式的要求進行設定；I2C主介面可實現藍牙低功耗無線到I2C的通訊；輸入針腳監控，用於自動化數位邏輯轉換的回饋反應；只需要主機處理器的少量資源，使開發人員能夠對任何MCU增添無線連接；可從PCB和SiP模組中取得；一站式的設計支援；支援安全性和韌體更新。

而該模組在三個用例中的功能，以BGX13到智慧手機來說，在此用例下，BGX充當周邊設備，可以透過智慧型手機發現並連接；在BGX13到BGX13的用例中，一個BGX充當可發現、可連接的周邊裝置，另一個BGX充當掃描和連接的控制項。BGX13連接後可執行串流模式，亦即在無費用的資料串流下，可在兩點之間傳輸數位資料；也可執行命令模式，亦即Bluetooth Xpress命令可在遠端執行。另一方面，沒有嵌入式主機的BGX用例則是用例1和2的變體。在這種情況下，板載Bluetooth Xpress功能，例如輸入針腳監視、事件通知和藍牙至I2C橋接器，可提供足以處理嵌入式主機處理器的所有工作職責(圖1)。

在這些定義的用例中，來自BGX的流量控制訊號會顯示緩衝區狀態，並可用於顯示嵌入式主機是否可以傳輸資料。

模組實際設定和通訊

運行時藉由可設定的指令介面，系統能控制Bluetooth Xpress的預編程功能，並利用原始設定保存到非揮發性記憶體中。該介面可以透過串列介面針腳取得，也可以經由藍牙介面透過Over-the-air方式執行，並可作為高階網路輔助處理器。

在大多數作業模式下，該模組可作為零費用的Bluetooth到串列的資料流，如其可向嵌入式主機發送訊號，經由更改埠針腳的狀態建立連線；在連接點，串列介面的RX和TX針腳充當雙向資料介面，其功能與有線串列連結相同，資料可以從主機寫入模組的RX針腳，然後由模組透過BLE連結並逐一傳輸每個位元組資料。在BLE連結的另一面，如果不是由智慧手機接收資料並傳遞緩衝區給行動應用程式，就會由另一個Bluetooth Xpress模組接收資料，該接收模組藉由TX針腳發送資料，傳給遠端的嵌入式主機接收。

藍牙在工業自動化HMI應用

許多工業自動化裝置將串列協定用於本地設定和診斷埠。該技術眾所周知，並獲得廣泛的支援。儘管許多實體序列埠已成為現代筆記型電腦中少有的裝置，但虛擬COM埠驅動程式允許使用USB代替。現在，這種傳統架構已成為基於藍牙人機介面替代品的沃土。

圖2概述了傳統工業自動化裝置，該裝置使用串列介面支援本地組態設定和診斷埠。電纜介面帶來挑戰，也增加產品成本，不但降低便利性，也對整體用戶體驗帶來負面影響。為了確保使用者安全，其他工業自動化設備電路須與電纜介面進行電氣隔離。另外，電纜介面需要一個IC提供RS-232驅動器和實際的實體串列埠。這些和所需的被動元件，加上設備的材料清單，需要的PCB空間會因而增加。

電纜介面也會造成實體應用上的挑戰。如果將設備安裝在難以觸及的位置，也許無法將電纜連線到設備，這意謂著該設備僅能夠發揮部分潛在功能和優勢。 如圖3案例所示，該案例說明同樣的工業裝置利用BGX13 Bluetooth Xpress模組，設計用來簡化電纜的替代；CPU應用程式可繼續使用現有的UART介面，因為該模組藉由Bluetooth連結可支援傳輸串列資料；由於設計人員毋需具備任何藍牙的先行知識，因此可大幅減少整合藍牙所需的時間和風險；所有智慧都內建在運行模組的堆疊和應用韌體中。此外，該模組也支援SPI介面，更適合相關應用。而模組具有不同的外形尺寸，最小的系統級封裝型號僅為6×6毫米，非常適合應用於受限的空間中。由於模組還包括天線，設計人員將模組置入電路板時將擁有更大的彈性。

重點是，藍牙用於人機介面不會替代或影響現場匯流排通訊的使用，保持了與上一代裝置的相容性，這是許多工業自動化裝置客戶所重視的。

去除電氣隔離，串列介面驅動器和實體連接器可以簡化材料清單，與電纜介面相關的產品成本可降低多達48%。移除實體連接器還消除了讓連接器容易使用而需要打開外殼的要求。如果連接器額外需要針對灰塵或濕氣等環境條件的保護，更可大幅節省成本，因為使用藍牙的解決方案不再需要這些保護裝置。此架構允許使用者從單一位置無線連接多個裝置，毋需實體連上裝置，可以提高功能的安全性。如此可以更靈活地修改裝置配置，並下載儲存在裝置中的診斷資料以進行分析和故障排除。在預設情況下，藍牙包括資料加密和散列，可增加另一層保護來抵禦網路威脅。

如上所述，行動應用框架結合模組大幅簡化了Bluetooth的整合。藉由存取API萃取低階藍牙的功能性，設備製造商可以獲得更快的上市時間，因為寶貴的開發工作應花在添加功能上，而不是用在學習Android或iOS上的藍牙特性。行動應用還支援雲端連接，可用於提供基於雲端的新產品。

在本質上，藍牙與硬體無關。越來越多的裝置現在可支援藍牙連接，這意謂著它是基層功能與高層控制和監視功能之間的有效抽象層。藍牙對於工業環境具有許多優點，作為電纜替換技術，它已經成為在HMI應用設計中的可靠解決方案，如本文提及的模組添加藍牙連接，可節省大量且可衡量的費用、消除實體電纜介面所需的昂貴元件，並大幅降低成本。利用行動應用產品可以提供更多友好的使用者介面，並且可以將應用程式連接到雲端來擴展功能。由於該產品系列具備現成的API，因此容易將連結和行動應用層整合於電路板上，其為取代現行串列通訊電纜介面的解決方案；而使用預認證的模組可縮短產品上市時間，使裝置製造商毋需擔心認證過程耗時。

(本文作者皆任職於芯科科技)