現代工業(yè)環(huán)境中微控制器關(guān)鍵應用的幾個(gè)實(shí)例

就微控制器在行業(yè)中的設計和應用來(lái)說(shuō)，沒(méi)有哪個(gè)行業(yè)像工業(yè)自動(dòng)化和控制領(lǐng)域發(fā)展得如此迅速。由于中國及亞洲其它地區主要制造工廠(chǎng)自動(dòng)化程度的提高，新技術(shù)被用來(lái)提高效率，因此對制造成本以及產(chǎn)品成本有重要的影響。盡管集中控制可以改善任何特定制造工藝的整體可視性，但是可能并不適合那些響應延時(shí)和處理延遲會(huì )導致故障的一些關(guān)鍵應用。

　　本文將介紹這種關(guān)鍵應用的幾個(gè)實(shí)例，對于智能和處理能力增加到接近工藝節點(diǎn)的應用，會(huì )大大的影響效率和可靠性的改善。新的系統級芯片設計提供必要的智能來(lái)實(shí)現關(guān)鍵的加工測量和這些參數的控制。本文還將討論幾種SoC設計中特殊的改進(jìn)，解決當今快速增長(cháng)的工業(yè)領(lǐng)域中設計和選擇微控制器所面臨的設計挑戰以及相關(guān)的解決方案。

　　從歷史的角度來(lái)看，主要依靠那些具有非常有限制造知識的手工業(yè)者來(lái)制造商品的時(shí)代并不遙遠，例如鞋、帽子、衣服、器皿以及其它物品。產(chǎn)品的質(zhì)量和數量取決于特定手工業(yè)者的技能和這個(gè)行業(yè)的人數。最初的生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現了產(chǎn)量的增加，隨之而來(lái)的是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。任何指定產(chǎn)品的制造被分割成簡(jiǎn)單的分離步驟，每個(gè)步驟由生產(chǎn)線(xiàn)上的一個(gè)工人重復地處理，然后這個(gè)工人再將半成品轉送到下一個(gè)操作者。每一個(gè)操作人員僅僅接受針對某個(gè)特定步驟有限的培訓，整體的處理流程由領(lǐng)班或主管負責。使用不熟練的或半熟練的勞力就可以確保質(zhì)量、數量的快速提高，以及消費產(chǎn)品的可用性。

　　這些手工業(yè)者和早期組裝線(xiàn)操作人員的分離步驟在之后實(shí)現了機械化，這實(shí)現了從人力資本（人）到控制正在日益中央化的本地機械化工藝流水線(xiàn)的轉移。隨著(zhù)中央控制的增加，任何特定工藝步驟的可視性（特別是在早期）越來(lái)越低，中央控制指令發(fā)布到實(shí)際執行的延時(shí)變得越來(lái)越長(cháng)。某些時(shí)候，作為集中控制相關(guān)的響應時(shí)間延時(shí)的產(chǎn)生和影響的函數，整個(gè)工藝的吞吐量的影響比每個(gè)單獨的工藝步驟的限制還要大。

　　當前的工藝優(yōu)化策略包括從模擬到數字I/O（傳感器和驅動(dòng)器）的轉化、分離工藝步驟的銜接，以及從單一的集中控制拓撲到一個(gè)分布式的拓撲結構遷移。由于智能的需求需要更進(jìn)一步靠近工藝節點(diǎn)以及每個(gè)步驟/任務(wù)，大型的通用工作站以及處理器讓位于更專(zhuān)用的解決方案，例如微控制器和FPGA實(shí)現。

　　隨著(zhù)更多的處理和判決的實(shí)現脫離本地，以及客戶(hù)服務(wù)器中央控制模型變成一個(gè)類(lèi)似“對等”的分布式模型，這就需要向更先進(jìn)的混合信號SoC發(fā)展。像PLC和 I/O模塊、溫度/工藝控制器、CNC機床這樣的設備類(lèi)型，以及例如流量/高度測量、編碼器/解析器、測量?jì)x/指示器/極限報警、電機保護以及斷路器等其它應用，將成為進(jìn)一步改進(jìn)本地智能的主要應用，這些將以單芯片的形式實(shí)現，這些單芯片中將集成多通道、混合信號A/D轉換以及專(zhuān)用的h/w處理和輔助的MCU系統管理。

　　利用PLC和I/O模塊、電機驅動(dòng)控制器和多軸控制器的一個(gè)實(shí)例是典型的包裝應用，這種應用包括一個(gè)用于卷繞材料的退繞輥子、一個(gè)用于傳送需要包裝物品的進(jìn)料裝置，以及一些封口位置和一個(gè)完成包裝后移走物品的傳送裝置。

　　當被包裝材料的注冊信息比較差、包裝材料的張力不一致以及封裝較差時(shí)，這種系統的開(kāi)環(huán)控制通常導致低的吞吐量（效率）和較差的質(zhì)量。最終的結果就是因為額外的QA檢查、監控以及產(chǎn)品損壞而增加了單位成本，且不說(shuō)連續監控所增加的額外人力成本（見(jiàn)圖1）。

　　圖1：工業(yè)控制中的開(kāi)環(huán)系統示意圖。

　　相同系統的閉環(huán)作業(yè)將增加參數的監控和反饋功能，例如輥子的扭矩、速度和輥子上剩余材料的數量（長(cháng)度）、進(jìn)料和出料傳送裝置的速度/張力、封口輥子的溫度和壓力、待包裝產(chǎn)品的注冊/定位以及任何一個(gè)關(guān)鍵單元的震動(dòng)。上面例子中主電機驅動(dòng)函數（速度、張力和位置）的控制可以看成是一個(gè)伺服系統，可以通過(guò)增加像溫度和振動(dòng)這類(lèi)的二次測量來(lái)實(shí)現。

　　在伺服系統中，通過(guò)位置、速度/角速度和電流環(huán)實(shí)現閉環(huán)操作。

　　位置環(huán)路通過(guò)輸出一個(gè)帶有由編碼器或解析器提供的旋轉角度反饋信息的速度/角速度命令，使電機的旋轉角度能達到所要求的位置。速度環(huán)路通過(guò)環(huán)路中的這一部分來(lái)控制由位置環(huán)路所設定的電機旋轉速度，環(huán)路由來(lái)自編碼器或解析器的反饋數據來(lái)關(guān)閉。速度環(huán)路輸出是電流環(huán)路的輸入，它為