如何解決傳統(tǒng) MCU 的性能問題

鑒于工業(yè) 4.0 和工業(yè)自動化的大規(guī)模發(fā)展，現(xiàn)代智能工廠已經(jīng)呈現(xiàn)出更快的分布式計算、更快的靈活聯(lián)網(wǎng)以及邊緣更加智能等特征。制造機(jī)器人、機(jī)械輔助和互聯(lián)工廠的設(shè)計人員通過整合先進(jìn)的實時計算、泛在網(wǎng)絡(luò)和邊緣分析功能，可添加工業(yè)通信、功能安全和預(yù)測性維護(hù)等特性。實現(xiàn)上述發(fā)展需要在實際設(shè)備和云之間建立無縫連接，因此推動了技術(shù)在多個領(lǐng)域的同時應(yīng)用。圖 1 表明在自動化工廠中，實時控制、工業(yè)聯(lián)網(wǎng)和邊緣分析可有效提高效率和生產(chǎn)力。

下面介紹了用于實現(xiàn)工業(yè)自動化的三大關(guān)鍵技術(shù)支柱。本文介紹了德州儀器 (TI) 的 Sitara? AM2x 微控制器 (MCU) 如何解決傳統(tǒng) MCU 的性能問題，從而滿足實時控制、聯(lián)網(wǎng)和分析需求。

1.工業(yè)自動化的技術(shù)支柱

隨著人們對實時計算、靈活快速聯(lián)網(wǎng)和邊緣分析的需求越來越高，他們比以往更加需要提高性能。

2.高性能 MCU 在現(xiàn)代工廠中的作用

傳統(tǒng) MCU 的功能已經(jīng)無法滿足工廠對更高性能的需求。現(xiàn)代工廠需要提高性能水平來滿足日益增長的自動化和智能需求。

3.Sitara AM2x 產(chǎn)品系列基礎(chǔ)知識

借助各種片上功能，Sitara AM2x MCU 可幫助實時控制和邊緣系統(tǒng)的設(shè)計人員在不增加復(fù)雜性的情況下打破性能界限。

實時控制

由于系統(tǒng)對時間的要求很嚴(yán)格，因此在進(jìn)行實時控制時，系統(tǒng)需具有原始數(shù)據(jù)處理能力，并能在要求的精確時間內(nèi)控制信號。對模擬信號進(jìn)行精確控制非常關(guān)鍵，該過程可利用改進(jìn)的控制算法來提高電機(jī)驅(qū)動器的可靠性和電動汽車的效率。因此，上述改進(jìn)算法的處理需求已經(jīng)超出了傳統(tǒng) MCU 的功能范疇。

工業(yè)聯(lián)網(wǎng)

工廠需要進(jìn)行不同類型的數(shù)據(jù)交換，因此必須快速采用多種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，從而支持在各機(jī)器之間進(jìn)行實時通信。只有實現(xiàn)這種連接，才能提高系統(tǒng)性能、安全性和可靠性。系統(tǒng)設(shè)計人員正在尋求這樣的集成網(wǎng)絡(luò)解決方案：不僅兼容多種不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而且工作速率高達(dá) 1Gbps。

邊緣分析

正如系統(tǒng)級連接可實現(xiàn)實時通信一樣，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的改進(jìn)可促進(jìn)局部優(yōu)化，即每個機(jī)器或節(jié)點無需等待集中式?jīng)Q策即可執(zhí)行操作。邊緣處理可顯著縮短響應(yīng)時間，從而實現(xiàn)更好、更安全的人機(jī)協(xié)作。

高性能 MCU 在現(xiàn)代工廠中的作用

正如一個鏈條的堅固程度取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的可靠性也不例外，但在這一鏈條中，MCU 是經(jīng)常被忽視的元素。在電機(jī)控制和機(jī)器人等許多工廠系統(tǒng)中，這種名不見經(jīng)傳的處理器監(jiān)督著模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，但是，人們的高性能計算和控制需求對處理器的功能提出了更多要求。

TI 的 Sitara AM2x MCU 提高了 MCU 的性能水平，可滿足工廠日益增長的自動化需求。該產(chǎn)品系列將處理器級計算與 MCU 典型的高能效簡易封裝和高集成度集為一體，適用于需要精確實時控制的應(yīng)用，還進(jìn)一步實現(xiàn)了邊緣分析和實時多協(xié)議聯(lián)網(wǎng)等新功能，這些功能是提升工廠效率和智能水平的核心所在。

Sitara AM2x MCU 的核心構(gòu)建塊：處理內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)、模擬集成、信息安全和功能安全特性以及定制加速模塊。

Sitara AM2x MCU 系列的第一款器件是 AM2434，如圖 3 所示。該器件包含多種基礎(chǔ)特性，具有四核 R5F處理子系統(tǒng)、靈活的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)引擎（工業(yè)通信子系統(tǒng)[ICSS]）、緊密耦合的模擬外設(shè)和支持最新加密標(biāo)準(zhǔn)的安全引擎。

Sitara AM2x MCU 產(chǎn)品系列基礎(chǔ)知識

將 Sitara AM2x MCU 的功能塊歸為幾個不同的類別，有助于說明這些器件如何為三大關(guān)鍵技術(shù)支柱實現(xiàn)更高的性能。組合使用上述功能塊而實現(xiàn)的片上系統(tǒng)可提供突破性的性能和超低功耗。

高能效處理

第一個功能塊開啟了新的可能性，即多達(dá)四個低功耗 Arm? MCU 內(nèi)核均可達(dá)到 800MHz 的工作頻率。高能效處理通過啟用改進(jìn)算法，可提高實時控制系統(tǒng)的性能。例如，電機(jī)控制系統(tǒng)可通過測量振動幫助防止磨損和減少能耗，還可通過添加異常檢測功能來檢測即將發(fā)生的災(zāi)難性故障。這些新特性需要大幅提高計算能力，而傳統(tǒng) MCU 由于其時鐘速率較低而無法滿足要求。

高性能多核處理是 Sitara AM2x MCU 架構(gòu)的核心功能，可提供性能、效率和靈活性的優(yōu)勢組合。利用從單核直到四核的靈活擴(kuò)展以及從 400MHz 至 1GHz 的速率提升，您可在不降低延遲性能的情況下向應(yīng)用添加功能。當(dāng)四個 R5F 內(nèi)核均在 800MHz 頻率下運(yùn)行時，AM2434 MCU 可提供高達(dá)每秒 6,400 個實時

Dhrystone 百萬條指令的計算能力，從而實現(xiàn)實時控制。該器件的多核架構(gòu)還支持在多個不同的內(nèi)核之間擴(kuò)展運(yùn)算，從而簡化不同功能以不同時間間隔運(yùn)行的軟件調(diào)度。例如，將實時控制與網(wǎng)絡(luò)分離可降低給定內(nèi)核的中斷次數(shù)，還可更輕松地對所有操作進(jìn)行精密制。

多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)已成為下一代智能工廠的關(guān)鍵要素，但隨著當(dāng)前使用多種標(biāo)準(zhǔn)以及 1Gbps 網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)而變得復(fù)雜化。 集成的可編程網(wǎng)絡(luò)加速模塊可以幫助實現(xiàn)支持多協(xié)議的廣泛工業(yè)網(wǎng)絡(luò)方案。傳統(tǒng) MCU 不能與上述多種協(xié)議進(jìn)行互操作，因此設(shè)計人員必須使用外部通信設(shè)備，這使得設(shè)計的成本和功耗增加。

Sitara AM2x MCU 集成了 TI 的 ICSS，后者是一款可編程的靈活、千兆位網(wǎng)絡(luò)引擎。除了工業(yè)工具套件軟件外，ICSS 可實現(xiàn)對以下工業(yè)協(xié)議的開箱即用型連接：PROFINET? IRT、以太網(wǎng)/Internet Protocol?、EtherCAT? 和 IO-Link。上述集成無需使用額外器件，即可輕松實現(xiàn)工廠連接。

高級模擬集成

高級模擬集成是 Sitara AM2x MCU 架構(gòu)的另一個重要方面，可提供高分辨率脈寬調(diào)制器 (PWM) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 等專用的模擬和控制外設(shè)。這些外設(shè)對于實現(xiàn)性能提升（如提高電機(jī)穩(wěn)定性或能效）至關(guān)重要。與 TI 其他采用單個集成解決方案的產(chǎn)品相比，全新的產(chǎn)品系列采用了先進(jìn)的模擬設(shè)計。集成上述特性可簡化系統(tǒng)設(shè)計，減少對其他元件的需求，降低成本并加速產(chǎn)品上市時間。集成的 ADC 和 PWM 可提高整體控制精度并降低延遲，從而實現(xiàn)低至 3μs 的控制周期時間。

處理加速器

許多應(yīng)用具有非常專業(yè)的計算要求，可通過集成定制加速模塊滿足這些要求。例如，用于駕駛輔助的雷達(dá)處理系統(tǒng)需要每微秒計算多個快速傅里葉變換，這無疑是可編程內(nèi)核的艱巨挑戰(zhàn)。旨在支持雷達(dá)處理的器件需要專用加速器來緩解計算壓力。另一個例子是機(jī)器學(xué)習(xí)，其中推理引擎的每秒計算量特別大，可能也需要加速模塊支持。添加定制加速模塊可提供超越標(biāo)準(zhǔn)微處理器內(nèi)核性能的專用處理塊，從而無需大幅增加成本或功率，即可將上述應(yīng)用的系統(tǒng)性能提高 10至 100 倍。

集成的安全特性

隨著越來越多的系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)，增強(qiáng)安全性的必要性也與日俱增。在系統(tǒng)范圍內(nèi)，器件必須包含保護(hù)功能，以降低出現(xiàn)安全漏洞的可能性，并符合最新的加密標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計之初，Sitara AM2434 MCU 在可編程安全密鑰和靈活的防火墻配置方面，就特別關(guān)注可提高系統(tǒng)安全性的系統(tǒng)級片上系統(tǒng)設(shè)計。隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，Sitara AM2x MCU 架構(gòu)趨于靈活，可通過適當(dāng)調(diào)整持續(xù)符合最新標(biāo)準(zhǔn)。

片上系統(tǒng)設(shè)計還需符合工業(yè)和汽車行業(yè)要求的安全標(biāo)準(zhǔn)，如汽車安全完整性等級 (ASIL)-D 和 SIL-3。而且片上系統(tǒng)設(shè)計支持系統(tǒng)級安全解決方案，開發(fā)人員不僅能將集成的 M4F 內(nèi)核用作系統(tǒng)看門狗，還能在不間斷運(yùn)行的情況下對器件的其余部分進(jìn)行預(yù)設(shè)。網(wǎng)絡(luò)外設(shè)還可獨(dú)立于主 Arm Cortex?-R5F 處理器運(yùn)行，實現(xiàn)無縫的重新啟動。

電源效率

許多要求實時控制的系統(tǒng)在很高的環(huán)境溫度下運(yùn)行，無冷卻氣流用于降溫。在許多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和電動汽車中，環(huán)境溫度可高達(dá) 85°C，電子器件幾乎無法散熱。因此，應(yīng)特別注意上述環(huán)境中處理器的功率和能效。

Sitara AM2x MCU 產(chǎn)品系列借助功耗小于 1W 的AM2434 MCU 等器件，可顯著提高功效，同時仍提供所有集成和計算性能。因此，該器件可在非常高的溫度下可靠運(yùn)行，無需冷卻風(fēng)扇或成本高昂的散熱器。

結(jié)束語

很明顯，更高的靈活性和性能趨勢正在突破當(dāng)前MCU 的限制。對于設(shè)計實時控制和邊緣系統(tǒng)的設(shè)計人員而言，在不增加復(fù)雜性的情況下打破性能界限是一項挑戰(zhàn)。Sitara AM2x MCU 系列打破了上述性能界限，將引發(fā)第四次工業(yè)革命。該系列器件旨在優(yōu)化當(dāng)前系統(tǒng)，足以靈活滿足未來系統(tǒng)的未知需求。