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高效能MCU促進產業快速改變
顛覆即時控制、網路與分析性能
[作者 VC Kumar]   2021年09月03日 星期五 瀏覽人次: [777]

本文探討如何經由高效能微控制器(MCU)突破傳統既有的功能限制,以滿足即時控制、網路和分析的需求,協助設計工程師應對當前和未來系統挑戰。


自動化工廠和智慧型汽車的進步需要更先進的網路功能、即時處理、邊緣分析和馬達控制拓撲。這些實例說明了高效能微控制器(MCU)能符合產業快速進步的需求,而這種微控制器也超越了傳統MCU,可以提供類似處理器的功能。本文介紹五種高效能SitaraTM AM2x MCU協助設計工程師應對當前和未來系統挑戰的方式,如圖1所示。



圖1 : Sitara AM2x高效能MCU的特色(source:TI)
圖1 : Sitara AM2x高效能MCU的特色(source:TI)

實現最佳化性能

近期的MCU在記憶體大小、類比功能整合和低功耗方面都有明顯的進步。但在許多應用中,快速處理大量即時控制和感測器數據的能力同樣重要。在自動化工廠中,可程式化邏輯控制器(PLC)和機器人馬達控制系統的處理要求,已經從每核心大約100 MHz提高到400 MHz以上,而且在未來三到五年間可能達到1 GHz以上。


當面對下列要求時,更需要高效能MCU的處理能力,包括:


‧ 日漸增加的工業通訊,因為生產機台和中央數據系統會透過各種協議分享大量數據。


‧ 透過邊緣分析進行預測性維修,維持工廠穩定運轉。


Sitara AM2x MCU透過提高每個MCU的內核時鐘,以及在同一晶片上整合多個MCU核心,實現更好的性能要求。AM2434具備四個各自以800 MHz運作的核心,與傳統MCU相比,它能在工廠進行更快、更複雜的數據處理,及更低延遲的控制和高速通訊。舉例來說,如果能更快、更平穩地控制機械手臂,就能提高運作安全、生產效率、品質和產能。


改善即時運作與分析

高性能MCU在現代工廠中發揮的作用?正如鍊條的強度取決於其最薄弱的環節,模擬世界和數位世界之間的聯繫也取決於其最薄弱的環節,在該鏈中,MCU是一個經常被忽視的元素。


隨著現代化工廠的自動化程度提高,對於即時數據分析和控制的需求也與日俱增。許多傳統系統藉由多個MCU分別處理不同的功能。高效能MCU,尤其是具有多核架構的MCU,可以透過在單一設備上管理數據處理和即時控制功能,實現高度整合的系統。


Sitara AM2x MCU整合了快速資料採集功能和精確的即時控制周邊設備,能夠高速輸入和處理數據。想像一下,不需額外的MCU,就可在單一MCU上控制機械手臂馬達,透過整合音訊、電流和位置感測介面,提高機器人與人類合作的安全性;或透過一顆整合音訊輸入、聲音辨識和分類的MCU,能夠提高建築物安全系統中的邊緣智能。高效能MCU透過在單一晶片上實現多種處理能力,不僅讓工業系統變得更聰明,更易於設計,也讓價格變得更實惠。


簡化設計,實現軟體重複使用

界定MCU的特徵,包括簡單的系統設計和軟體開發。即使MCU性能和整合程度變得與處理器更接近,對易於使用的硬體和軟體期望依然不會改變。


藉由Sitara AM2x MCU,工程師可體驗到:


‧ 簡單的軟體開發環境和工具(例如基於即時操作系統的軟體),支援跨平台重複使用,從而減少開發時間和成本。


‧ 高效率的即時任務管理和更簡單的電源管理架構,可實現更具成本效益的電源管理解決方案。


‧ 最佳化的速度和低延遲功能,歸功於整合的隨機存取記憶體(RAM)。



圖2 : Sitara AM2x MCU系列?AM2434方塊圖(source:TI)
圖2 : Sitara AM2x MCU系列?AM2434方塊圖(source:TI)

即時感測和反應應用(例如PLC)必須處理時間限制,以確保安全和連續運作。這代表系統需要針對在最壞情況下的時序進行設計。提供簡單易用的軟體,可協助快速有效地設計此類系統。


透過靈活的記憶體配置實現系統成本最佳化

傳統MCU具有內建非揮發性記憶體,例如快閃記憶體。但是隨著自動化工廠到自動駕駛等應用範圍的數據處理需求不斷增加,記憶體容量面臨到了擴充的難題。此外,對於更快速的中央處理器,產生下列的兩項挑戰:


‧ 在系統需要即時寫入記憶體的情況下,只能完全依賴快閃記憶體速度和性能。


‧ 受限於非揮發性記憶體,無法支援更先進的製程節點,例如16 nm。


改用外部非揮發性記憶體架構後,MCU工程師可以從中取得更好的靈活性。藉由高效能MCU,無需更換MCU或重新設計電路板,即可滿足不斷增長的記憶體需求,從而實現更靈活的設計並降低開發成本。AM2x的大型內建RAM和簡單的軟體架構解決了外部記憶體的延遲和性能問題。


提升電源效率

傳統MCU以低功耗著稱,因此隨著應用轉換成高效能MCU,降低功耗變得十分重要。電源效率凸顯了設計師重視的兩個面向:


‧ 每瓦性能(有效功耗效率):超過2 W至3 W的散熱增加通常會導致傳統MCU系統的成本、重量和板上配置問題,尤其是那些需要主動冷卻措施(例如散熱器和風扇)的系統。因此,性能的提高不能與成比例的功耗並存。高效能Sitara AM2x MCU可支援超過5,000 DMIPS/W 的性能。


‧ 低功耗(關機)模式:MCU通常在較低工作週期的環境中運行,鑑於高效能MCU採用先進製程節點設計,其漏電流影響高於傳統MCU。設計人員需要在電源閘控技術和低功耗模式(例如睡眠、深度睡眠、關機、即時時鐘和輸入/輸出喚醒)方面不斷創新。


結論

高效能MCU使處理器級運算變得更普及,為設計人員和系統翻開了新的一頁。隨著應用的不斷演變和設計工程師在其系統中充分發揮高效能MCU的潛力,MCU創新者、產品設計師和消費者都將能完整體驗新功能的益處。


(本文作者VC Kumar任職於德州儀器)


[延伸閱讀]工業自動化的三大關鍵技術支柱

1.即時控制


因為每一奈秒都很重要,當需要即時控制的系統時,既需要原始處理能力,又需要在所需的確切時間控制訊號的能力。精確的模擬訊號控制是將改進控制算法的收益,轉化為更可靠的馬達驅動和更高效的電動汽車的關鍵。這些改進算法的處理需求已經超過了傳統MCU的能力。


2.工業網路


工廠對不同類型數據交換的需求,導致了多種多協議工業乙太網標準的快速採用,以實現機器之間的即時通訊。這種連接已成為實現系統性能、安全性和可靠性的目標收益所必需的。系統設計人員正在尋找與許多不同協議標準兼容的網路整合解決方案,並且可以高達1 Gbps的速度運行。


3.邊緣分析


正如系統範圍內的連接支持即時通訊一樣,機器學習算法的改進也支持本地優化,其中每台機器或節點都可以採取行動,而無需等待集中決策。邊緣處理顯著縮短了響應時間,從而實現人機之間更好、更安全的協作。


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