用ARM架構處理器優(yōu)化工業(yè)控制

運營(yíng)現代化的工廠(chǎng)和加工車(chē)間，在技術(shù)上都非常復雜。為實(shí)現對機械設備和生產(chǎn)過(guò)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。作為添加技術(shù)以獲得精確控制功能優(yōu)勢的范例，各個(gè)聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)化層現已通過(guò)連接至IT網(wǎng)絡(luò )的控制網(wǎng)絡(luò )添加到工廠(chǎng)生產(chǎn)車(chē)間，它們可提供商業(yè)信息與策略，這些信息和策略轉而推動(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(fǎng)問(wèn)豐富的數據，以便對工廠(chǎng)運營(yíng)過(guò)程進(jìn)行觀(guān)察、微調和優(yōu)化。工廠(chǎng)廠(chǎng)長(cháng)與企業(yè)高管只需瀏覽一下儀表盤(pán)便能全面了解整個(gè)工廠(chǎng)的工作效率。

在過(guò)去，處理過(guò)程都是采用手動(dòng)控制，工廠(chǎng)的每個(gè)環(huán)節也都是獨立運作的。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)描述工廠(chǎng)實(shí)際運營(yíng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數據，管理人員能夠更好地了解工廠(chǎng)的日常運行情況，并根據實(shí)時(shí)負載來(lái)調整商業(yè)策略。

從孤立節點(diǎn)到全面聯(lián)網(wǎng)設施已經(jīng)歷了若干年的逐漸轉變。這種轉變大多是特定性或無(wú)計劃的，當前工業(yè)控制設計的各個(gè)方面仍將重點(diǎn)緊密地放在其自身總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )以及控制器的特殊分類(lèi)上，因此產(chǎn)生了分離的工業(yè)控制系統設計。

盡管現在已經(jīng)有了從上到下統一的聯(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(lái)看，就顯得非常零散了。迄今為止，可高效運行在控制底層所有層面上的單個(gè)IC處理器架構根本是不存在的。

處理器技術(shù)的最新發(fā)展為設計人員在統一的工業(yè)控制模型下實(shí)現創(chuàng )新帶來(lái)了良機。通過(guò)在控制的各個(gè)層面對性能、功能及通信要求作仔細分析，利用統一的標準處理器內核架構，設計人員不但能夠以極具競爭力的價(jià)格獲得最優(yōu)解決方案，而且還可以通過(guò)軟件復用來(lái)降低軟件的開(kāi)發(fā)成本，并大幅縮短設計周期。

控制層次

典型的工業(yè)控制系統可被描述成一個(gè)4層的分層結構：傳感器和致動(dòng)器，用來(lái)監控工業(yè)過(guò)程、報告狀態(tài)信息以及在需要時(shí)用來(lái)改變狀態(tài)；電動(dòng)機以及諸如電感加熱器之類(lèi)的其它系統，用來(lái)實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程或運作狀態(tài)的改變；對傳感器節點(diǎn)傳送的信息進(jìn)行分析并向驅動(dòng)系統發(fā)出指令以實(shí)現所需改變的各種控制，包括用來(lái)連接設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 )；人機界面（HMI）模塊和顯示屏，為工程技術(shù)人員提供算法處理過(guò)的可視工廠(chǎng)狀況。

直到今天，還沒(méi)有一種軟件兼容的處理器架構能夠以高性?xún)r(jià)比來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)控制所有4層的需求。設計人員可通過(guò)采用一個(gè)公共的處理器架構來(lái)減少必須購買(mǎi)的軟件開(kāi)發(fā)工具的數量，提高可復用代碼總量，并在熟悉的開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行專(zhuān)項開(kāi)發(fā)。

ARM架構是一種免費授權的開(kāi)放式架構，因此沒(méi)有使用權限的問(wèn)題。作為一種開(kāi)放式架構的優(yōu)勢使ARM架構成為了一個(gè)事實(shí)標準，為開(kāi)發(fā)穩健、多樣化的、全球第三方軟硬件生態(tài)系統奠定了基礎。

作為嵌入式處理領(lǐng)域的領(lǐng)先者，ARM公司提供了能夠滿(mǎn)足工業(yè)控制各層性能要求的多種處理器內核。內核的革命性發(fā)展促進(jìn)了軟件的兼容性與架構的連續性。從Cortex-M3內核到Cortex-A8處理器的升級具有完全的軟件兼容性，因而能更輕松地開(kāi)發(fā)具有通信功能的控制系統，這些通信功能僅需一次開(kāi)發(fā)和測試就可運行在多種性能下。需要注意的是，一些ARM內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。

雖然內核提供了一個(gè)不錯的起點(diǎn)，但整合了ARM架構內核的微控制器（MCU）與微處理器（MPU）還必須提供集成外設和存儲器選項的適當組合。隨著(zhù)工業(yè)控制范疇中的應用不斷增加，這種要求轉變成為一種對大型產(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(kāi)發(fā)過(guò)程并使代碼復用最大化的專(zhuān)業(yè)級軟件開(kāi)發(fā)工具對幫助設計人員實(shí)現采用統一架構模型的控制系統具有十分重要的意義。

用來(lái)說(shuō)明ARM內核的靈活性與應用范圍，以及確定面向分立控制功能的MCU與MPU外設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(chǎng)具有4個(gè)基本的生產(chǎn)過(guò)程控制層

人機界面（HMI）

從處理角度來(lái)看，對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(hù)界面可由MCU（例如基于A(yíng)RM Cortex-M3的MCU）來(lái)處理。除此之外，還需要有高級操作系統，并且用戶(hù)界面解決方案要從MCU轉變成MPU。

在自動(dòng)化設備中，通過(guò)遠程控制站工作的操作人員需要盡可能多地監控和觀(guān)察工廠(chǎng)車(chē)間情況。要實(shí)現全面的觀(guān)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(guān)察分布式工業(yè)控制系統的方法之一，就是通過(guò)點(diǎn)擊顯示器上特定機械或部位的標簽來(lái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

高級HMI不但能夠顯示算法處理的數據、2D與3D圖形以及由工廠(chǎng)車(chē)間監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(chǎn)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(pán)以及語(yǔ)音均是可選的輸入類(lèi)型，而所有這一切都需要MPU的接口或外設支持。

與生產(chǎn)車(chē)間操作進(jìn)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(fā)出改變流程或裝配線(xiàn)的命令?？刂婆_可輕松接收和處理來(lái)自基本控制網(wǎng)絡(luò )層的數百個(gè)設備的數據。