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高效能与低功耗双轨并进 工业MCU注入智能工厂新动能
[作者 雅特力科技]   2022年06月26日 星期日 浏览人次: [1225]

要实现真正的智能工厂,必须从全面性的系统化、互联网化及自动化来着手,藉由智能设备的数据收集、分析、决策,再结合ERP、MES系统整合大数据资料,而其中工业MCU是实现智能工厂的重要关键。


物联网时代,科技日新月异,由德国最早提出的工业4.0,以全面联网、智慧制造为目标,着重於设备互联性、自动化、机器学习及实时数据等多方面。工业物联网应用涵盖整个工业领域,早已深入我们的生活中。


当您穿上知名品牌的跑鞋,在官网上选择个人喜爱的材质、图样和颜色,一双个人专属的客制跑鞋直送到家,客制化商品不再是难事,而这些跑鞋的制造过程皆是由机器人生产制造。


工厂自动化带来提升生产效率,品质稳定,并有效解决有限人力的困境。从产线自动化到智慧仓储系统,生产过程中使用机器人、机械手臂助力,驱动科技快速发展,然而要实现真正的智能工厂,却不仅仅是导入机器人即可达成「关灯工厂」的梦想,必须从全面性的系统化、互联网化及自动化来着手,藉由智能设备的数据收集、分析、决策,再结合ERP、MES系统整合大数据资料,以视觉化方式具体呈现,使管理者能够随时掌握工厂状态、调整,落地实现智慧制造,加速推动工业物联网发展(图1)。



图1 : 传统工厂实现智能工厂发展
图1 : 传统工厂实现智能工厂发展

在过去,传统工厂的生产状态,根据前线员工分散地记录生产状况,并且耗时整理报告、等待管理者决策,或许还有人工记录失误的可能性,带给管理者错误资讯,而管理者凭藉过去经验和假设做出决策判断,可能会衍伸出更多的问题发生,同时也耽误排除异常状况的最隹时机。


要实现传统工厂自动化,在原有的生产设备上将驱动设备和感测器串连,透过感测器采集资料,传送至可视化设备进行数据分析,让第一线管理人员可快速排除机台异常状态,再透过通讯设备将这些资料传输至管理中心,提供给决策者随时查看工厂状态,最後回传到云端管理,形成一个完整的工业联网。


而工业MCU可以轻易实现上述功效,利用MCU的高运算、体积小、低成本特性,执行硬体设备的通讯、边缘运算、即时反应和马达控制等功能,在现有的设备上安装嵌入式或非嵌入式的联网设备,加速推动传统工厂转型。


过去工厂经常采用8-bit MCU设计机台设备,然而随着工业物联网的蓬勃发展,对系统处理的要求上与日俱增,追求更高速的通讯网路、快速的分散式运算能力及边缘运算分析,新兴技术创新,传统8-bit MCU显然已无法满足制造商的需求,因此采用32-bit MCU达到更好的性能要求(图2)。



图2 : AT32 MCU导入IIoT设备应用
图2 : AT32 MCU导入IIoT设备应用

Arm处理器作为高整合、低成本MCU的行业标准,经常用於工业及车载应用领域,特别是Arm Cortex-M4 32-bit MCU,不但继承Cortex-M3内核优势,内建数位信号处理器(DSP),还可同时选择附加单精度浮点单元(FPU),让Cortex-M4除了拥有高精度复杂的运算能力,且具有可访问性的优势,开发人员易进行编写韧体。


Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延迟、精确度及电力管理等,将传统MCU功能简化集中至单一晶片,并提供大容量内存,灵活弹性运用,优化系统成本,和透过开发软体平台便於工程设计人员开发,带来高效能、实时控制、通讯网路、数据分析和安全控制等功能。因此,AT32 MCU以Arm Cortex-M4/M0+32-bit MCU为基础发展核心,在运算效能和精度上做到技术突破。以下为AT32 MCU在工业自动化中实现各项优势:


高运算力提升实时反应和控制

为确保工厂设备安全和机器的连续运作,精确的类比讯号控制为关键,必须在规范的时间内控制讯号,透过快速处理大量的数据,做出即时反应和控制。特别是在数十万转的马达驱动应用上,因马达转速快电流频率高、马达线圈电感小,需要提供高频、高解析的PWM电压,方能使马达高效稳定运转,且作为工业级别的MCU必须在电子元器件性能叁数上拥有很高的稳定性,因此高主频、内存大容量能使CPU能以零等待周期访问(读/写)(图3),而内建数位讯号处理器(DSP)可进行各种复杂讯号分析,以提取感测器资料。


同时内嵌自动时钟校准(ACC)模组,可校准高速内部振荡器(HICK),保证HICK在晶片可操作温度范围内的最隹准确度,满足各种运动控制和智能控制对高运算力、高精度的需求。



图3 : 零等待Flash映射区块
图3 : 零等待Flash映射区块

先进制程简化设计元件降低系统复杂性

先进制程提供丰富的外设整合一单晶片系统,如CAN总线、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定时器等周边元件,除多元介面外,包含双DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps乙太网路和USB OTG等,皆可提高资料传输效率和可靠性;为降低开发难度,透过建立完整的系统生态链,包含开发环境、实时作业系统(RTOS)以及第三方软体烧录资源,在硬体区块上进行高阶软体编程设计,对应不同应用需求设定。


而在工业操作安全上,符合国际电工委员会(IEC)制定的IEC-60730国际安全标准规范,并且采用可运行於工业级宽温度范围-40~105oC和多种封装类型选择,具备可扩展性、可靠度及系统相容性,强大丰富的资源及便利性,成功降低系统复杂性。


高整合低成本提升性价比

工业MCU可搭配标准规格的扩充板,适用於快闪记忆体编程和运行控制的内置调试介面,快闪记忆体(QSPI)具备高读取频宽,加速高效能嵌入式系统的资料存取及编辑,完成系统的快速编程执行,透过先进制程技术,整合更大容量SRAM进行数据缓存,执行复杂的系统代码与弹性应用。


对应各种工业自动化控制场域,选择适当记忆体容量的Flash与SRAM,且同一晶片上,整合多通道5Msps高速采样速率的12-bit ADC与整合运算放大器、模拟比较器及12-bit DAC,将有助於降低马达控制设备建置成本及提升系统稳定性(图4)。



图4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY
图4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

低功耗延长电池寿命

在工厂自动化升级中,以无线型BLE MCU实现无线抄表和数据传送功能的低功耗电磁流量计与电流表,以蓝牙5.0双模规范,内建蓝牙射频(RF)收发器与基带(baseband)功能,并采用多通道12-bit ADC、内部多汇流排架构、UART、CAN及CMP等,丰富内建解决传统MCU功能分散,以一颗MCU取代开发蓝牙产品所需诸多元件,节省物料成本、开发人力和提升效率。


当工厂设备需随时处在联网状态,降低运行和待机功耗为首要难题,采用低主频低功耗Cortex-M0+ MCU可解决此一困境。晶片於待机模式下可达约1uA,深度睡眠模式约20uA,呈现出优异性能功耗。硬体上增添通讯协定CAN、USART、多汇流排架构,以及扩展了采样率高达2 Msps的12-bit ADC,几??所有的I/O介面可容忍5V输入讯号,这些关键应用组件和功能区块整合,实现高速数据采集、工业及马达控制应用需求。


未来工业化的设备将增加多种通讯方式、更复杂的控制程式和感测器加强支援安全性,这些都需要大量的运算能力。例如,生产机台上增加异常检测功能,在即将发生灾难性的故障前,提前进行预防保养,确保设备发生故障时仍能安全地运作;并减少设备非计划性停机时间,提升生产效率。


而工业物联网的应用偏重工厂环境设备与大量远距离感测器的连接,因此需要高速的资料传输和数据处理能力,同时保持电力低功耗,对MCU设计商来说,能以最快的速度开发,提供先进的制程技术,带来高效能、低功耗和高性价比,方能在MCU市场中处於领先地位。


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