運營現代化的工廠和加工車間，在技術上都非常複雜。為(wei) 實現對機械設備和生產(chan) 過程的精確控製，生產(chan) 企業(ye) 需要采用最新係列的傳(chuan) 感器、致動器以及伺服係統。作為(wei) 添加技術以獲得精確控製功能優(you) 勢的範例，各個(ge) 聯網與(yu) 自動化層現已通過連接至IT網絡的控製網絡添加到工廠生產(chan) 車間，它們(men) 可提供商業(ye) 信息與(yu) 策略，這些信息和策略轉而推動生產(chan) 決(jue) 策的製定。

這種網絡化的集中工業(ye) 控製模式使得技術人員與(yu) 工業(ye) 控製工程師能夠訪問豐(feng) 富的數據，以便對工廠運營過程進行觀察、微調和優(you) 化。工廠廠長與(yu) 企業(ye) 高管隻需瀏覽一下儀(yi) 表盤便能全麵了解整個(ge) 工廠的工作效率。

在過去，處理過程都是采用手動控製，工廠的每個(ge) 環節也都是獨立運作的。通過訪問描述工廠實際運營狀態的實時數據，管理人員能夠更好地了解工廠的日常運行情況，並根據實時負載來調整商業(ye) 策略。

從(cong) 孤立節點到全麵聯網設施已經曆了若幹年的逐漸轉變。這種轉變大多是特定性或無計劃的，當前工業(ye) 控製設計的各個(ge) 方麵仍將重點緊密地放在其自身總線、網絡以及控製器的特殊分類上，因此產(chan) 生了分離的工業(ye) 控製係統設計。

盡管現在已經有了從(cong) 上到下統一的聯網工業(ye) 控製模式，但如果以從(cong) 下往上的角度去看，也就是從(cong) 每個(ge) 部分的中央處理單元來看，就顯得非常零散了。迄今為(wei) 止，可高效運行在控製底層所有層麵上的單個(ge) IC處理器架構根本是不存在的。

處理器技術的最新發展為(wei) 設計人員在統一的工業(ye) 控製模型下實現創新帶來了良機。通過在控製的各個(ge) 層麵對性能、功能及通信要求作仔細分析，利用統一的標準處理器內(nei) 核架構，設計人員不但能夠以極具競爭(zheng) 力的價(jia) 格獲得最優(you) 解決(jue) 方案，而且還可以通過軟件複用來降低軟件的開發成本，並大幅縮短設計周期。

控製層次

典型的工業(ye) 控製係統可被描述成一個(ge) 4層的分層結構：傳(chuan) 感器和致動器，用來監控工業(ye) 過程、報告狀態信息以及在需要時用來改變狀態；電動機以及諸如電感加熱器之類的其它係統，用來實現生產(chan) 過程或運作狀態的改變；對傳(chuan) 感器節點傳(chuan) 送的信息進行分析並向驅動係統發出指令以實現所需改變的各種控製，包括用來連接設備的可編程邏輯控製器(PLC)網絡與(yu) 可編程自動化控製器(PAC)網絡；人機界麵(HMI)模塊和顯示屏，為(wei) 工程技術人員提供算法處理過的可視工廠狀況。

直到今天，還沒有一種軟件兼容的處理器架構能夠以高性價(jia) 比來滿足工業(ye) 控製所有4層的需求。設計人員可通過采用一個(ge) 公共的處理器架構來減少必須購買(mai) 的軟件開發工具的數量，提高可複用代碼總量，並在熟悉的開發環境下進行專(zhuan) 項開發。

ARM架構是一種免費授權的開放式架構，因此沒有使用權限的問題。作為(wei) 一種開放式架構的優(you) 勢使ARM架構成為(wei) 了一個(ge) 事實標準，為(wei) 開發穩健、多樣化的、全球第三方軟硬件生態係統奠定了基礎。

作為(wei) 嵌入式處理領域的領先者，ARM公司提供了能夠滿足工業(ye) 控製各層性能要求的多種處理器內(nei) 核。內(nei) 核的革命性發展促進了軟件的兼容性與(yu) 架構的連續性。從(cong) Cortex-M3內(nei) 核到Cortex-A8處理器的升級具有完全的軟件兼容性，因而能更輕鬆地開發具有通信功能的控製係統，這些通信功能僅(jin) 需一次開發和測試就可運行在多種性能下。需要注意的是，一些ARM內(nei) 核已集成了支持確定性行為(wei) 與(yu) 多任務處理等工業(ye) 控製功能的硬件。

雖然內(nei) 核提供了一個(ge) 不錯的起點，但整合了ARM架構內(nei) 核的微控製器(MCU)與(yu) 微處理器(MPU)還必須提供集成外設和存儲(chu) 器選項的適當組合。隨著工業(ye) 控製範疇中的應用不斷增加，這種要求轉變成為(wei) 一種對大型產(chan) 品係列的需求，包括各種價(jia) 格、性能以及功能的解決(jue) 方案。

最後，可簡化開發過程並使代碼複用最大化的專(zhuan) 業(ye) 級軟件開發工具對幫助設計人員實現采用統一架構模型的控製係統具有十分重要的意義(yi) 。

用來說明ARM內(nei) 核的靈活性與(yu) 應用範圍，以及確定麵向分立控製功能的MCU與(yu) MPU外設正確組合的最佳方法，就是分析圖1所示的控製層次各層的要求。
 

圖1：自動化工廠具有4個(ge) 基本的生產(chan) 過程控製層

人機界麵(HMI)

從(cong) 處理角度來看，對位於(yu) 控製層次頂層的HMI要求是最高的。

具備觸摸屏按鈕、滑動條以及基本2D圖形的基本用戶界麵可由MCU(例如基於(yu) ARM Cortex-M3的MCU)來處理。除此之外，還需要有高級操作係統，並且用戶界麵解決(jue) 方案要從(cong) MCU轉變成MPU。

在自動化設備中，通過遠程控製站工作的操作人員需要盡可能多地監控和觀察工廠車間情況。要實現全麵的觀測，就需要3D圖形和視頻等全新的圖形功能。例如，讓操作人員觀察分布式工業(ye) 控製係統的方法之一，就是通過點擊顯示器上特定機械或部位的標簽來進行訪問。

高級HMI不但能夠顯示算法處理的數據、2D與(yu) 3D圖形以及由工廠車間監控攝像機傳(chuan) 送的視頻，而且還可在窗口中顯示重要流程或生產(chan) 指標。縮放、渲染以及窗口顯示是高級HMI的普通功能。觸摸屏、小鍵盤以及語音均是可選的輸入類型，而所有這一切都需要MPU的接口或外設支持。

與(yu) 生產(chan) 車間操作進行高級交互非常重要，其中包括監控攝像機的轉換視圖、需求的請求報告，以及發出改變流程或裝配線的命令。控製台可輕鬆接收和處理來自基本控製網絡層的數百個(ge) 設備的數據。

從(cong) 處理器角度來看，在這種高級層麵上的互動需要處理器具有內(nei) 置視頻圖形功能、豐(feng) 富的I/O選項以及超強的處理能力。同樣，在選擇合適的處理器時，需重點考慮是否提供適當的外設與(yu) 軟件庫。

具備所有上述條件的處理器寥寥無幾，它們(men) 都基於(yu) ARM Cortex-A8架構。在本文的後麵將介紹這些處理器的特定外設、接口以及性能參數。

圖2：基於(yu) Cortex-A8的Sitara AM35x係列MPU模塊圖

控製層

工廠控製層一般由許多工作在控製層的PLC組成。PLC收集傳(chuan) 感器數據，並做出是否改變生產(chan) 過程狀態和是否控製繼電器與(yu) 馬達以及工廠中其它機械設備狀態的決(jue) 定。它們(men) 可監控並管理分為(wei) 數百個(ge) 節點運作的大型I/O網絡。

PLC通常要求確定性行為(wei) ，也就是說，每次I/O行為(wei) 發生所用的時間(或處理器周期)都完全相同，每次都如此。在對實時確定性行為(wei) 要求不太嚴(yan) 格的環境中，一些PLC可利用實時操作係統(RTOS)來減輕基於(yu) 任務的編程，同時確保係統能夠在特定時間周期內(nei) 做出響應。

ARM Cortex-M3內(nei) 核的差異化特性之一就是其硬件支持確定性行為(wei) 。ARM Cortex-M3內(nei) 核可直接從(cong) 片上閃存中獲取指令和數據，無需從(cong) 高速緩存中獲取。這使硬件能夠在出現異常時保存CPU狀態。處理器在接收到外部中斷後將控製權轉交給中斷處理程序隻需12個(ge) 周期，而背對背中斷(即尾鏈)將控製權轉交中斷處理程序隻需6個(ge) 周期。

從(cong) 設計角度來看，Cortex-M3內(nei) 核的內(nei) 置確定機製使得采用單個(ge) MCU取代馬達控製的雙芯片解決(jue) 方案成為(wei) 可能。過去，需要數字信號處理器(DSP)來控製與(yu) 結點相關(guan) 的馬達，同時還需要MCU來處理與(yu) 係統其它部分的連接。基於(yu) Cortex-M3的MCU具有實現上述兩(liang) 種功能的能力。#p#分頁標題#e#

確定性性能的硬件支持能夠與(yu) 為(wei) 支持確定性而設計的網絡協議實現最佳協作。具有高時間精確度的IEEE1588精確時間協議(PTP)可提供這種特性並具有多點傳(chuan) 送功能。從(cong) 自動化設計的角度看，這就意味著為(wei) IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太網是非常重要的外設。在一些更高端可編程自動化控製器(PAC)實例中，千兆位以太網的需求也隨數據傳(chuan) 輸量的提升不斷增加。

工廠自動化係統中另一種普遍使用的通信方法是可實現分布式與(yu) 冗餘(yu) 係統設計的控製器局域網(CAN)協議。

無線網絡現已成為(wei) PLC、傳(chuan) 感器以及其它節點級設備聯網的趨勢。WLAN(無線以太網)常被用於(yu) PLC與(yu) PAC之間的通信。

德州儀(yi) 器(TI)Sitara係列ARM微處理器在芯片上集成了麵向WLAN的以太網MAC、CAN以及SDIO，並擁有支持網絡協議的必要性能。

在傳(chuan) 感器層麵上，ZigBee協議正在獲得認可。基於(yu) IEEE802.15.4無線電規範的ZigBee采用網狀網絡技術創建穩健的自配置網絡，它是工業(ye) 應用的理想選擇。

基於(yu) Cortex M3的MCU具有執行ZigBee協議以及除無線電之外所有相關(guan) 任務所需的性能。此外，Cortex M3還通過支持auto-MDIX處理10/100 Base T以太網通信(全雙工及半雙工)。

TI基於(yu) ARM Cortex-M3的Stellaris係列MCU具有片上集成以太網PHY與(yu) MAC的更多顯著優(you) 勢，不但比雙芯片解決(jue) 方案節省成本，而且還可節省電路板空間。對於(yu) 要求性能高於(yu) 10/100以太網的設計而言，設計人員應該選擇基於(yu) Cortex-A8的MPU，如TI Sitara係列。

Cortex-M3內(nei) 核針對片上閃存及SRAM的單周期訪問進行了優(you) 化，可實現設計人員之前在MCU中一直不能達到的高性能。由於(yu) 50MHz Stellaris Cortex-M3 MCU具備單周期閃存與(yu) 單周期SRAM，因此相比運行在100MHz下的其它MCU，設計人員采用運行在50MHz下的Stellaris MCU能獲得更多的原始性能。

設計問題

處理器內(nei) 核選擇的一個(ge) 重要判定點就是看它能否提供加速產(chan) 品上市的軟件，其中包括操作係統、庫以及通信協議棧。

圖形需求通常是選擇操作係統的主導因素。控製應用不但需要2D或3D圖形、視頻流以及更高的顯示分辨率，通常還需要功能齊全的RTOS、Embedded Linux或Windows Embedded CE操作係統，並將通過功能強大的處理器在家庭中得到應用，這些基於(yu) ARM9或Cortex-A8核(如Sitara ARM MPU中采用的)的處理器包含完整的存儲(chu) 器管理單元(MMU)。

可處理文本文件、2D基本圖元以及QVGA JPEG圖像的智能顯示模塊通常處於(yu) Cortex-M3 MCU的上限。Cortex-M3內(nei) 核具有存儲(chu) 器保護單元(MPU)，有助於(yu) 小型RTOS與(yu) 輕量級linux內(nei) 核(如RoweBots的Unisom內(nei) 核)的高效使用。

ARM 架構的優(you) 勢之一就是前文提到的強大生態係統。這可帶來數目眾(zhong) 多的第三方認證通信協議棧，其中包括工廠自動化環境所需的專(zhuan) 用工業(ye) 通信協議棧。TI Stellaris MCU可通過提供StellarisWare軟件加速產(chan) 品上市進程，該軟件提供了各種外設驅動程序庫、圖形庫、USB庫(用於(yu) 支持USB Device、USB Host和USB OTG)、啟動加載程序支持以及可在工業(ye) 應用中實現設備診斷的IEC 60730自檢庫。

Sitara MPU支持開發硬件、驅動器以及針對開源Linux與(yu) Windows Embedded CE6的電路板支持套件，並具有諸如Neutrino、Integrity以及VxWorks等RTOS的第三方支持，因而具有加速產(chan) 品上市的優(you) 勢。

功耗

功耗現已成為(wei) 所有應用的一個(ge) 重要特征，其中包括電力線供電的應用。不過便攜式設計主要關(guan) 注處理器功耗，工業(ye) 係統設計人員則將精力集中在盡可能保持低的效用成本。而且更低的功耗還具有積極的環保效應。

馬達在生產(chan) 車間和加工廠中普遍存在，通常會(hui) 消耗工廠大量的電能。讓人有些驚奇的是，MCU內(nei) 核的確定性性能可在電源效率方麵發揮重要的作用。比如在Cortex-M3中，MCU中斷服務響應效率提升60%時，係統級功耗將降低。中斷服務速度提高60%意味著MCU可將馬達的停止與(yu) 啟動速度提高60%，而且節約的電能可在一年中累加。此外，Cortex-M3內(nei) 核的高性能可用於(yu) 實現智能數字換流，從(cong) 而可以選擇更小的馬達投入使用，還可以選擇更高效率的馬達或者對馬達性能進行改進(例如AC感應馬達由空間矢量調製驅動，而不是由簡單的正弦算法來驅動)，所有這些均可降低所需的係統電能。Stellaris MCU包含帶有死區定時器的專(zhuan) 用馬達控製PWM以及針對閉環控製的QEI，可幫助設計人員利用Cortex-M3內(nei) 核的計算能力提高效率，降低功耗。

另一個(ge) 功耗問題是設計全麵封閉的工廠自動化係統以預防車間環境下普遍存在的灰塵和其它汙染物的趨勢。如果對處理器及相關(guan) 電子設備進行製冷需要采用一個(ge) 以上散熱片，設計人員就必須考慮采用通風口和風扇，為(wei) 不使最初的全密閉係統目標落空，必須安裝昂貴的強製通風清潔係統。

Sitara係列MPU可通過適應性軟硬件技術滿足更低功耗的需求，該產(chan) 品可通過IC操作動態控製電壓、頻率以及功耗。

外設與(yu) I/O

基於(yu) 標準ARM架構的處理器內(nei) 核價(jia) 值在於(yu) 其具有眾(zhong) 多的優(you) 勢。因為(wei) 係統級設計都建立在MPU與(yu) MCU基礎之上，所以IC製造商在圍繞內(nei) 核的片上係統中提供的功能也同等重要。存儲(chu) 器選項是一個(ge) 重要因素，由於(yu) 片上外設提供其餘(yu) 的產(chan) 品差異化，因此外設與(yu) IO接口的類型和數量也是非常重要的因素。

上麵討論了兩(liang) 個(ge) 重要的通信塊，CAN控製器和支持1588協議的以太網MAC與(yu) PHY。下麵列出了各種IO選項，其中許多選項都具有巨大的市場需求，因為(wei) 它們(men) 可實現廣泛的數據傳(chuan) 送應用。

I2C：用來連接低速外設的多主控串行計算機總線。

UART/USART：高級高速通用通信外設。

SPI：運行在全雙工模式下的廣泛使用的同步串行數據鏈路。

內(nei) 部集成聲控(I2S)：可將低失真信號驅動到外部IC以實現音頻應用。

外部外設接口(EPI)：具有各種模式的可配置存儲(chu) 器接口，可支持SDRAM、SRAM/閃存、傳(chuan) 統的主機總線x8及x16外設，以及150MB/秒的快速機器對機器(M2M)並行傳(chuan) 輸接口。

通用串行總線(USB)：用於(yu) 點對點或多點應用的USB接口，通常包括支持機器配置外部存儲(chu) 或USB OTG的USB主機。

在工業(ye) 應用中，超高速通用I/O(GPIO)、脈寬調製(PWM)、正交編碼輸入以及模數轉換器(ADC)通道等功能對於(yu) 馬達控製及其它機械和加工設備都非常重要。

圖3是一個(ge) 高端MCU的結構圖，主要說明了片上所能集成這些功能的數量。

圖3：基於(yu) Cortex-M3的Stellaris 9000係列MCU提供了豐(feng) 富的外設集合

大多數IC廠商均可提供上述所有片上功能。在一些實例中，可通過更穩健的實施來實現產(chan) 品差異化。Stellaris係列器件上集成的以太網MAC與(yu) PHY和支持IEEE 1588是該產(chan) 品差異化的良好範例。

另一個(ge) 例子就是TI Sitara係列ARM9 MPU上提供的可編程實時單元(PRU)。PRU是一款具有有限指令集的小型處理器，可通過配置為(wei) 片上不具備的實時功能提供特定資源。

在工業(ye) 控製應用中，PRU通常針對IO進行配置。這可能是一種該產(chan) 品線任何MPU都不具備的定製接口或IO塊。與(yu) 添加外部芯片執行相同功能相比，使用PRU可幫助節省係統內(nei) 成本。例如，工業(ye) 設計人員可利用PRU實現UART或工業(ye) 現場總線(如Profibus)等附加的標準接口。PRU的全麵可編程性甚至可幫助設計人員添加其贏得的客戶專(zhuan) 有接口。#p#分頁標題#e#

由於(yu) PRU可編程，因此它可在不同的執行環境中替代不同類型的IO以降低功耗並提升係統性能。例如，PRU可處理專(zhuan) 用定製數據處理，通過關(guan) 斷ARM時鍾減輕ARM9處理器負載。

本文小結

當越來越多的半導體(ti) 供應商紛紛采用ARM架構MCU與(yu) MPU時，工業(ye) 控製設備設計人員將能夠獲得更廣泛的IC選擇。產(chan) 品差異化將由矽片(均衡的存儲(chu) 器係統，快速I/O及外設以及可加速產(chan) 品上市的通信集成)的智能應用以及良好的軟件開發工具、庫以及工業(ye) 協議棧的提供情況來確定。因此僅(jin) 僅(jin) 擁有大量的MCU或MPU清單仍遠遠不夠。擁有生產(chan) 就緒型工具及開源軟件的詳細清單(如驅動器或基元及小控件的圖形庫等)為(wei) 設計人員的設計提供快速啟動，才會(hui) 占有更多的市場先機