用ARM架構處理器的優(yōu)化工業(yè)控制方案

　　Sitara MPU支持開(kāi)發(fā)硬件、驅動(dòng)器以及針對開(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。

　　功耗

　　功耗現已成為所有應用的一個(gè)重要特征，其中包括電力線(xiàn)供電的應用。不過(guò)便攜式設計主要關(guān)注處理器功耗，工業(yè)系統設計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。

　　馬達在生產(chǎn)車(chē)間和加工廠(chǎng)中普遍存在，通常會(huì )消耗工廠(chǎng)大量的電能。讓人有些驚奇的是，MCU內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)響應效率提升60%時(shí)，系統級功耗將降低。中斷服務(wù)速度提高60%意味著(zhù)MCU可將馬達的停止與啟動(dòng)速度提高60%，而且節約的電能可在一年中累加。此外Cortex-M3內核的高性能可用于實(shí)現智能數字換流，從而可以選擇更小的馬達投入使用，還可以選擇更高效率的馬達或者對馬達性能進(jìn)行改進(jìn)(例如AC感應馬達由空間矢量調制驅動(dòng)，而不是由簡(jiǎn)單的正弦算法來(lái)驅動(dòng))，所有這些均可降低所需的系統電能。Stellaris MCU包含帶有死區定時(shí)器的專(zhuān)用馬達控制PWM以及針對閉環(huán)控制的QEI，可幫助設計人員利用Cortex-M3內核的計算能力提高效率，降低功耗。

　　另一個(gè)功耗問(wèn)題是設計全面封閉的工廠(chǎng)自動(dòng)化系統以預防車(chē)間環(huán)境下普遍存在的灰塵和其它污染物的趨勢。如果對處理器及相關(guān)電子設備進(jìn)行制冷需要采用一個(gè)以上散熱片，設計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目標落空，必須安裝昂貴的強制通風(fēng)清潔系統。

　　Sitara系列MPU可通過(guò)適應性軟硬件技術(shù)滿(mǎn)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。

　　外設與I/O

　　基于標準ARM架構的處理器內核價(jià)值在于其具有眾多的優(yōu)勢。因為系統級設計都建立在MPU與MCU基礎之上，所以IC制造商在圍繞內核的片上系統中提供的功能也同等重要。存儲器選項是一個(gè)重要因素，由于片上外設提供其余的產(chǎn)品差異化，因此外設與IO接口的類(lèi)型和數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，其中許多選項都具有巨大的市場(chǎng)需求，因為它們可實(shí)現廣泛的數據傳送應用。

　　I2C：用來(lái)連接低速外設的多主控串行計算機總線(xiàn)。

　　UART/USART：高級高速通用通信外設。

　　SPI：運行在全雙工模式下的廣泛使用的同步串行數據鏈路。

　　內部集成聲控(I2S)：可將低失真信號驅動(dòng)到外部IC以實(shí)現音頻應用。

　　外部外設接口(EPI)：具有各種模式的可配置存儲器接口，可支持SDRAM、SRAM/閃存、傳統的主機總線(xiàn)x8及x16外設，以及150MB/秒的快速機器對機器(M2M)并行傳輸接口。

　　通用串行總線(xiàn)(USB)：用于點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)應用的USB接口，通常包括支持機器配置外部存儲或USB OTG的USB主機。

　　在工業(yè)應用中，超高速通用I/O(GPIO)、脈寬調制(PWM)、正交編碼輸入以及模數轉換器(ADC)通道等功能對于馬達控制及其它機械和加工設備都非常重要。圖3是一個(gè)高端MCU的結構圖，主要說(shuō)明了片上所能集成這些功能的數量。

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

　　大多數IC廠(chǎng)商均可提供上述所有片上功能。在一些實(shí)例中，可通過(guò)更穩健的實(shí)施來(lái)實(shí)現產(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)控制應用中，PRU通常針對IO進(jìn)行配置。這可能是一種該產(chǎn)品線(xiàn)任何MPU都不具備的定制接口或IO塊。與添加外部芯片執行相同功能相比，使用PRU可幫助節省系統內成本。例如CONTROL ENGINEERING China版權所有，工業(yè)設計人員可利用PRU實(shí)現UART或工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)(如Profibus)等附加的標準接口。PRU的全面可編程性甚至可幫助設計人員添加其贏(yíng)得的客戶(hù)專(zhuān)有接口。

　　由于PRU可編程控制工程網(wǎng)版權所有，因此它可在不同的執行環(huán)境中替代不同類(lèi)型的IO以降低功耗并提升系統性能。例如CONTROL ENGINEERING China版權所有，PRU可處理專(zhuān)用定制數據處理，通過(guò)關(guān)斷ARM時(shí)鐘減輕ARM9處理器負載。

　　本文小結

　　當越來(lái)越多的半導體供應商紛紛采用ARM架構MCU與MPU時(shí)，工業(yè)控制設備設計人員將能夠獲得更廣泛的IC選擇。產(chǎn)品差異化將由硅片(均衡的存儲器系統，快速I(mǎi)/O及外設以及可加速產(chǎn)品上市的通信集成)的智能應用以及良好的軟件開(kāi)發(fā)工具、庫以及工業(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清單仍遠遠不夠。擁有生產(chǎn)就緒型工具及開(kāi)源軟件的詳細清單(如驅動(dòng)器或基元及小控件的圖形庫等)為設計人員的設計提供快速啟動(dòng)，才會(huì )占有更多的市場(chǎng)先機。