運營現代化的工廠和加工車間，在技術上都非常復雜。為實現對機械設備和生產過程的精確控制，生產企業需要采用最新系列的傳感器、致動器以及伺服系統。作為添加技術以獲得精確控制功能優勢的范例，各個聯網與自動化層現已通過連接至IT網絡的控制網絡添加到工廠生產車間，它們可提供商業信息與策略，這些信息和策略轉而推動生產決策的制定。

這種網絡化的集中工業控制模式使得技術人員與工業控制工程師能夠訪問豐富的數據，以便對工廠運營過程進行觀察、微調和優化。工廠廠長與企業高管只需瀏覽一下儀表盤便能全面了解整個工廠的工作效率。

在過去，處理過程都是采用手動控制，工廠的每個環節也都是獨立運作的。通過訪問描述工廠實際運營狀態的實時數據，管理人員能夠更好地了解工廠的日常運行情況，并根據實時負載來調整商業策略。

從孤立節點到全面聯網設施已經歷了若干年的逐漸轉變。這種轉變大多是特定性或無計劃的，當前工業控制設計的各個方面仍將重點緊密地放在其自身總線、網絡以及控制器的特殊分類上，因此產生了分離的工業控制系統設計。

盡管現在已經有了從上到下統一的聯網工業控制模式，但如果以從下往上的角度去看，也就是從每個部分的中央處理單元來看，就顯得非常零散了。迄今為止，可高效運行在控制底層所有層面上的單個IC處理器架構根本是不存在的。

處理器技術的最新發展為設計人員在統一的工業控制模型下實現創新帶來了良機。通過在控制的各個層面對性能、功能及通信要求作仔細分析，利用統一的標準處理器內核架構，設計人員不但能夠以極具競爭力的價格獲得最優解決方案，而且還可以通過軟件復用來降低軟件的開發成本，并大幅縮短設計周期。

控制層次

典型的工業控制系統可被描述成一個4層的分層結構：傳感器和致動器，用來監控工業過程、報告狀態信息以及在需要時用來改變狀態；電動機以及諸如電感加熱器之類的其它系統，用來實現生產過程或運作狀態的改變；對傳感器節點傳送的信息進行分析并向驅動系統發出指令以實現所需改變的各種控制，包括用來連接設備的可編程邏輯控制器（PLC）網絡與可編程自動化控制器（PAC）網絡；人機界面（HMI）模塊和顯示屏，為工程技術人員提供算法處理過的可視工廠狀況。

直到今天，還沒有一種軟件兼容的處理器架構能夠以高性價比來滿足工業控制所有4層的需求。設計人員可通過采用一個公共的處理器架構來減少必須購買的軟件開發工具的數量，提高可復用代碼總量，并在熟悉的開發環境下進行專項開發。

ARM架構是一種免費授權的開放式架構，因此沒有使用權限的問題。作為一種開放式架構的優勢使ARM架構成為了一個事實標準，為開發穩健、多樣化的、全球第三方軟硬件生態系統奠定了基礎。

作為嵌入式處理領域的領先者，ARM公司提供了能夠滿足工業控制各層性能要求的多種處理器內核。內核的革命性發展促進了軟件的兼容性與架構的連續性。從Cortex-M3內核到Cortex-A8處理器的升級具有完全的軟件兼容性，因而能更輕松地開發具有通信功能的控制系統，這些通信功能僅需一次開發和測試就可運行在多種性能下。需要注意的是，一些ARM內核已集成了支持確定性行為與多任務處理等工業控制功能的硬件。

雖然內核提供了一個不錯的起點，但整合了ARM架構內核的微控制器（MCU）與微處理器（MPU）還必須提供集成外設和存儲器選項的適當組合。隨著工業控制范疇中的應用不斷增加，這種要求轉變成為一種對大型產品系列的需求，包括各種價格、性能以及功能的解決方案。

最后，可簡化開發過程并使代碼復用最大化的專業級軟件開發工具對幫助設計人員實現采用統一架構模型的控制系統具有十分重要的意義。

用來說明ARM內核的靈活性與應用范圍，以及確定面向分立控制功能的MCU與MPU外設正確組合的最佳方法，就是分析圖1所示的控制層次各層的要求。

圖1：自動化工廠具有4個基本的生產過程控制層

人機界面（HMI）

從處理角度來看，對位于控制層次頂層的HMI要求是最高的。

具備觸摸屏按鈕、滑動條以及基本2D圖形的基本用戶界面可由MCU（例如基于ARM Cortex-M3的MCU）來處理。除此之外，還需要有高級操作系統，并且用戶界面解決方案要從MCU轉變成MPU。

在自動化設備中，通過遠程控制站工作的操作人員需要盡可能多地監控和觀察工廠車間情況。要實現全面的觀測，就需要3D圖形和視頻等全新的圖形功能。例如，讓操作人員觀察分布式工業控制系統的方法之一，就是通過點擊顯示器上特定機械或部位的標簽來進行訪問。

高級HMI不但能夠顯示算法處理的數據、2D與3D圖形以及由工廠車間監控攝像機傳送的視頻，而且還可在窗口中顯示重要流程或生產指標?？s放、渲染以及窗口顯示是高級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的接口或外設支持。

與生產車間操作進行高級交互非常重要，其中包括監控攝像機的轉換視圖、需求的請求報告，以及發出改變流程或裝配線的命令?？刂婆_可輕松接收和處理來自基本控制網絡層的數百個設備的數據。

從處理器角度來看，在這種高級層面上的互動需要處理器具有內置視頻圖形功能、豐富的I/O選項以及超強的處理能力。同樣，在選擇合適的處理器時，需重點考慮是否提供適當的外設與軟件庫。

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。在本文的后面將介紹這些處理器的特定外設、接口以及性能參數。

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收集傳感器數據，并做出是否改變生產過程狀態和是否控制繼電器與馬達以及工廠中其它機械設備狀態的決定。它們可監控并管理分為數百個節點運作的大型I/O網絡。

PLC通常要求確定性行為，也就是說，每次I/O行為發生所用的時間（或處理器周期）都完全相同，每次都如此。在對實時確定性行為要求不太嚴格的環境中，一些PLC可利用實時操作系統（RTOS）來減輕基于任務的編程，同時確保系統能夠在特定時間周期內做出響應。

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

從設計角度來看，Cortex-M3內核的內置確定機制使得采用單個MCU取代馬達控制的雙芯片解決方案成為可能。過去，需要數字信號處理器（DSP）來控制與結點相關的馬達，同時還需要MCU來處理與系統其它部分的連接。基于Cortex-M3的MCU具有實現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計的網絡協議實現最佳協作。具有高時間精確度的IEEE1588精確時間協議（PTP）可提供這種特性并具有多點傳送功能。從自動化設計的角度看，這就意味著為IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太網是非常重要的外設。在一些更高端可編程自動化控制器（PAC）實例中，千兆位以太網的需求也隨數據傳輸量的提升不斷增加。

工廠自動化系統中另一種普遍使用的通信方法是可實現分布式與冗余系統設計的控制器局域網（CAN）協議。

無線網絡現已成為PLC、傳感器以及其它節點級設備聯網的趨勢。WLAN（無線以太網）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MAC、CAN以及SDIO，并擁有支持網絡協議的必要性能。

在傳感器層面上，ZigBee協議正在獲得認可?；贗EEE802.15.4無線電規范的ZigBee采用網狀網絡技術創建穩健的自配置網絡，它是工業應用的理想選擇。

基于Cortex M3的MCU具有執行ZigBee協議以及除無線電之外所有相關任務所需的性能。此外，Cortex M3還通過支持auto-MDIX處理10/100 Base T以太網通信（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PHY與MAC的更多顯著優勢，不但比雙芯片解決方案節省成本，而且還可節省電路板空間。對于要求性能高于10/100以太網的設計而言，設計人員應該選擇基于Cortex-A8的MPU，如TI Sitara系列。

Cortex-M3內核針對片上閃存及SRAM的單周期訪問進行了優化，可實現設計人員之前在MCU中一直不能達到的高性能。由于50MHz Stellaris Cortex-M3 MCU具備單周期閃存與單周期SRAM，因此相比運行在100MHz下的其它MCU，設計人員采用運行在50MHz下的Stellaris MCU能獲得更多的原始性能。?

設計問題?

處理器內核選擇的一個重要判定點就是看它能否提供加速產品上市的軟件，其中包括操作系統、庫以及通信協議棧。

圖形需求通常是選擇操作系統的主導因素。控制應用不但需要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，并將通過功能強大的處理器在家庭中得到應用，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內核具有存儲器保護單元（MPU），有助于小型RTOS與輕量級linux內核（如RoweBots的Unisom內核）的高效使用。

ARM 架構的優勢之一就是前文提到的強大生態系統。這可帶來數目眾多的第三方認證通信協議棧，其中包括工廠自動化環境所需的專用工業通信協議棧。TI Stellaris MCU可通過提供StellarisWare軟件加速產品上市進程，該軟件提供了各種外設驅動程序庫、圖形庫、USB庫（用于支持USB Device、USB Host和USB OTG）、啟動加載程序支持以及可在工業應用中實現設備診斷的IEC 60730自檢庫。

Sitara MPU支持開發硬件、驅動器以及針對開源Linux與Windows Embedded CE6的電路板支持套件，并具有諸如Neutrino、Integrity以及VxWorks等RTOS的第三方支持，因而具有加速產品上市的優勢。?

功耗

功耗現已成為所有應用的一個重要特征，其中包括電力線供電的應用。不過便攜式設計主要關注處理器功耗，工業系統設計人員則將精力集中在盡可能保持低的效用成本。而且更低的功耗還具有積極的環保效應。

馬達在生產車間和加工廠中普遍存在，通常會消耗工廠大量的電能。讓人有些驚奇的是，MCU內核的確定性性能可在電源效率方面發揮重要的作用。比如在Cortex-M3中，MCU中斷服務響應效率提升60%時，系統級功耗將降低。中斷服務速度提高60%意味著MCU可將馬達的停止與啟動速度提高60%，而且節約的電能可在一年中累加。此外，Cortex-M3內核的高性能可用于實現智能數字換流，從而可以選擇更小的馬達投入使用，還可以選擇更高效率的馬達或者對馬達性能進行改進（例如AC感應馬達由空間矢量調制驅動，而不是由簡單的正弦算法來驅動），所有這些均可降低所需的系統電能。Stellaris MCU包含帶有死區定時器的專用馬達控制PWM以及針對閉環控制的QEI，可幫助設計人員利用Cortex-M3內核的計算能力提高效率，降低功耗。

另一個功耗問題是設計全面封閉的工廠自動化系統以預防車間環境下普遍存在的灰塵和其它污染物的趨勢。如果對處理器及相關電子設備進行制冷需要采用一個以上散熱片，設計人員就必須考慮采用通風口和風扇，為不使最初的全密閉系統目標落空，必須安裝昂貴的強制通風清潔系統。

Sitara系列MPU可通過適應性軟硬件技術滿足更低功耗的需求，該產品可通過IC操作動態控制電壓、頻率以及功耗。?

外設與I/O?

基于標準ARM架構的處理器內核價值在于其具有眾多的優勢。因為系統級設計都建立在MPU與MCU基礎之上，所以IC制造商在圍繞內核的片上系統中提供的功能也同等重要。存儲器選項是一個重要因素，由于片上外設提供其余的產品差異化，因此外設與IO接口的類型和數量也是非常重要的因素。

上面討論了兩個重要的通信塊，CAN控制器和支持1588協議的以太網MAC與PHY。下面列出了各種IO選項，其中許多選項都具有巨大的市場需求，因為它們可實現廣泛的數據傳送應用。

I2C：用來連接低速外設的多主控串行計算機總線。

UART/USART：高級高速通用通信外設。

SPI：運行在全雙工模式下的廣泛使用的同步串行數據鏈路。

內部集成聲控（I2S）：可將低失真信號驅動到外部IC以實現音頻應用。

外部外設接口（EPI）：具有各種模式的可配置存儲器接口，可支持SDRAM、SRAM/閃存、傳統的主機總線x8及x16外設，以及150MB/秒的快速機器對機器（M2M）并行傳輸接口。

通用串行總線（USB）：用于點對點或多點應用的USB接口，通常包括支持機器配置外部存儲或USB OTG的USB主機。

在工業應用中，超高速通用I/O（GPIO）、脈寬調制（PWM）、正交編碼輸入以及模數轉換器（ADC）通道等功能對于馬達控制及其它機械和加工設備都非常重要。

圖3是一個高端MCU的結構圖，主要說明了片上所能集成這些功能的數量。

圖3：基于Cortex-M3的Stellaris 9000系列MCU提供了豐富的外設集合

大多數IC廠商均可提供上述所有片上功能。在一些實例中，可通過更穩健的實施來實現產品差異化。Stellaris系列器件上集成的以太網MAC與PHY和支持IEEE 1588是該產品差異化的良好范例。

另一個例子就是TI Sitara系列ARM9 MPU上提供的可編程實時單元（PRU）。PRU是一款具有有限指令集的小型處理器，可通過配置為片上不具備的實時功能提供特定資源。

在工業控制應用中，PRU通常針對IO進行配置。這可能是一種該產品線任何MPU都不具備的定制接口或IO塊。與添加外部芯片執行相同功能相比，使用PRU可幫助節省系統內成本。例如，工業設計人員可利用PRU實現UART或工業現場總線（如Profibus）等附加的標準接口。PRU的全面可編程性甚至可幫助設計人員添加其贏得的客戶專有接口。

由于PRU可編程，因此它可在不同的執行環境中替代不同類型的IO以降低功耗并提升系統性能。例如，PRU可處理專用定制數據處理，通過關斷ARM時鐘減輕ARM9處理器負載。

本文小結

當越來越多的半導體供應商紛紛采用ARM架構MCU與MPU時，工業控制設備設計人員將能夠獲得更廣泛的IC選擇。產品差異化將由硅片（均衡的存儲器系統，快速I/O及外設以及可加速產品上市的通信集成）的智能應用以及良好的軟件開發工具、庫以及工業協議棧的提供情況來確定。因此僅僅擁有大量的MCU或MPU清單仍遠遠不夠。擁有生產就緒型工具及開源軟件的詳細清單（如驅動器或基元及小控件的圖形庫等）為設計人員的設計提供快速啟動，才會占有更多的市場先機。

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