用ARM架構(gòu)處理器的優(yōu)化工業(yè)控制方案

　　高級(jí)HMI不但能夠顯示算法處理的數(shù)據(jù)、2D與3D圖形以及由工廠車間監(jiān)控?cái)z像機(jī)傳送的視頻，而且還可在窗口中顯示重要流程或生產(chǎn)指標(biāo)?？s放、渲染以及窗口顯示是高級(jí)HMI的普通功能。觸摸屏、小鍵盤以及語音均是可選的輸入類型，而所有這一切都需要MPU的接口或外設(shè)支持。

　　與生產(chǎn)車間操作進(jìn)行高級(jí)交互非常重要，其中包括監(jiān)控?cái)z像機(jī)的轉(zhuǎn)換視圖、需求的請(qǐng)求報(bào)告，以及發(fā)出改變流程或裝配線的命令?？刂婆_(tái)可輕松接收和處理來自基本控制網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)百個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

　　從處理器角度來看，在這種高級(jí)層面上的互動(dòng)需要處理器具有內(nèi)置視頻圖形功能、豐富的I/O選項(xiàng)以及超強(qiáng)的處理能力。同樣，在選擇合適的處理器時(shí)，需重點(diǎn)考慮是否提供適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)與軟件庫(kù)。具備所有上述條件的處理器寥寥無幾，它們都基于ARM Cortex-A8架構(gòu)。在本文的后面將介紹這些處理器的特定外設(shè)、接口以及性能參數(shù)。

　　圖2：基于Cortex-A8的Sitara AM35x系列MPU模塊圖

　　控制層

　　工廠控制層一般由許多工作在控制層的PLC組成。PLC收集傳感器數(shù)據(jù)，并做出是否改變生產(chǎn)過程狀態(tài)和是否控制繼電器與馬達(dá)以及工廠中其它機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的決定。它們可監(jiān)控并管理分為數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)作的大型I/O網(wǎng)絡(luò)。

　　PLC通常要求確定性行為，也就是說，每次I/O行為發(fā)生所用的時(shí)間(或處理器周期)都完全相同，每次都如此。在對(duì)實(shí)時(shí)確定性行為要求不太嚴(yán)格的環(huán)境中，一些PLC可利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)來減輕基于任務(wù)的編程，同時(shí)確保系統(tǒng)能夠在特定時(shí)間周期內(nèi)做出響應(yīng)。

　　ARM Cortex-M3內(nèi)核的差異化特性之一就是其硬件支持確定性行為。ARM Cortex-M3內(nèi)核可直接從片上閃存中獲取指令和數(shù)據(jù)，無需從高速緩存中獲取。這使硬件能夠在出現(xiàn)異常時(shí)保存CPU狀態(tài)。處理器在接收到外部中斷后將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給中斷處理程序只需12個(gè)周期，而背對(duì)背中斷(即尾鏈)將控制權(quán)轉(zhuǎn)交中斷處理程序只需6個(gè)周期。

　　從設(shè)計(jì)角度來看，Cortex-M3內(nèi)核的內(nèi)置確定機(jī)制使得采用單個(gè)MCU取代馬達(dá)控制的雙芯片解決方案成為可能。過去，需要數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來控制與結(jié)點(diǎn)相關(guān)的馬達(dá)，同時(shí)還需要MCU來處理與系統(tǒng)其它部分的連接?；贑ortex-M3的MCU具有實(shí)現(xiàn)上述兩種功能的能力。

　　確定性性能的硬件支持能夠與為支持確定性而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)最佳協(xié)作。具有高時(shí)間精確度的IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議(PTP)可提供這種特性并具有多點(diǎn)傳送功能。從自動(dòng)化設(shè)計(jì)的角度看，這就意味著為IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太網(wǎng)是非常重要的外設(shè)。在一些更高端可編程自動(dòng)化控制器(PAC)實(shí)例中，千兆位以太網(wǎng)的需求也隨數(shù)據(jù)傳輸量的提升不斷增加。

　　工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中另一種普遍使用的通信方法是可實(shí)現(xiàn)分布式與冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議。

　　無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已成為PLC、傳感器以及其它節(jié)點(diǎn)級(jí)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)。WLAN(無線以太網(wǎng))常被用于PLC與PAC之間的通信。

　　德州儀器(TI)Sitara系列ARM微處理器在芯片上集成了面向WLAN的以太網(wǎng)MAC、CAN以及SDIO，并擁有支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的必要性能。

　　在傳感器層面上，ZigBee協(xié)議正在獲得認(rèn)可?；贗EEE802.15.4無線電規(guī)范的ZigBee采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建穩(wěn)健的自配置網(wǎng)絡(luò)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，它是工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

　　基于Cortex M3的MCU具有執(zhí)行ZigBee協(xié)議以及除無線電之外所有相關(guān)任務(wù)所需的性能。此外www.cechina.cn，Cortex M3還通過支持auto-MDIX處理10/100 Base T以太網(wǎng)通信(全雙工及半雙工)。

　　TI基于ARM Cortex-M3的Stellaris系列MCU具有片上集成以太網(wǎng)PHY與MAC的更多顯著優(yōu)勢(shì)，不但比雙芯片解決方案節(jié)省成本，而且還可節(jié)省電路板空間。對(duì)于要求性能高于10/100以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該選擇基于Cortex-A8的MPU，如TI Sitara系列。

　　Cortex-M3內(nèi)核針對(duì)片上閃存及SRAM的單周期訪問進(jìn)行了優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員之前在MCU中一直不能達(dá)到的高性能。由于50MHz Stellaris Cortex-M3 MCU具備單周期閃存與單周期SRAM，因此相比運(yùn)行在100MHz下的其它MCU，設(shè)計(jì)人員采用運(yùn)行在50MHz下的Stellaris MCU能獲得更多的原始性能。

　　設(shè)計(jì)問題

　　處理器內(nèi)核選擇的一個(gè)重要判定點(diǎn)就是看它能否提供加速產(chǎn)品上市的軟件，其中包括操作系統(tǒng)、庫(kù)以及通信協(xié)議棧。

　　圖形需求通常是選擇操作系統(tǒng)的主導(dǎo)因素。控制應(yīng)用不但需要2D或3D圖形、視頻流以及更高的顯示分辨率，通常還需要功能齊全的RTOS、Embedded Linux或Windows Embedded CE操作系統(tǒng)，并將通過功能強(qiáng)大的處理器在家庭中得到應(yīng)用，這些基于ARM9或Cortex-A8核(如Sitara ARM MPU中采用的)的處理器包含完整的存儲(chǔ)器管理單元(MMU)。

　　可處理文本文件、2D基本圖元以及QVGA JPEG圖像的智能顯示模塊通常處于Cortex-M3 MCU的上限。Cortex-M3內(nèi)核具有存儲(chǔ)器保護(hù)單元(MPU)，有助于小型RTOS與輕量級(jí)linux內(nèi)核(如RoweBots的Unisom內(nèi)核)的高效使用。

　　ARM 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)之一就是前文提到的強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)。這可帶來數(shù)目眾多的第三方認(rèn)證通信協(xié)議棧，其中包括工廠自動(dòng)化環(huán)境所需的專用工業(yè)通信協(xié)議棧。TI Stellaris MCU可通過提供StellarisWare軟件加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，該軟件提供了各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、圖形庫(kù)、USB庫(kù)(用于支持USB Device、USB Host和USB OTG)、啟動(dòng)加載程序支持以及可在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)設(shè)備診斷的IEC 60730自檢庫(kù)。