工業(yè)自動(dòng)化穩(wěn)健增長(zhǎng)，ST推出一站式解決方案

當(dāng)前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為我國(guó)新基建的重點(diǎn)之一。那么，工業(yè)市場(chǎng)的特點(diǎn)是什么，需要什么樣的芯片解決方案？

近日，意法半導(dǎo)體(ST)舉辦了工業(yè)自動(dòng)化線上發(fā)布會(huì)，亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品部區(qū)域營(yíng)銷和應(yīng)用副總裁Francesco MUGGERI等領(lǐng)導(dǎo)向電子產(chǎn)品世界等媒體分析了中國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的特點(diǎn)，新冠疫情對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的影響，并介紹了ST的核心競(jìng)爭(zhēng)力，以及對(duì)于4個(gè)新增長(zhǎng)點(diǎn)的案例：電機(jī)的預(yù)測(cè)性維護(hù)，BLE-KNX智能照明控制，醫(yī)療超聲成像方案，低壓電機(jī)。

ST亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品部區(qū)域營(yíng)銷和應(yīng)用副總裁Francesco MUGGERI

1 中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化特點(diǎn)

雖然中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化起步較晚，但近年來(lái)進(jìn)程速度不斷加快。

過(guò)去，“中國(guó)制造”很大程度上是“制造”，在拉丁語(yǔ)中是手工制作的意思。中國(guó)人口眾多，加工制造速度快，人勤奮，做活好，這是中華文化的一大亮點(diǎn)。

當(dāng)20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，大規(guī)模制造進(jìn)入中國(guó)時(shí)，“制造”意味著制造業(yè)水平低下。蘋(píng)果CEO蒂姆·庫(kù)克在一次采訪中曾說(shuō)：“我們?nèi)ブ袊?guó)生產(chǎn)手機(jī)不是貪圖便宜，而是只有他們才能做出這樣高質(zhì)量的手機(jī)。”這是中國(guó)制造的優(yōu)勢(shì)所在。顯然，這家消費(fèi)電子大廠來(lái)到中國(guó)不僅是因?yàn)楫a(chǎn)量，還是因?yàn)榇笠?guī)模、高質(zhì)量的生產(chǎn)能力。西方國(guó)家還不清楚中國(guó)的自動(dòng)化，甚至在中國(guó)也看不全整體情況。但是，如果去看過(guò)海爾和奧克斯等家電生產(chǎn)線，會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)那里的技術(shù)水平非常高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很多自動(dòng)化。

現(xiàn)在也有一些中國(guó)公司在投資工廠自動(dòng)化，例如，蘇州匯川是中國(guó)一家主要的工廠自動(dòng)化投資公司。實(shí)際上，中國(guó)的自動(dòng)化投資非常大，在此不落后。中國(guó)只是整體制造水平不如發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)；但是，在某些自動(dòng)化領(lǐng)域，中國(guó)是非常出色、先進(jìn)的。 

中國(guó)需要解決的另一個(gè)問(wèn)題是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)涉及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在中國(guó)，ST支持IO-Link和KNX等歐洲標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)方面，建議中國(guó)走得更快一些。ST準(zhǔn)備并愿意參與這些標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，以滿足中國(guó)工業(yè)的嚴(yán)格要求。

中國(guó)在自動(dòng)化領(lǐng)域中更先進(jìn)的方面，得益于中國(guó)采集人像的靈活性，公安系統(tǒng)在人臉識(shí)別、跟蹤周圍人和識(shí)別周圍眼睛的能力方面非常先進(jìn)，這在中國(guó)是非常容易實(shí)現(xiàn)的。因此，中國(guó)擁有非常先進(jìn)的樓宇安全監(jiān)控系統(tǒng)。而這些在其他國(guó)家很難做到。這是中國(guó)的要素之一。

2   新冠疫情對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的影響

自動(dòng)化市場(chǎng)有兩大特點(diǎn)。首先，自動(dòng)化是對(duì)技術(shù)水平要求很高的市場(chǎng)，客戶和技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)在此投入很大。其次，該市場(chǎng)是遞增式增長(zhǎng)，據(jù)Industrial Semiconductor Market Tracker 2019年第4季度的預(yù)測(cè)，從2019—2023年，復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到8％（如下圖）。

近期發(fā)生的新冠肺炎疫情沒(méi)有導(dǎo)致市場(chǎng)需求增長(zhǎng)完全放慢，或許需求出現(xiàn)了差異化，但依然保持強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭；而且，在某些應(yīng)用中，市場(chǎng)需求正在加速。例如，在疫情期間，很多公司改造生產(chǎn)線快速轉(zhuǎn)產(chǎn)口罩，如果你有一條服裝生產(chǎn)線，要想升級(jí)改造設(shè)備，需要改變的地方很多，包括使用不同種類的傳感器和工序。ST收到了市場(chǎng)對(duì)定制化的巨大需求以及在新產(chǎn)品中增加這些執(zhí)行單元的需求。另外，不僅在口罩制造上，在呼吸機(jī)生產(chǎn)和氧氣水平檢測(cè)方面，也需要有更快的轉(zhuǎn)產(chǎn)能力，這些都是推動(dòng)某些市場(chǎng)增長(zhǎng)的要素。

當(dāng)然，我們也看到其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的發(fā)展放緩，特別是與出口有關(guān)的行業(yè)，這是因?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸不暢所致。

但是，總體來(lái)看，ST收到了越來(lái)越多的市場(chǎng)需求?？梢钥闯?，在新冠肺炎疫情持續(xù)時(shí)，更需要進(jìn)一步地發(fā)展工業(yè)/制造業(yè)來(lái)推進(jìn)工業(yè)4.0/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。因此，市場(chǎng)對(duì)支持這種先進(jìn)工業(yè)化的需求很高。

ST亞洲區(qū)的工業(yè)市場(chǎng)的目標(biāo)是專注于三大應(yīng)用領(lǐng)域：自動(dòng)化，電機(jī)控制，電力和能源。這些市場(chǎng)趨勢(shì)如下。

●   在制造和加工方面，亞洲TAM（整體目標(biāo)市場(chǎng)）體量非常大，高達(dá)31億美元。在樓宇及家居控制方面，亞洲TAM市場(chǎng)規(guī)模約12億美元。

●   電機(jī)控制市場(chǎng)的需求量很大，每種產(chǎn)品的平均售價(jià)都很高。電機(jī)模塊是一個(gè)大市場(chǎng)。在電機(jī)控制方面，樓房暖通風(fēng)空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)有很大的需求。另一大需求來(lái)自差異化智能，這意味著隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動(dòng)化推進(jìn)，MCU市場(chǎng)將快速增長(zhǎng)。因?yàn)樾枰絹?lái)越多的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要MCU。

●   在電力和能源市場(chǎng)，ST看好所有電源市場(chǎng)，特別是采用GaN新技術(shù)的電源產(chǎn)品。隨著SiC這種新技術(shù)的出現(xiàn)，預(yù)計(jì)GaN（開(kāi)關(guān)器件）在未來(lái)幾年后將會(huì)大幅增長(zhǎng)，諸如適配器、充電器等細(xì)分市場(chǎng)。另外，新能源的需求將成為推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的動(dòng)能之一。 

3   ST的核心競(jìng)爭(zhēng)力

ST有很多基于芯片的工業(yè)自動(dòng)化解決方案。相比友商，ST的核心競(jìng)爭(zhēng)力有如下幾點(diǎn)。  

1）有廣泛的產(chǎn)品技術(shù)組合。ST有眾多產(chǎn)品，從無(wú)線連接、無(wú)線充電，到ViperPlus電源管理產(chǎn)品，再到STPOWER碳化硅產(chǎn)品和STM32微控制器(MCU)，還有STSPIN、SPIRIT、無(wú)線通信和安全芯片。

2）ST強(qiáng)大的技術(shù)背景。ST掌握所有芯片的制造技術(shù)，其中一些是ST專有的技術(shù)，包括BCD、SiC和BLDC。此外，ST在研發(fā)上投入很大，有很多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3）深耕工業(yè)市場(chǎng)30多年。30多年來(lái)，ST在電表市場(chǎng)一直非常成功。在電機(jī)控制市場(chǎng)，產(chǎn)品銷量已經(jīng)超過(guò)30億個(gè)，這意味著ST有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

4）與市場(chǎng)龍頭企業(yè)有長(zhǎng)期的合作。如果你不可靠，客戶遲早會(huì)離開(kāi)?？梢?jiàn)ST是家靠譜的供應(yīng)商。

4   預(yù)測(cè)性維護(hù)的機(jī)會(huì)與方案

在工業(yè)自動(dòng)化方面，ST有一個(gè)自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng)新中心。此次分享2個(gè)自動(dòng)化解決方案，一個(gè)是狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)，另一個(gè)是BLE-KNX智能照明控制（下一節(jié)介紹）。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。預(yù)測(cè)性維護(hù)對(duì)于工業(yè)4.0非常重要。①可以預(yù)見(jiàn)潛在的故障或生產(chǎn)線停產(chǎn)，使突發(fā)故障率（如生產(chǎn)線突然停機(jī)）降低70％，停機(jī)時(shí)間減少50％，這意味著不會(huì)有很多的閑置產(chǎn)能，可以降低成本。據(jù)測(cè)算，早期故障檢測(cè)可以節(jié)省30％的成本，例如，如果及早發(fā)現(xiàn)洗衣機(jī)的皮帶老化，只需花費(fèi)0.5美元更換皮帶即可；但如果一直等到洗衣機(jī)壞了或發(fā)出奇怪的聲音才發(fā)現(xiàn)，就不得不更換電動(dòng)機(jī)主軸，這可能需要花費(fèi)幾百塊美元。所以，提前檢測(cè)到故障可以節(jié)省一大開(kāi)銷，而且比設(shè)備的定期保養(yǎng)成本將低很多。②預(yù)測(cè)性維護(hù)還能減少人身安全事故。

ST的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案和生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了設(shè)計(jì)人員的各種需求，包括連接模塊、感測(cè)模塊、處理模塊和安全模塊。這些模塊甚至可以部署在原來(lái)的系統(tǒng)中。

除了硬件系統(tǒng)外，軟件算法可能更加關(guān)鍵。在軟件算法方面，ST提供了多種軟件算法來(lái)支持不同的傳感器，并可以與強(qiáng)大的STM32 Cube.AI人工智能生態(tài)系統(tǒng)配合使用。

再有，ST還與合作伙伴合作，以支持預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用發(fā)展。

ST有3種解決方案。

1）STEVAL-IDP004和BFA001是IO-link通訊解決方案，一個(gè)是IO-link 主站，另一個(gè)則是接收器。IO-link是一種無(wú)線通信協(xié)議，可以無(wú)縫地傳輸數(shù)據(jù)，且沒(méi)有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)送到MCU進(jìn)行邊緣計(jì)算處理，然后送到主板，主計(jì)算單元接收并共享數(shù)據(jù)。在這里，我們執(zhí)行第二層邊緣計(jì)算。

2）STWIN解決方案。該方案首次啟用無(wú)線工業(yè)通信技術(shù)?？梢詸z測(cè)到振動(dòng)（注：振動(dòng)是故障的主要癥狀，過(guò)熱和磁感應(yīng)是故障的其他主要癥狀）。ST已經(jīng)優(yōu)化了工業(yè)M12連接器，并且有專門(mén)的算法。ST能利用專業(yè)知識(shí)定制解決方案，并根據(jù)客戶的生產(chǎn)線需求優(yōu)化解決方案。

具體地，STEVAL-STWINKT1是一款工業(yè)級(jí)傳感器的解決方案，用于超聲波檢測(cè)、分析機(jī)械振動(dòng)。它不僅有傳感器的檢測(cè)功能，還有數(shù)據(jù)處理、分析能力。ST可以提供一站式的產(chǎn)品(如下圖)，例如在振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，有MEMS傳感器。對(duì)于信號(hào)調(diào)理，ST提供各種模擬設(shè)備和接口。數(shù)據(jù)處理方面，有STM32系列MCU。為了實(shí)現(xiàn)安全的電源管理，ST提供了電源管理芯片和分立器件，例如STPMIC1芯片，以及分立MOSFET開(kāi)關(guān)管。對(duì)于設(shè)備連接，ST有電力線和無(wú)線通信產(chǎn)品。ST也有安全連接技術(shù)。

另外，ST不僅有產(chǎn)品，還有整個(gè)配套的生態(tài)系統(tǒng)。該解決方案用到了STM32 Cube.AI支持STM32，且STM32 Cube.AI兼容市場(chǎng)上所有軟件標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)或軟件庫(kù)，例如Caffe, TensorFlowLite, ONNX, PyTorch。顯然，ST不僅提供產(chǎn)品，而且還提供數(shù)據(jù)分析生態(tài)系統(tǒng)。借助ST的軟件庫(kù)，你可以支持計(jì)算機(jī)視覺(jué)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的音頻，滿足所有狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求。所以能按照客戶的需求提供定制化的產(chǎn)品，這離不開(kāi)ST強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)。

5   BLE-KNX智能照明控制

KNX是智能家居的通信協(xié)議。例如，現(xiàn)在人們?cè)噲D在房屋和樓房?jī)?nèi)鋪設(shè)新線來(lái)供電，那么可否用已有的電力線來(lái)給建筑物和房屋分配電力？為了實(shí)現(xiàn)這種方法，需要使每個(gè)設(shè)備有智能開(kāi)關(guān)功能，然后將它們連接到集中式的智能系統(tǒng)。

有時(shí)大樓中不同辦公室之間的線路會(huì)中斷，這會(huì)對(duì)電力供應(yīng)造成困擾。針對(duì)這種現(xiàn)象，無(wú)線通信可謂一種解決辦法。ST已經(jīng)在無(wú)線通信產(chǎn)品中集成了有相同KNX協(xié)議的系統(tǒng)，所以，KNX評(píng)估板、LED評(píng)估板、BLE評(píng)估板可以堆疊起來(lái)，組裝成一個(gè)新的Nucleo電路板（如下圖），整合成一個(gè)更復(fù)雜的優(yōu)化解決方案。

可見(jiàn)，ST的解決方案能建立有線和無(wú)線通信，以及設(shè)備與主系統(tǒng)通信，特別是家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，可以與蘋(píng)果和安卓設(shè)備通信。

KNX協(xié)議的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠集成到家庭和辦公室環(huán)境現(xiàn)有IT基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)中。ST通過(guò)引入智能控件來(lái)降低能耗，能夠讓暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）、照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化，例如在需要遮陽(yáng)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉卷簾窗，當(dāng)房間沒(méi)有人時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)扇。

在這個(gè)解決方案中有ST的很多無(wú)線產(chǎn)品：有Bluetooth 5認(rèn)證產(chǎn)品——內(nèi)置STM32的BlueNRG產(chǎn)品；STM32 MCU可以連接任何主要的移動(dòng)平臺(tái)，兼容Zigbee, Thread, Bluetooth等系統(tǒng)。

如果擔(dān)心樓房或房屋的解決方案僅僅是短期投資，這大可放心，因?yàn)镾T提供10年的產(chǎn)品生命周期保障。

6 醫(yī)療超聲成像方案

在當(dāng)下新冠疫情時(shí)期，醫(yī)療具有非凡的意義。

ST帶來(lái)了超聲成像解決方案，提供多個(gè)超聲演示板。在歐美亞市場(chǎng)，ST正在為一些大公司提供產(chǎn)品，以支持先進(jìn)的超聲成像設(shè)備。ST電路板中有很多ST的芯片，例如STM32 MCU，STHV系列4通道、8通道、16通道超聲波激勵(lì)發(fā)生器，STHV64SW 64通道超聲波激勵(lì)發(fā)生器及雙向功率復(fù)用器。這些板卡的主要功能包括USB接口（用于連接STM32和 PC機(jī)，在圖形用戶界面（GUI）軟件上開(kāi)發(fā)應(yīng)用），和可滿足客戶開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的系統(tǒng)要求的更大容量的閃存和負(fù)載模擬器。           

ST有豐富的醫(yī)療產(chǎn)品組合。對(duì)于數(shù)據(jù)采集，ST有傳感器。針對(duì)數(shù)據(jù)處理，有功能強(qiáng)大的MCU，以及AI技術(shù)。對(duì)于電機(jī)控制，有電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品系列。

最重要的是，ST也有數(shù)據(jù)安全技術(shù)。在人身安全和健康方面，除了必須確保人身安全，還必須保護(hù)個(gè)人的信息安全。ST提供STSAFE安全解決方案，其中包括唯一設(shè)備ID碼、數(shù)字簽名和加密算法。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接，ST提供有線和無(wú)線連接技術(shù)，用于醫(yī)學(xué)影像、超聲診斷、能量收集和神經(jīng)刺激器、無(wú)損檢測(cè)、心電圖 (ECG)、光電容積脈搏波 (PPG)、皮膚電反應(yīng)（GSR）、生物阻抗功能、血氧飽和度測(cè)試、呼吸頻率和體溫測(cè)量等應(yīng)用。

值得一提的是，在工業(yè)市場(chǎng)上，STM32G4是ST主推的新一代MCU，優(yōu)勢(shì)是計(jì)算性能高，集成豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)，體積緊湊，集成度高，例如，帶有可接收信號(hào)的數(shù)字比較器、213DMIPS 和550 CoreMark? 的性能測(cè)試成績(jī)、自帶硬件過(guò)采樣的12位ADC 4Msps和USB type-C供電功能。

7   低壓電動(dòng)控制

適合對(duì)功率要求很高的電池供電設(shè)備。其應(yīng)用范圍很廣，例如智能割草機(jī)。在倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化方面，需要大量的機(jī)器人搬運(yùn)倉(cāng)庫(kù)中的貨物，這也需要大量的供電。

在ST的解決方案里用到了很多ST的組件。例如，如果需要電擊和ESD防護(hù)，ST可提供STPROTECT產(chǎn)品。此外，ST也有各種功率器件，例如STPOWER、STSPIN電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以及STM32系列MCU及生態(tài)系統(tǒng)。

現(xiàn)在已經(jīng)有3種套件在市面銷售，可用于醫(yī)療設(shè)備、伺服模塊和電動(dòng)工具，相關(guān)產(chǎn)品組合非常廣泛。例如，對(duì)于工廠自動(dòng)化，下圖所示的是一種機(jī)器設(shè)計(jì)規(guī)范，需要電機(jī)并行運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保線程的運(yùn)動(dòng)速度相同。因此，同時(shí)管理控制多臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要高性能的低壓電機(jī)控制解決方案，ST擁有可以創(chuàng)建高精度雙電機(jī)控制解決方案的產(chǎn)品和解決方案，并且還提供配套的硬件和固件。

以電動(dòng)園林工具為例，STSPIN32F0xx能夠驅(qū)動(dòng)最高達(dá)36 V的電池供電設(shè)備。ST有36V到60 V的高壓驅(qū)動(dòng)解決方案，并提供STSPIN芯片和低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，以滿足不同的市場(chǎng)需求。

ST有不同的產(chǎn)品組合，以滿足客戶的不同需求。如下圖，這些方框都代表了可能的解決方案。當(dāng)客戶對(duì)設(shè)計(jì)靈活性有很高要求時(shí)，ST有分立的解決方案；當(dāng)客戶對(duì)可靠性和緊湊性有很高要求時(shí)，也許會(huì)需要全集成的解決方案或系統(tǒng)芯片。實(shí)際上，每類系統(tǒng)架構(gòu)ST都可以定制，以滿足不同的客戶需求。

關(guān)于功率器件，特別提到ST的低壓MOSFET產(chǎn)品組合。例如，處于技術(shù)創(chuàng)新前沿的STripFET F7?？蛻粜枰敯粜院透吖β誓芰?，STripFET F7中采用了先進(jìn)技術(shù)，可提供40V、60V、80V和100V版本和多種封裝可選。

8 小結(jié)

工業(yè)是穩(wěn)健增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

ST可為客戶提供一站式服務(wù)。因?yàn)镾T擁有先進(jìn)的自動(dòng)化解決方案、廣泛的產(chǎn)品組合，以及分析算法、軟件和固件解決方案。

ST有AI、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案，通過(guò)BLE-KNX等通信技術(shù)收集并解釋傳感器數(shù)據(jù)。

ST的醫(yī)學(xué)成像解決方案在市場(chǎng)上很成功。

ST提供低壓電機(jī)控制解決方案，可用于醫(yī)療、電動(dòng)工具和園林工具市場(chǎng)。