用ARM架構(gòu)處理器優(yōu)化工業(yè)控制

運(yùn)營(yíng)現(xiàn)代化的工廠和加工車間，在技術(shù)上都非常復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的精確控制，生產(chǎn)企業(yè)需要采用最新系列的傳感器、致動(dòng)器以及伺服系統(tǒng)。作為添加技術(shù)以獲得精確控制功能優(yōu)勢(shì)的范例，各個(gè)聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)化層現(xiàn)已通過連接至IT網(wǎng)絡(luò)的控制網(wǎng)絡(luò)添加到工廠生產(chǎn)車間，它們可提供商業(yè)信息與策略，這些信息和策略轉(zhuǎn)而推動(dòng)生產(chǎn)決策的制定。

這種網(wǎng)絡(luò)化的集中工業(yè)控制模式使得技術(shù)人員與工業(yè)控制工程師能夠訪問豐富的數(shù)據(jù)，以便對(duì)工廠運(yùn)營(yíng)過程進(jìn)行觀察、微調(diào)和優(yōu)化。工廠廠長(zhǎng)與企業(yè)高管只需瀏覽一下儀表盤便能全面了解整個(gè)工廠的工作效率。

在過去，處理過程都是采用手動(dòng)控制，工廠的每個(gè)環(huán)節(jié)也都是獨(dú)立運(yùn)作的。通過訪問描述工廠實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，管理人員能夠更好地了解工廠的日常運(yùn)行情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載來調(diào)整商業(yè)策略。

從孤立節(jié)點(diǎn)到全面聯(lián)網(wǎng)設(shè)施已經(jīng)歷了若干年的逐漸轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變大多是特定性或無(wú)計(jì)劃的，當(dāng)前工業(yè)控制設(shè)計(jì)的各個(gè)方面仍將重點(diǎn)緊密地放在其自身總線、網(wǎng)絡(luò)以及控制器的特殊分類上，因此產(chǎn)生了分離的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了從上到下統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制模式，但如果以從下往上的角度去看，也就是從每個(gè)部分的中央處理單元來看，就顯得非常零散了。迄今為止，可高效運(yùn)行在控制底層所有層面上的單個(gè)IC處理器架構(gòu)根本是不存在的。

處理器技術(shù)的最新發(fā)展為設(shè)計(jì)人員在統(tǒng)一的工業(yè)控制模型下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新帶來了良機(jī)。通過在控制的各個(gè)層面對(duì)性能、功能及通信要求作仔細(xì)分析，利用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)處理器內(nèi)核架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員不但能夠以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格獲得最優(yōu)解決方案，而且還可以通過軟件復(fù)用來降低軟件的開發(fā)成本，并大幅縮短設(shè)計(jì)周期。

控制層次

典型的工業(yè)控制系統(tǒng)可被描述成一個(gè)4層的分層結(jié)構(gòu)：傳感器和致動(dòng)器，用來監(jiān)控工業(yè)過程、報(bào)告狀態(tài)信息以及在需要時(shí)用來改變狀態(tài)；電動(dòng)機(jī)以及諸如電感加熱器之類的其它系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程或運(yùn)作狀態(tài)的改變；對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的信息進(jìn)行分析并向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令以實(shí)現(xiàn)所需改變的各種控制，包括用來連接設(shè)備的可編程邏輯控制器（PLC）網(wǎng)絡(luò)與可編程自動(dòng)化控制器（PAC）網(wǎng)絡(luò)；人機(jī)界面（HMI）模塊和顯示屏，為工程技術(shù)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(gòu)能夠以高性價(jià)比來滿足工業(yè)控制所有4層的需求。設(shè)計(jì)人員可通過采用一個(gè)公共的處理器架構(gòu)來減少必須購(gòu)買的軟件開發(fā)工具的數(shù)量，提高可復(fù)用代碼總量，并在熟悉的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行專項(xiàng)開發(fā)。

ARM架構(gòu)是一種免費(fèi)授權(quán)的開放式架構(gòu)，因此沒有使用權(quán)限的問題。作為一種開放式架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)使ARM架構(gòu)成為了一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，為開發(fā)穩(wěn)健、多樣化的、全球第三方軟硬件生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

作為嵌入式處理領(lǐng)域的領(lǐng)先者，ARM公司提供了能夠滿足工業(yè)控制各層性能要求的多種處理器內(nèi)核。內(nèi)核的革命性發(fā)展促進(jìn)了軟件的兼容性與架構(gòu)的連續(xù)性。從Cortex-M3內(nèi)核到Cortex-A8處理器的升級(jí)具有完全的軟件兼容性，因而能更輕松地開發(fā)具有通信功能的控制系統(tǒng)，這些通信功能僅需一次開發(fā)和測(cè)試就可運(yùn)行在多種性能下。需要注意的是，一些ARM內(nèi)核已集成了支持確定性行為與多任務(wù)處理等工業(yè)控制功能的硬件。

雖然內(nèi)核提供了一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)，但整合了ARM架構(gòu)內(nèi)核的微控制器（MCU）與微處理器（MPU）還必須提供集成外設(shè)和存儲(chǔ)器選項(xiàng)的適當(dāng)組合。隨著工業(yè)控制范疇中的應(yīng)用不斷增加，這種要求轉(zhuǎn)變成為一種對(duì)大型產(chǎn)品系列的需求，包括各種價(jià)格、性能以及功能的解決方案。

最后，可簡(jiǎn)化開發(fā)過程并使代碼復(fù)用最大化的專業(yè)級(jí)軟件開發(fā)工具對(duì)幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)采用統(tǒng)一架構(gòu)模型的控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。

用來說明ARM內(nèi)核的靈活性與應(yīng)用范圍，以及確定面向分立控制功能的MCU與MPU外設(shè)正確組合的最佳方法，就是分析圖1所示的控制層次各層的要求。

圖1：自動(dòng)化工廠具有4個(gè)基本的生產(chǎn)過程控制層

人機(jī)界面（HMI）

從處理角度來看，對(duì)位于控制層次頂層的HMI要求是最高的。

具備觸摸屏按鈕、滑動(dòng)條以及基本2D圖形的基本用戶界面可由MCU（例如基于ARM Cortex-M3的MCU）來處理。除此之外，還需要有高級(jí)操作系統(tǒng)，并且用戶界面解決方案要從MCU轉(zhuǎn)變成MPU。

在自動(dòng)化設(shè)備中，通過遠(yuǎn)程控制站工作的操作人員需要盡可能多地監(jiān)控和觀察工廠車間情況。要實(shí)現(xiàn)全面的觀測(cè)，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(yè)控制系統(tǒng)的方法之一，就是通過點(diǎn)擊顯示器上特定機(jī)械或部位的標(biāo)簽來進(jìn)行訪問。

高級(jí)HMI不但能夠顯示算法處理的數(shù)據(jù)、2D與3D圖形以及由工廠車間監(jiān)控?cái)z像機(jī)傳送的視頻，而且還可在窗口中顯示重要流程或生產(chǎn)指標(biāo)?？s放、渲染以及窗口顯示是高級(jí)HMI的普通功能。觸摸屏、小鍵盤以及語(yǔ)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(shè)支持。

與生產(chǎn)車間操作進(jìn)行高級(jí)交互非常重要，其中包括監(jiān)控?cái)z像機(jī)的轉(zhuǎn)換視圖、需求的請(qǐng)求報(bào)告，以及發(fā)出改變流程或裝配線的命令?？刂婆_(tái)可輕松接收和處理來自基本控制網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)百個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)。