用ARM架構處理器的優(yōu)化工業(yè)控制方案

　　高級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)控攝像機傳送的視頻，而且還可在窗口中顯示重要流程或生產指標?？s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。

　　與生產車間操作進行高級交互非常重要，其中包括監(jiān)控攝像機的轉換視圖、需求的請求報告，以及發(fā)出改變流程或裝配線的命令。控制臺可輕松接收和處理來自基本控制網(wǎng)絡層的數(shù)百個設備的數(shù)據(jù)。

　　從處理器角度來看，在這種高級層面上的互動需要處理器具有內置視頻圖形功能、豐富的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?shù)耐庠O與軟件庫。具備所有上述條件的處理器寥寥無幾，它們都基于ARM Cortex-A8架構。在本文的后面將介紹這些處理器的特定外設、接口以及性能參數(shù)。

　　圖2：基于Cortex-A8的Sitara AM35x系列MPU模塊圖

　　控制層

　　工廠控制層一般由許多工作在控制層的PLC組成。PLC收集傳感器數(shù)據(jù)，并做出是否改變生產過程狀態(tài)和是否控制繼電器與馬達以及工廠中其它機械設備狀態(tài)的決定。它們可監(jiān)控并管理分為數(shù)百個節(jié)點運作的大型I/O網(wǎng)絡。

　　PLC通常要求確定性行為，也就是說，每次I/O行為發(fā)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要求不太嚴格的環(huán)境中，一些PLC可利用實時操作系統(tǒng)(RTOS)來減輕基于任務的編程，同時確保系統(tǒng)能夠在特定時間周期內做出響應。

　　ARM Cortex-M3內核的差異化特性之一就是其硬件支持確定性行為。ARM Cortex-M3內核可直接從片上閃存中獲取指令和數(shù)據(jù)，無需從高速緩存中獲取。這使硬件能夠在出現(xiàn)異常時保存CPU狀態(tài)。處理器在接收到外部中斷后將控制權轉交給中斷處理程序只需12個周期，而背對背中斷(即尾鏈)將控制權轉交中斷處理程序只需6個周期。

　　從設計角度來看，Cortex-M3內核的內置確定機制使得采用單個MCU取代馬達控制的雙芯片解決方案成為可能。過去，需要數(shù)字信號處理器(DSP)來控制與結點相關的馬達，同時還需要MCU來處理與系統(tǒng)其它部分的連接?；贑ortex-M3的MCU具有實現(xiàn)上述兩種功能的能力。

　　確定性性能的硬件支持能夠與為支持確定性而設計的網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)最佳協(xié)作。具有高時間精確度的IEEE1588精確時間協(xié)議(PTP)可提供這種特性并具有多點傳送功能。從自動化設計的角度看，這就意味著為IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太網(wǎng)是非常重要的外設。在一些更高端可編程自動化控制器(PAC)實例中，千兆位以太網(wǎng)的需求也隨數(shù)據(jù)傳輸量的提升不斷增加。

　　工廠自動化系統(tǒng)中另一種普遍使用的通信方法是可實現(xiàn)分布式與冗余系統(tǒng)設計的控制器局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議。

　　無線網(wǎng)絡現(xiàn)已成為PLC、傳感器以及其它節(jié)點級設備聯(lián)網(wǎng)的趨勢。WLAN(無線以太網(wǎng))常被用于PLC與PAC之間的通信。

　　德州儀器(TI)Sitara系列ARM微處理器在芯片上集成了面向WLAN的以太網(wǎng)MAC、CAN以及SDIO，并擁有支持網(wǎng)絡協(xié)議的必要性能。

　　在傳感器層面上，ZigBee協(xié)議正在獲得認可?；贗EEE802.15.4無線電規(guī)范的ZigBee采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術創(chuàng)建穩(wěn)健的自配置網(wǎng)絡CONTROL ENGINEERING China版權所有，它是工業(yè)應用的理想選擇。

　　基于Cortex M3的MCU具有執(zhí)行ZigBee協(xié)議以及除無線電之外所有相關任務所需的性能。此外www.cechina.cn，Cortex M3還通過支持auto-MDIX處理10/100 Base T以太網(wǎng)通信(全雙工及半雙工)。

　　TI基于ARM Cortex-M3的Stellaris系列MCU具有片上集成以太網(wǎng)PHY與MAC的更多顯著優(yōu)勢，不但比雙芯片解決方案節(jié)省成本，而且還可節(jié)省電路板空間。對于要求性能高于10/100以太網(wǎng)的設計而言，設計人員應該選擇基于Cortex-A8的MPU，如TI Sitara系列。

　　Cortex-M3內核針對片上閃存及SRAM的單周期訪問進行了優(yōu)化，可實現(xiàn)設計人員之前在MCU中一直不能達到的高性能。由于50MHz Stellaris Cortex-M3 MCU具備單周期閃存與單周期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

　　處理器內核選擇的一個重要判定點就是看它能否提供加速產品上市的軟件，其中包括操作系統(tǒng)、庫以及通信協(xié)議棧。

　　圖形需求通常是選擇操作系統(tǒng)的主導因素?？刂茟貌坏枰?D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操作系統(tǒng)，并將通過功能強大的處理器在家庭中得到應用，這些基于ARM9或Cortex-A8核(如Sitara ARM MPU中采用的)的處理器包含完整的存儲器管理單元(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于Cortex-M3 MCU的上限。Cortex-M3內核具有存儲器保護單元(MPU)，有助于小型RTOS與輕量級linux內核(如RoweBots的Unisom內核)的高效使用。

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