高效能與低功耗雙軌并進(jìn) 工業(yè)MCU注入智能工廠(chǎng)新動(dòng)能

要實(shí)現真正的智能工廠(chǎng)，必須從全面性的系統化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動(dòng)化來(lái)著(zhù)手，藉由智能設備的數據收集、分析、決策，再結合ERP、MES系統整合大數據數據，而其中工業(yè)MCU是實(shí)現智能工廠(chǎng)的重要關(guān)鍵。
物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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，著(zhù)重于設備互聯(lián)性、自動(dòng)化、機器學(xué)習及實(shí)時(shí)數據等多方面。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用涵蓋整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，早已深入我們的生活中。
當您穿上知名品牌的跑鞋，在官網(wǎng)上選擇個(gè)人喜愛(ài)的材質(zhì)、圖樣和顏色，一雙個(gè)人專(zhuān)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(guò)程皆是由機器人生產(chǎn)制造。

工廠(chǎng)自動(dòng)化帶來(lái)提升生產(chǎn)效率，質(zhì)量穩定，并有效解決有限人力的困境。從產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化到智能倉儲系統，生產(chǎn)過(guò)程中使用機器人、機械手臂助力，驅動(dòng)科技快速發(fā)展，然而要實(shí)現真正的智能工廠(chǎng)，卻不僅僅是導入機器人即可達成「關(guān)燈工廠(chǎng)」的夢(mèng)想，必須從全面性的系統化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動(dòng)化來(lái)著(zhù)手，藉由智能設備的數據收集、分析、決策，再結合ERP、MES系統整合大數據數據，以可視化方式具體呈現，使管理者能夠隨時(shí)掌握工廠(chǎng)狀態(tài)、調整，落地實(shí)現智能制造，加速推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展（圖1）。


 
圖1 : 傳統工廠(chǎng)實(shí)現智能工廠(chǎng)發(fā)展

在過(guò)去，傳統工廠(chǎng)的生產(chǎn)狀態(tài)，根據前線(xiàn)員工分散地記錄生產(chǎn)狀況，并且耗時(shí)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(guò)去經(jīng)驗和假設做出決策判斷，可能會(huì )衍伸出更多的問(wèn)題發(fā)生，同時(shí)也耽誤排除異常狀況的最佳時(shí)機。

要實(shí)現傳統工廠(chǎng)自動(dòng)化，在原有的生產(chǎn)設備上將驅動(dòng)設備和傳感器串連，透過(guò)傳感器采集數據，傳送至可視化設備進(jìn)行數據分析，讓第一線(xiàn)管理人員可快速排除機臺異常狀態(tài)，再透過(guò)通訊設備將這些數據傳輸至管理中心，提供給決策者隨時(shí)查看工廠(chǎng)狀態(tài)，最后回傳到云端管理，形成一個(gè)完整的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)。

而工業(yè)MCU可以輕易實(shí)現上述功效，利用MCU的高運算、體積小、低成本特性，執行硬設備的通訊、邊緣運算、實(shí)時(shí)反應和馬達控制等功能，在現有的設備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯(lián)網(wǎng)設備，加速推動(dòng)傳統工廠(chǎng)轉型。

過(guò)去工廠(chǎng)經(jīng)常采用8-bit MCU設計機臺設備，然而隨著(zhù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，對系統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8-bit MCU顯然已無(wú)法滿(mǎn)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導入IIoT設備應用

Arm處理器作為高整合、低成本MCU的行業(yè)標準，經(jīng)常用于工業(yè)及車(chē)載應用領(lǐng)域，特別是Arm Cortex-M4 32-bit MCU，不但繼承Cortex-M3內核優(yōu)勢，內建數字信號處理器（DSP），還可同時(shí)選擇附加單精度浮點(diǎn)單元（FPU），讓Cortex-M4除了擁有高精度復雜的運算能力，且具有可訪(fǎng)問(wèn)性的優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)人員易進(jìn)行編寫(xiě)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MCU功能簡(jiǎn)化集中至單一芯片，并提供大容量?jì)却?，靈活彈性運用，優(yōu)化系統成本，和透過(guò)開(kāi)發(fā)軟件平臺便于工程設計人員開(kāi)發(fā)，帶來(lái)高效能、實(shí)時(shí)控制、通訊網(wǎng)絡(luò )、數據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(dòng)化中實(shí)現各項優(yōu)勢：

高運算力提升實(shí)時(shí)反應和控制
為確保工廠(chǎng)設備安全和機器的連續運作，精確的模擬訊號控制為關(guān)鍵，必須在規范的時(shí)間內控制訊號，透過(guò)快速處理大量的數據，做出實(shí)時(shí)反應和控制。特別是在數十萬(wàn)轉的馬達驅動(dòng)應用上，因馬達轉速快電流頻率高、馬達線(xiàn)圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使馬達高效穩定運轉，且作為工業(yè)級別的MCU必須在電子元器件性能參數上擁有很高的穩定性，因此高主頻、內存大容量能使CPU能以零等待周期訪(fǎng)問(wèn)（讀/寫(xiě)）（圖3），而內建數字信號處理器（DSP）可進(jìn)行各種復雜訊號分析，以提取傳感器數據。

同時(shí)內嵌自動(dòng)時(shí)鐘校準（ACC）模塊，可校準高速內部振蕩器（HICK），保證HICK在芯片可操作溫度范圍內的最佳準確度，滿(mǎn)足各種運動(dòng)控制和智能控制對高運算力、高精度的需求。


 
圖3 : 零等待Flash映射區塊

先進(jìn)制程簡(jiǎn)化設計組件降低系統復雜性
先進(jìn)制程提供豐富的外設整合一單芯片系統，如CAN總線(xiàn)、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時(shí)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，皆可提高數據傳輸效率和可靠性；為降低開(kāi)發(fā)難度，透過(guò)建立完整的系統生態(tài)鏈，包含開(kāi)發(fā)環(huán)境、實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）以及第三方軟件刻錄資源，在硬件區塊上進(jìn)行高階軟件編程設計，對應不同應用需求設定。

而在工業(yè)操作安全上，符合國際電工委員會(huì )（IEC）制定的IEC-60730國際安全標準規范，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(lèi)型選擇，具備可擴展性、可靠度及系統兼容性，強大豐富的資源及便利性，成功降低系統復雜性。

高整合低成本提升性?xún)r(jià)比
工業(yè)MCU可搭配標準規格的擴充板，適用于閃存編程和運行控制的內置調試接口，閃存（QSPI）具備高讀取帶寬，加速高效能嵌入式系統的數據存取及編輯，完成系統的快速編程執行，透過(guò)先進(jìn)制程技術(shù)，整合更大容量SRAM進(jìn)行數據緩存，執行復雜的系統代碼與彈性應用。

對應各種工業(yè)自動(dòng)化控制場(chǎng)域，選擇適當內存容量的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備建置成本及提升系統穩定性（圖4）。

 
圖4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

低功耗延長(cháng)電池壽命
在工廠(chǎng)自動(dòng)化升級中，以無(wú)線(xiàn)型BLE MCU實(shí)現無(wú)線(xiàn)抄表和數據傳送功能的低功耗電磁流量計與電流表，以藍牙5.0雙模規范，內建藍牙射頻（RF）收發(fā)器與基帶（baseband）功能，并采用多信道12-bit ADC、內部多總線(xiàn)架構、UART、CAN及CMP等，豐富內建解決傳統MCU功能分散，以一顆MCU取代開(kāi)發(fā)藍牙產(chǎn)品所需諸多組件，節省物料成本、開(kāi)發(fā)人力和提升效率。

當工廠(chǎng)設備需隨時(shí)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，呈現出優(yōu)異性能功耗。硬件上增添通訊協(xié)議CAN、USART、多總線(xiàn)架構，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)鍵應用組件和功能區塊整合，實(shí)現高速數據采集、工業(yè)及馬達控制應用需求。

未來(lái)工業(yè)化的設備將增加多種通訊方式、更復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)生災難性的故障前，提前進(jìn)行預防保養，確保設備發(fā)生故障時(shí)仍能安全地運作；并減少設備非計劃性停機時(shí)間，提升生產(chǎn)效率。

而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用偏重工廠(chǎng)環(huán)境設備與大量遠距離傳感器的連接，因此需要高速的數據傳輸和數據處理能力，同時(shí)保持電力低功耗，對MCU設計商來(lái)說(shuō)，能以最快的速度開(kāi)發(fā)，提供先進(jìn)的制程技術(shù)，帶來(lái)高效能、低功耗和高性?xún)r(jià)比，方能在MCU市場(chǎng)中處于領(lǐng)先地位。