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          高效能與低功耗雙軌并進 工業(yè)MCU注入智能工廠新動能

          作者: 時間:2022-06-27 來源:CTIMES 收藏

          要實現(xiàn)真正的,必須從全面性的系統(tǒng)化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動化來著手,藉由智能設備的數(shù)據(jù)收集、分析、決策,再結合ERP、MES系統(tǒng)整合大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù),而其中是實現(xiàn)的重要關鍵。
          物聯(lián)網(wǎng)時代,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,著重于設備互聯(lián)性、自動化、機器學習及實時數(shù)據(jù)等多方面。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用涵蓋整個工業(yè)領域,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)上選擇個人喜愛的材質、圖樣和顏色,一雙個人專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程皆是由機器人生產(chǎn)制造。

          工廠自動化帶來提升生產(chǎn)效率,質量穩(wěn)定,并有效解決有限人力的困境。從產(chǎn)線自動化到智能倉儲系統(tǒng),生產(chǎn)過程中使用機器人、機械手臂助力,驅動科技快速發(fā)展,然而要實現(xiàn)真正的,卻不僅僅是導入機器人即可達成「關燈工廠」的夢想,必須從全面性的系統(tǒng)化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動化來著手,藉由智能設備的數(shù)據(jù)收集、分析、決策,再結合ERP、MES系統(tǒng)整合大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù),以可視化方式具體呈現(xiàn),使管理者能夠隨時掌握工廠狀態(tài)、調整,落地實現(xiàn)智能制造,加速推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展(圖1)。

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          圖1 : 傳統(tǒng)工廠實現(xiàn)智能工廠發(fā)展

          在過去,傳統(tǒng)工廠的生產(chǎn)狀態(tài),根據(jù)前線員工分散地記錄生產(chǎn)狀況,并且耗時整理報告、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,而管理者憑借過去經(jīng)驗和假設做出決策判斷,可能會衍伸出更多的問題發(fā)生,同時也耽誤排除異常狀況的最佳時機。

          要實現(xiàn)傳統(tǒng)工廠自動化,在原有的生產(chǎn)設備上將驅動設備和傳感器串連,透過傳感器采集數(shù)據(jù),傳送至可視化設備進行數(shù)據(jù)分析,讓第一線管理人員可快速排除機臺異常狀態(tài),再透過通訊設備將這些數(shù)據(jù)傳輸至管理中心,提供給決策者隨時查看工廠狀態(tài),最后回傳到云端管理,形成一個完整的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)。

          可以輕易實現(xiàn)上述功效,利用MCU的高運算、體積小、低成本特性,執(zhí)行硬設備的通訊、邊緣運算、實時反應和馬達控制等功能,在現(xiàn)有的設備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯(lián)網(wǎng)設備,加速推動傳統(tǒng)工廠轉型。

          過去工廠經(jīng)常采用8-bit MCU設計機臺設備,然而隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,對系統(tǒng)處理的要求上與日俱增,追求更高速的通訊網(wǎng)絡、快速的分布式計算能力及邊緣運算分析,新興技術創(chuàng)新,傳統(tǒng)8-bit MCU顯然已無法滿足制造商的需求,因此采用32-bit MCU達到更好的性能要求(圖2)。

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          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)及車載應用領域,特別是Arm Cortex-M4 32-bit MCU,不但繼承Cortex-M3內核優(yōu)勢,內建數(shù)字信號處理器(DSP),還可同時選擇附加單精度浮點單元(FPU),讓Cortex-M4除了擁有高精度復雜的運算能力,且具有可訪問性的優(yōu)勢,開發(fā)人員易進行編寫韌體。

          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(tǒng)MCU功能簡化集中至單一芯片,并提供大容量內存,靈活彈性運用,優(yōu)化系統(tǒng)成本,和透過開發(fā)軟件平臺便于工程設計人員開發(fā),帶來、實時控制、通訊網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)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突破。以下為AT32 MCU在工業(yè)自動化中實現(xiàn)各項優(yōu)勢:

          高運算力提升實時反應和控制
          為確保工廠設備安全和機器的連續(xù)運作,精確的模擬訊號控制為關鍵,必須在規(guī)范的時間內控制訊號,透過快速處理大量的數(shù)據(jù),做出實時反應和控制。特別是在數(shù)十萬轉的馬達驅動應用上,因馬達轉速快電流頻率高、馬達線圈電感小,需要提供高頻、高解析的PWM電壓,方能使馬達高效穩(wěn)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(shù)上擁有很高的穩(wěn)定性,因此高主頻、內存大容量能使CPU能以零等待周期訪問(讀/寫)(圖3),而內建數(shù)字信號處理器(DSP)可進行各種復雜訊號分析,以提取傳感器數(shù)據(jù)。

          同時內嵌自動時鐘校準(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,滿足各種運動控制和智能控制對高運算力、高精度的需求。

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          圖3 : 零等待Flash映射區(qū)塊

          先進制程簡化設計組件降低系統(tǒng)復雜性
          先進制程提供豐富的外設整合一單芯片系統(tǒng),如CAN總線、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時器等外圍組件,除多元接口外,包含雙DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太網(wǎng)絡和USB OTG等,皆可提高數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性;為降低開發(fā)難度,透過建立完整的系統(tǒng)生態(tài)鏈,包含開發(fā)環(huán)境、實時操作系統(tǒng)(RTOS)以及第三方軟件刻錄資源,在硬件區(qū)塊上進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(IEC)制定的IEC-60730國際安全標準規(guī)范,并且采用可運行于工業(yè)級寬溫度范圍-40~105oC和多種封裝類型選擇,具備可擴展性、可靠度及系統(tǒng)兼容性,強大豐富的資源及便利性,成功降低系統(tǒng)復雜性。

          高整合低成本提升性價比
          可搭配標準規(guī)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,加速嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取及編輯,完成系統(tǒng)的快速編程執(zhí)行,透過先進制程技術,整合更大容量SRAM進行數(shù)據(jù)緩存,執(zhí)行復雜的系統(tǒng)代碼與彈性應用。

          對應各種工業(yè)自動化控制場域,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(tǒng)穩(wěn)定性(圖4)。

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          圖4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

          延長電池壽命
          在工廠自動化升級中,以無線型BLE MCU實現(xiàn)無線抄表和數(shù)據(jù)傳送功能的電磁流量計與電流表,以藍牙5.0雙模規(guī)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、內部多總線架構、UART、CAN及CMP等,豐富內建解決傳統(tǒng)MCU功能分散,以一顆MCU取代開發(fā)藍牙產(chǎn)品所需諸多組件,節(jié)省物料成本、開發(fā)人力和提升效率。

          當工廠設備需隨時處在聯(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(xiàn)出優(yōu)異性能功耗。硬件上增添通訊協(xié)議CAN、USART、多總線架構,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,這些關鍵應用組件和功能區(qū)塊整合,實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、工業(yè)及馬達控制應用需求。

          未來工業(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,提前進行預防保養(yǎng),確保設備發(fā)生故障時仍能安全地運作;并減少設備非計劃性停機時間,提升生產(chǎn)效率。

          而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用偏重工廠環(huán)境設備與大量遠距離傳感器的連接,因此需要高速的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理能力,同時保持電力低功耗,對MCU設計商來說,能以最快的速度開發(fā),提供先進的制程技術,帶來、低功耗和高性價比,方能在MCU市場中處于領先地位。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202206/435611.htm


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