用ARM架構(gòu)處理器的優(yōu)化工業(yè)控制方案

　　Sitara MPU支持開(kāi)發(fā)硬件、驅(qū)動(dòng)器以及針對(duì)開(kāi)源Linux與Windows Embedded CE6的電路板支持套件，并具有諸如Neutrino、Integrity以及VxWorks等RTOS的第三方支持，因而具有加速產(chǎn)品上市的優(yōu)勢(shì)。

　　功耗

　　功耗現(xiàn)已成為所有應(yīng)用的一個(gè)重要特征，其中包括電力線供電的應(yīng)用。不過(guò)便攜式設(shè)計(jì)主要關(guān)注處理器功耗，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huán)保效應(yīng)。

　　馬達(dá)在生產(chǎn)車間和加工廠中普遍存在，通常會(huì)消耗工廠大量的電能。讓人有些驚奇的是，MCU內(nèi)核的確定性性能可在電源效率方面發(fā)揮重要的作用。比如在Cortex-M3中，MCU中斷服務(wù)響應(yīng)效率提升60%時(shí)，系統(tǒng)級(jí)功耗將降低。中斷服務(wù)速度提高60%意味著MCU可將馬達(dá)的停止與啟動(dòng)速度提高60%，而且節(jié)約的電能可在一年中累加。此外Cortex-M3內(nèi)核的高性能可用于實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字換流，從而可以選擇更小的馬達(dá)投入使用，還可以選擇更高效率的馬達(dá)或者對(duì)馬達(dá)性能進(jìn)行改進(jìn)(例如AC感應(yīng)馬達(dá)由空間矢量調(diào)制驅(qū)動(dòng)，而不是由簡(jiǎn)單的正弦算法來(lái)驅(qū)動(dòng))，所有這些均可降低所需的系統(tǒng)電能。Stellaris MCU包含帶有死區(qū)定時(shí)器的專用馬達(dá)控制PWM以及針對(duì)閉環(huán)控制的QEI，可幫助設(shè)計(jì)人員利用Cortex-M3內(nèi)核的計(jì)算能力提高效率，降低功耗。

　　另一個(gè)功耗問(wèn)題是設(shè)計(jì)全面封閉的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)以預(yù)防車間環(huán)境下普遍存在的灰塵和其它污染物的趨勢(shì)。如果對(duì)處理器及相關(guān)電子設(shè)備進(jìn)行制冷需要采用一個(gè)以上散熱片，設(shè)計(jì)人員就必須考慮采用通風(fēng)口和風(fēng)扇，為不使最初的全密閉系統(tǒng)目標(biāo)落空，必須安裝昂貴的強(qiáng)制通風(fēng)清潔系統(tǒng)。

　　Sitara系列MPU可通過(guò)適應(yīng)性軟硬件技術(shù)滿足更低功耗的需求，該產(chǎn)品可通過(guò)IC操作動(dòng)態(tài)控制電壓、頻率以及功耗。

　　外設(shè)與I/O

　　基于標(biāo)準(zhǔn)ARM架構(gòu)的處理器內(nèi)核價(jià)值在于其具有眾多的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)都建立在MPU與MCU基礎(chǔ)之上，所以IC制造商在圍繞內(nèi)核的片上系統(tǒng)中提供的功能也同等重要。存儲(chǔ)器選項(xiàng)是一個(gè)重要因素，由于片上外設(shè)提供其余的產(chǎn)品差異化，因此外設(shè)與IO接口的類型和數(shù)量也是非常重要的因素。

　　上面討論了兩個(gè)重要的通信塊，CAN控制器和支持1588協(xié)議的以太網(wǎng)MAC與PHY。下面列出了各種IO選項(xiàng)，其中許多選項(xiàng)都具有巨大的市場(chǎng)需求，因?yàn)樗鼈兛蓪?shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)傳送應(yīng)用。

　　I2C：用來(lái)連接低速外設(shè)的多主控串行計(jì)算機(jī)總線。

　　UART/USART：高級(jí)高速通用通信外設(shè)。

　　SPI：運(yùn)行在全雙工模式下的廣泛使用的同步串行數(shù)據(jù)鏈路。

　　內(nèi)部集成聲控(I2S)：可將低失真信號(hào)驅(qū)動(dòng)到外部IC以實(shí)現(xiàn)音頻應(yīng)用。

　　外部外設(shè)接口(EPI)：具有各種模式的可配置存儲(chǔ)器接口，可支持SDRAM、SRAM/閃存、傳統(tǒng)的主機(jī)總線x8及x16外設(shè)，以及150MB/秒的快速機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)并行傳輸接口。

　　通用串行總線(USB)：用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)應(yīng)用的USB接口，通常包括支持機(jī)器配置外部存儲(chǔ)或USB OTG的USB主機(jī)。

　　在工業(yè)應(yīng)用中，超高速通用I/O(GPIO)、脈寬調(diào)制(PWM)、正交編碼輸入以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通道等功能對(duì)于馬達(dá)控制及其它機(jī)械和加工設(shè)備都非常重要。圖3是一個(gè)高端MCU的結(jié)構(gòu)圖，主要說(shuō)明了片上所能集成這些功能的數(shù)量。

　　圖3：基于Cortex-M3的Stellaris 9000系列MCU提供了豐富的外設(shè)集合

　　大多數(shù)IC廠商均可提供上述所有片上功能。在一些實(shí)例中，可通過(guò)更穩(wěn)健的實(shí)施來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。Stellaris系列器件上集成的以太網(wǎng)MAC與PHY和支持IEEE 1588是該產(chǎn)品差異化的良好范例。

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

　　在工業(yè)控制應(yīng)用中，PRU通常針對(duì)IO進(jìn)行配置。這可能是一種該產(chǎn)品線任何MPU都不具備的定制接口或IO塊。與添加外部芯片執(zhí)行相同功能相比，使用PRU可幫助節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)成本。例如CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，工業(yè)設(shè)計(jì)人員可利用PRU實(shí)現(xiàn)UART或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(如Profibus)等附加的標(biāo)準(zhǔn)接口。PRU的全面可編程性甚至可幫助設(shè)計(jì)人員添加其贏得的客戶專有接口。

　　由于PRU可編程控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因此它可在不同的執(zhí)行環(huán)境中替代不同類型的IO以降低功耗并提升系統(tǒng)性能。例如CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，PRU可處理專用定制數(shù)據(jù)處理，通過(guò)關(guān)斷ARM時(shí)鐘減輕ARM9處理器負(fù)載。

　　本文小結(jié)

　　當(dāng)越來(lái)越多的半導(dǎo)體供應(yīng)商紛紛采用ARM架構(gòu)MCU與MPU時(shí)，工業(yè)控制設(shè)備設(shè)計(jì)人員將能夠獲得更廣泛的IC選擇。產(chǎn)品差異化將由硅片(均衡的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，快速I/O及外設(shè)以及可加速產(chǎn)品上市的通信集成)的智能應(yīng)用以及良好的軟件開(kāi)發(fā)工具、庫(kù)以及工業(yè)協(xié)議棧的提供情況來(lái)確定。因此僅僅擁有大量的MCU或MPU清單仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。擁有生產(chǎn)就緒型工具及開(kāi)源軟件的詳細(xì)清單(如驅(qū)動(dòng)器或基元及小控件的圖形庫(kù)等)為設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)提供快速啟動(dòng)，才會(huì)占有更多的市場(chǎng)先機(jī)。