高效能與低功耗雙軌并進 工業(yè)MCU注入智能工廠新動能

要實現(xiàn)真正的智能工廠，必須從全面性的系統(tǒng)化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動化來著手，藉由智能設(shè)備的數(shù)據(jù)收集、分析、決策，再結(jié)合ERP、MES系統(tǒng)整合大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，而其中工業(yè)MCU是實現(xiàn)智能工廠的重要關(guān)鍵。
物聯(lián)網(wǎng)時代，科技日新月異，由德國最早提出的工業(yè)4.0，以全面聯(lián)網(wǎng)、智能制造為目標(biāo)，著重于設(shè)備互聯(lián)性、自動化、機器學(xué)習(xí)及實時數(shù)據(jù)等多方面。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涵蓋整個工業(yè)領(lǐng)域，早已深入我們的生活中。
當(dāng)您穿上知名品牌的跑鞋，在官網(wǎng)上選擇個人喜愛的材質(zhì)、圖樣和顏色，一雙個人專屬的客制跑鞋直送到家，客制化商品不再是難事，而這些跑鞋的制造過程皆是由機器人生產(chǎn)制造。

工廠自動化帶來提升生產(chǎn)效率，質(zhì)量穩(wěn)定，并有效解決有限人力的困境。從產(chǎn)線自動化到智能倉儲系統(tǒng)，生產(chǎn)過程中使用機器人、機械手臂助力，驅(qū)動科技快速發(fā)展，然而要實現(xiàn)真正的智能工廠，卻不僅僅是導(dǎo)入機器人即可達成「關(guān)燈工廠」的夢想，必須從全面性的系統(tǒng)化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動化來著手，藉由智能設(shè)備的數(shù)據(jù)收集、分析、決策，再結(jié)合ERP、MES系統(tǒng)整合大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，以可視化方式具體呈現(xiàn)，使管理者能夠隨時掌握工廠狀態(tài)、調(diào)整，落地實現(xiàn)智能制造，加速推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展（圖1）。


 
圖1 : 傳統(tǒng)工廠實現(xiàn)智能工廠發(fā)展

在過去，傳統(tǒng)工廠的生產(chǎn)狀態(tài)，根據(jù)前線員工分散地記錄生產(chǎn)狀況，并且耗時整理報告、等待管理者決策，或許還有人工記錄失誤的可能性，帶給管理者錯誤信息，而管理者憑借過去經(jīng)驗和假設(shè)做出決策判斷，可能會衍伸出更多的問題發(fā)生，同時也耽誤排除異常狀況的最佳時機。

要實現(xiàn)傳統(tǒng)工廠自動化，在原有的生產(chǎn)設(shè)備上將驅(qū)動設(shè)備和傳感器串連，透過傳感器采集數(shù)據(jù)，傳送至可視化設(shè)備進行數(shù)據(jù)分析，讓第一線管理人員可快速排除機臺異常狀態(tài)，再透過通訊設(shè)備將這些數(shù)據(jù)傳輸至管理中心，提供給決策者隨時查看工廠狀態(tài)，最后回傳到云端管理，形成一個完整的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)。

而工業(yè)MCU可以輕易實現(xiàn)上述功效，利用MCU的高運算、體積小、低成本特性，執(zhí)行硬設(shè)備的通訊、邊緣運算、實時反應(yīng)和馬達控制等功能，在現(xiàn)有的設(shè)備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，加速推動傳統(tǒng)工廠轉(zhuǎn)型。

過去工廠經(jīng)常采用8-bit MCU設(shè)計機臺設(shè)備，然而隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，對系統(tǒng)處理的要求上與日俱增，追求更高速的通訊網(wǎng)絡(luò)、快速的分布式計算能力及邊緣運算分析，新興技術(shù)創(chuàng)新，傳統(tǒng)8-bit MCU顯然已無法滿足制造商的需求，因此采用32-bit MCU達到更好的性能要求（圖2）。

 
圖2 : AT32 MCU導(dǎo)入IIoT設(shè)備應(yīng)用

Arm處理器作為高整合、低成本MCU的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常用于工業(yè)及車載應(yīng)用領(lǐng)域，特別是Arm Cortex-M4 32-bit MCU，不但繼承Cortex-M3內(nèi)核優(yōu)勢，內(nèi)建數(shù)字信號處理器（DSP），還可同時選擇附加單精度浮點單元（FPU），讓Cortex-M4除了擁有高精度復(fù)雜的運算能力，且具有可訪問性的優(yōu)勢，開發(fā)人員易進行編寫韌體。

Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延遲、精確度及電力管理等，將傳統(tǒng)MCU功能簡化集中至單一芯片，并提供大容量內(nèi)存，靈活彈性運用，優(yōu)化系統(tǒng)成本，和透過開發(fā)軟件平臺便于工程設(shè)計人員開發(fā)，帶來高效能、實時控制、通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析和安全控制等功能。因此，AT32 MCU以Arm Cortex-M4/M0+32-bit MCU為基礎(chǔ)發(fā)展核心，在運算效能和精度上做到技術(shù)突破。以下為AT32 MCU在工業(yè)自動化中實現(xiàn)各項優(yōu)勢：

高運算力提升實時反應(yīng)和控制
為確保工廠設(shè)備安全和機器的連續(xù)運作，精確的模擬訊號控制為關(guān)鍵，必須在規(guī)范的時間內(nèi)控制訊號，透過快速處理大量的數(shù)據(jù)，做出實時反應(yīng)和控制。特別是在數(shù)十萬轉(zhuǎn)的馬達驅(qū)動應(yīng)用上，因馬達轉(zhuǎn)速快電流頻率高、馬達線圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使馬達高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，且作為工業(yè)級別的MCU必須在電子元器件性能參數(shù)上擁有很高的穩(wěn)定性，因此高主頻、內(nèi)存大容量能使CPU能以零等待周期訪問（讀/寫）（圖3），而內(nèi)建數(shù)字信號處理器（DSP）可進行各種復(fù)雜訊號分析，以提取傳感器數(shù)據(jù)。

同時內(nèi)嵌自動時鐘校準(zhǔn)（ACC）模塊，可校準(zhǔn)高速內(nèi)部振蕩器（HICK），保證HICK在芯片可操作溫度范圍內(nèi)的最佳準(zhǔn)確度，滿足各種運動控制和智能控制對高運算力、高精度的需求。


 
圖3 : 零等待Flash映射區(qū)塊

先進制程簡化設(shè)計組件降低系統(tǒng)復(fù)雜性
先進制程提供豐富的外設(shè)整合一單芯片系統(tǒng)，如CAN總線、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時器等外圍組件，除多元接口外，包含雙DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太網(wǎng)絡(luò)和USB OTG等，皆可提高數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性；為降低開發(fā)難度，透過建立完整的系統(tǒng)生態(tài)鏈，包含開發(fā)環(huán)境、實時操作系統(tǒng)（RTOS）以及第三方軟件刻錄資源，在硬件區(qū)塊上進行高階軟件編程設(shè)計，對應(yīng)不同應(yīng)用需求設(shè)定。

而在工業(yè)操作安全上，符合國際電工委員會（IEC）制定的IEC-60730國際安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并且采用可運行于工業(yè)級寬溫度范圍-40~105oC和多種封裝類型選擇，具備可擴展性、可靠度及系統(tǒng)兼容性，強大豐富的資源及便利性，成功降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

高整合低成本提升性價比
工業(yè)MCU可搭配標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的擴充板，適用于閃存編程和運行控制的內(nèi)置調(diào)試接口，閃存（QSPI）具備高讀取帶寬，加速高效能嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取及編輯，完成系統(tǒng)的快速編程執(zhí)行，透過先進制程技術(shù)，整合更大容量SRAM進行數(shù)據(jù)緩存，執(zhí)行復(fù)雜的系統(tǒng)代碼與彈性應(yīng)用。

對應(yīng)各種工業(yè)自動化控制場域，選擇適當(dāng)內(nèi)存容量的Flash與SRAM，且同一芯片上，整合多信道5Msps高速采樣速率的12-bit ADC與整合運算放大器、模擬比較器及12-bit DAC，將有助于降低馬達控制設(shè)備建置成本及提升系統(tǒng)穩(wěn)定性（圖4）。

 
圖4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

低功耗延長電池壽命
在工廠自動化升級中，以無線型BLE MCU實現(xiàn)無線抄表和數(shù)據(jù)傳送功能的低功耗電磁流量計與電流表，以藍(lán)牙5.0雙模規(guī)范，內(nèi)建藍(lán)牙射頻（RF）收發(fā)器與基帶（baseband）功能，并采用多信道12-bit ADC、內(nèi)部多總線架構(gòu)、UART、CAN及CMP等，豐富內(nèi)建解決傳統(tǒng)MCU功能分散，以一顆MCU取代開發(fā)藍(lán)牙產(chǎn)品所需諸多組件，節(jié)省物料成本、開發(fā)人力和提升效率。

當(dāng)工廠設(shè)備需隨時處在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，降低運行和待機功耗為首要難題，采用低主頻低功耗Cortex-M0+ MCU可解決此一困境。芯片于待機模式下可達約1uA，深度睡眠模式約20uA，呈現(xiàn)出優(yōu)異性能功耗。硬件上增添通訊協(xié)議CAN、USART、多總線架構(gòu)，以及擴展了采樣率高達2 Msps的12-bit ADC，幾乎所有的I/O接口可容忍5V輸入訊號，這些關(guān)鍵應(yīng)用組件和功能區(qū)塊整合，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、工業(yè)及馬達控制應(yīng)用需求。

未來工業(yè)化的設(shè)備將增加多種通訊方式、更復(fù)雜的控制程序和傳感器加強支持安全性，這些都需要大量的運算能力。例如，生產(chǎn)機臺上增加異常檢測功能，在即將發(fā)生災(zāi)難性的故障前，提前進行預(yù)防保養(yǎng)，確保設(shè)備發(fā)生故障時仍能安全地運作；并減少設(shè)備非計劃性停機時間，提升生產(chǎn)效率。

而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用偏重工廠環(huán)境設(shè)備與大量遠(yuǎn)距離傳感器的連接，因此需要高速的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理能力，同時保持電力低功耗，對MCU設(shè)計商來說，能以最快的速度開發(fā)，提供先進的制程技術(shù)，帶來高效能、低功耗和高性價比，方能在MCU市場中處于領(lǐng)先地位。