TI應(yīng)用智能邊緣計(jì)算提高工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和電網(wǎng)自動(dòng)化的生產(chǎn)力

作者：Srik Gurrapu

目前世界人口已經(jīng)達(dá)到了78億，并且還在不斷增加，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到100億。日益增長(zhǎng)的人口既有對(duì)衣服，食物等基本必需品的需求，對(duì)舒適、安全生活的追求也不斷增長(zhǎng)。被廣泛應(yīng)用于智能制造、智能樓宇和智能電網(wǎng)領(lǐng)域的工業(yè)4.0技術(shù)以及即將推出的工業(yè)5.0創(chuàng)新技術(shù)，都是可以滿足上述需求的現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)。

工業(yè)4.0云架構(gòu)中使用的高性能多核處理引擎可以從數(shù)千個(gè)邊緣傳感器中收集數(shù)據(jù)并執(zhí)行復(fù)雜的分析，從而管理工廠運(yùn)營(yíng)。隨著端到端自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器數(shù)量和需要管理的數(shù)據(jù)也相應(yīng)地呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。一個(gè)智能工廠可能擁有超過(guò)50，000個(gè)傳感器，每天產(chǎn)生幾千萬(wàn)億字節(jié)的數(shù)據(jù)；即使是普通的辦公大樓也可能產(chǎn)生數(shù)百GB的數(shù)據(jù)。

據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）估計(jì)，到2022年，將有40%的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)、管理、分析并留存在產(chǎn)生位置（也稱為“邊緣”）。云邊緣計(jì)算的發(fā)展離不開緊湊、精確和互聯(lián)的邊緣設(shè)備。這些邊緣設(shè)備具有三個(gè)關(guān)鍵要求：實(shí)時(shí)計(jì)算、多協(xié)議工業(yè)聯(lián)網(wǎng)功能以及可現(xiàn)場(chǎng)部署的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。圖 1展示了工業(yè)應(yīng)用中的上述要求。

TI的AM64x系列Sitara?實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)處理器直接滿足了這些需求。

圖 1：智能邊緣計(jì)算要求

可受益于AM64x系列特性的系統(tǒng)包括，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）、工廠自動(dòng)化中的運(yùn)動(dòng)控制器、物聯(lián)網(wǎng)、樓宇自動(dòng)化中的網(wǎng)關(guān)、電網(wǎng)自動(dòng)化中的數(shù)據(jù)集中器、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、3D攝像頭等等。

交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器示例

以現(xiàn)代自動(dòng)化應(yīng)用中的一個(gè)基本元件為例，如圖2所示的伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器控制數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、傳送帶、倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化等眾多機(jī)器的電機(jī)。以AM6442為例，該器件具有四個(gè)高性能Arm?Cortex?-R5F內(nèi)核，運(yùn)行頻率均高達(dá)800MHz，可提供高達(dá)每秒6，400個(gè)百萬(wàn)條指令（DMIPS）的運(yùn)算能力，并支持周期時(shí)間低至3μs且抖動(dòng)超低的高精度電機(jī)控制環(huán)路。

集成工業(yè)通信支持伺服驅(qū)動(dòng)器使用EtherCAT、Profinet和Ethernet/IP等標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)PLC或運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，無(wú)需其他現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）或?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路（ASIC）。您可使用片上Cortex-A53處理內(nèi)核運(yùn)行Linux?等高級(jí)操作系統(tǒng)（OS），并提供遠(yuǎn)程診斷、故障監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)可配置性等智能服務(wù)，從而實(shí)施按需業(yè)務(wù)策略。

尺寸上集成了多種功能的處理器比多芯片解決方案小50%以上，從而實(shí)現(xiàn)了更緊湊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。AM64x采用16nm工藝設(shè)計(jì)，功耗低于1W至2W（具體功耗取決于配置），能夠在緊湊的尺寸下簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)工作量。

圖2：緊湊、精確、互聯(lián)的伺服驅(qū)動(dòng)器

實(shí)時(shí)計(jì)算能力

AM64x系列使用Arm Cortex-R5F處理內(nèi)核（而非諸如 Cortex-M7之類的其他Arm處理內(nèi)核），為要求可靠性、高可用性和低延遲實(shí)時(shí)響應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)提供了多核功能。AM6442和AM6441的四個(gè)Cortex-R5F內(nèi)核可提供高達(dá)5，300 DMIPS（實(shí)時(shí)）的性能。Cortex-R5F包含低延遲中斷技術(shù)，可以中斷和重啟較長(zhǎng)的多周期指令。

實(shí)時(shí)多協(xié)議工業(yè)聯(lián)網(wǎng)功能

以太網(wǎng)已成為實(shí)際的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，取代了工廠、樓宇和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的串行現(xiàn)場(chǎng)總線。但是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)也具有不確定性，而現(xiàn)代工廠自動(dòng)化需要確定性操作和時(shí)間同步。為解決這種固有的不兼容性而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)需要特殊的FPGA或ASIC，因此增加了系統(tǒng)成本和尺寸。

集成工業(yè)連接是AM64x架構(gòu)的核心。每個(gè)器件都具有多個(gè)以太網(wǎng)端口以支持工業(yè)交換機(jī)的實(shí)施，例如高達(dá)千兆位速度的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）以及EtherCAT?、PROFINET?、ETHERNET/IP?等。

AM64x系列還為這些協(xié)議集成了完整的軟件棧，因此可以輕松設(shè)計(jì)出無(wú)縫連接到工廠基礎(chǔ)設(shè)施的邊緣設(shè)備。AM64x協(xié)議還支持IO-Link主站，充當(dāng)從IO-Link到任何工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議以及電機(jī)編碼位置EnDat 2.2和HIPERFACE DSL?的網(wǎng)關(guān)。

可現(xiàn)場(chǎng)部署的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能

工業(yè)4.0中的遠(yuǎn)程管理設(shè)備（驅(qū)動(dòng)器、傳感器和網(wǎng)關(guān)）可以基于系統(tǒng)中運(yùn)行的預(yù)測(cè)性維護(hù)算法，將警報(bào)發(fā)送到云或基礎(chǔ)設(shè)施。AM64x中的片上Cortex-A53內(nèi)核可以執(zhí)行此任務(wù)，且不會(huì)中斷服務(wù)。

此外，您還可以運(yùn)行高級(jí)操作系統(tǒng)（例如Linux）和Web或應(yīng)用程序服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)模型。運(yùn)行速率為1 GHz的兩個(gè)內(nèi)核都具有足夠的性能，可以處理不斷增加的多種服務(wù)，且不會(huì)中斷實(shí)時(shí)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)流量。Linux還允許在內(nèi)核版本中不斷添加功能，從而加快應(yīng)用程序開發(fā)。AM64x的主線Linux支持簡(jiǎn)化了從一個(gè)內(nèi)核到另一個(gè)內(nèi)核的代碼庫(kù)轉(zhuǎn)換。

AM64x系列具有多個(gè)引腳對(duì)引腳兼容的器件，如表2所示。您可以先使用功能較少的器件，然后隨著設(shè)計(jì)需求的發(fā)展遷移到性能更高的器件，同時(shí)保持相同的印刷電路板設(shè)計(jì)。

表 2：引腳對(duì)引腳兼容的AM64x系列

結(jié)束語(yǔ)

TI全新的AM64x系列器件具有實(shí)時(shí)計(jì)算性能、集成的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)以及在小功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力。AM64x系列包含五款引腳對(duì)引腳兼容的器件，可用于設(shè)計(jì)下一代面向現(xiàn)代自動(dòng)化應(yīng)用、緊湊、精確和互聯(lián)的邊緣設(shè)備。