基于ARM架構(gòu)的優(yōu)化工業(yè)控制方案設(shè)計(jì)詳解

運(yùn)營現(xiàn)代化的工廠和加工車間，在技術(shù)上都非常復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的精確控制，生產(chǎn)企業(yè)需要采用最新系列的傳感器、致動(dòng)器以及伺服系統(tǒng)。作為添加技術(shù)以獲得精確控制功能優(yōu)勢(shì)的范例，各個(gè)聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)化層現(xiàn)已通過連接至IT網(wǎng)絡(luò)的控制網(wǎng)絡(luò)添加到工廠生產(chǎn)車間，它們可提供商業(yè)信息與策略，這些信息和策略轉(zhuǎn)而推動(dòng)生產(chǎn)決策的制定。

這種網(wǎng)絡(luò)化的集中工業(yè)控制模式使得技術(shù)人員與工業(yè)控制工程師能夠訪問豐富的數(shù)據(jù)，以便對(duì)工廠運(yùn)營過程進(jìn)行觀察、微調(diào)和優(yōu)化。工廠廠長與企業(yè)高管只需瀏覽一下儀表盤便能全面了解整個(gè)工廠的工作效率。

在過去，處理過程都是采用手動(dòng)控制，工廠的每個(gè)環(huán)節(jié)也都是獨(dú)立運(yùn)作的。通過訪問描述工廠實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，管理人員能夠更好地了解工廠的日常運(yùn)行情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載來調(diào)整商業(yè)策略。

從孤立節(jié)點(diǎn)到全面聯(lián)網(wǎng)設(shè)施已經(jīng)歷了若干年的逐漸轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變大多是特定性或無計(jì)劃的，當(dāng)前工業(yè)控制設(shè)計(jì)的各個(gè)方面仍將重點(diǎn)緊密地放在其自身總線、網(wǎng)絡(luò)以及控制器的特殊分類上，因此產(chǎn)生了分離的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了從上到下統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制模式，但如果以從下往上的角度去看，也就是從每個(gè)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(yùn)行在控制底層所有層面上的單個(gè)IC處理器架構(gòu)根本是不存在的。

處理器技術(shù)的最新發(fā)展為設(shè)計(jì)人員在統(tǒng)一的工業(yè)控制模型下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新帶來了良機(jī)。通過在控制的各個(gè)層面對(duì)性能、功能及通信要求作仔細(xì)分析，利用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)處理器內(nèi)核架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員不但能夠以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格獲得最優(yōu)解決方案，而且還可以通過軟件復(fù)用來降低軟件的開發(fā)成本，并大幅縮短設(shè)計(jì)周期。

控制層次

典型的工業(yè)控制系統(tǒng)可被描述成一個(gè)4層的分層結(jié)構(gòu)：傳感器和致動(dòng)器，用來監(jiān)控工業(yè)過程、報(bào)告狀態(tài)信息以及在需要時(shí)用來改變狀態(tài);電動(dòng)機(jī)以及諸如電感加熱器之類的其它系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程或運(yùn)作狀態(tài)的改變;對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的信息進(jìn)行分析并向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令以實(shí)現(xiàn)所需改變的各種控制，包括用來連接設(shè)備的可編程邏輯控制器（PLC）網(wǎng)絡(luò)與可編程自動(dòng)化控制器（PAC）網(wǎng)絡(luò);人機(jī)界面（HMI）模塊和顯示屏，為工程技術(shù)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(gòu)能夠以高性價(jià)比來滿足工業(yè)控制所有4層的需求。設(shè)計(jì)人員可通過采用一個(gè)公共的處理器架構(gòu)來減少必須購買的軟件開發(fā)工具的數(shù)量，提高可復(fù)用代碼總量，并在熟悉的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行專項(xiàng)開發(fā)。

ARM架構(gòu)是一種免費(fèi)授權(quán)的開放式架構(gòu)，因此沒有使用權(quán)限的問題。作為一種開放式架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)使ARM架構(gòu)成為了一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，為開發(fā)穩(wěn)健、多樣化的、全球第三方軟硬件生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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

雖然內(nèi)核提供了一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)，但整合了ARM架構(gòu)內(nèi)核的微控制器（MCU）與微處理器（MPU）還必須提供集成外設(shè)和存儲(chǔ)器選項(xiàng)的適當(dāng)組合。隨著工業(yè)控制范疇中的應(yīng)用不斷增加，這種要求轉(zhuǎn)變成為一種對(duì)大型產(chǎn)品系列的需求，包括各種價(jià)格、性能以及功能的解決方案。

最后，可簡(jiǎn)化開發(fā)過程并使代碼復(fù)用最大化的專業(yè)級(jí)軟件開發(fā)工具對(duì)幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)采用統(tǒng)一架構(gòu)模型的控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。

用來說明ARM內(nèi)核的靈活性與應(yīng)用范圍，以及確定面向分立控制功能的MCU與MPU外設(shè)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(dòng)化工廠具有4個(gè)基本的生產(chǎn)過程控制層

人機(jī)界面（HMI）

從處理角度來看，對(duì)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(dòng)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。除此之外控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，還需要有高級(jí)操作系統(tǒng)，并且用戶界面解決方案要從MCU轉(zhuǎn)變成MPU.

在自動(dòng)化設(shè)備中，通過遠(yuǎn)程控制站工作的操作人員需要盡可能多地監(jiān)控和觀察工廠車間情況。要實(shí)現(xiàn)全面的觀測(cè)，就需要3D圖形和視頻等全新的圖形功能。例如CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，讓操作人員觀察分布式工業(yè)控制系統(tǒng)的方法之一，就是通過點(diǎn)擊顯示器上特定機(jī)械或部位的標(biāo)簽來進(jìn)行訪問。

高級(jí)HMI不但能夠顯示算法處理的數(shù)據(jù)、2D與3D圖形以及由工廠車間監(jiān)控?cái)z像機(jī)傳送的視頻，而且還可在窗口中顯示重要流程或生產(chǎn)指標(biāo)?？s放、渲染以及窗口顯示是高級(jí)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(shè)支持。

與生產(chǎn)車間操作進(jìn)行高級(jí)交互非常重要，其中包括監(jiān)控?cái)z像機(jī)的轉(zhuǎn)換視圖、需求的請(qǐng)求報(bào)告，以及發(fā)出改變流程或裝配線的命令?？刂婆_(tái)可輕松接收和處理來自基本控制網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)百個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

從處理器角度來看，在這種高級(jí)層面上的互動(dòng)需要處理器具有內(nèi)置視頻圖形功能、豐富的I/O選項(xiàng)以及超強(qiáng)的處理能力。同樣，在選擇合適的處理器時(shí)，需重點(diǎn)考慮是否提供適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)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(gòu)。在本文的后面將介紹這些處理器的特定外設(shè)、接口以及性能參數(shù)。

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(shù)據(jù)，并做出是否改變生產(chǎn)過程狀態(tài)和是否控制繼電器與馬達(dá)以及工廠中其它機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的決定。它們可監(jiān)控并管理分為數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)作的大型I/O網(wǎng)絡(luò)。

PLC通常要求確定性行為，也就是說，每次I/O行為發(fā)生所用的時(shí)間（或處理器周期）都完全相同，每次都如此。在對(duì)實(shí)時(shí)確定性行為要求不太嚴(yán)格的環(huán)境中，一些PLC可利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）來減輕基于任務(wù)的編程，同時(shí)確保系統(tǒng)能夠在特定時(shí)間周期內(nèi)做出響應(yīng)。

ARM Cortex-M3內(nèi)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(nèi)核可直接從片上閃存中獲取指令和數(shù)據(jù)，無需從高速緩存中獲取。這使硬件能夠在出現(xiàn)異常時(shí)保存CPU狀態(tài)。處理器在接收到外部中斷后將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給中斷處理程序只需12個(gè)周期，而背對(duì)背中斷（即尾鏈）將控制權(quán)轉(zhuǎn)交中斷處理程序只需6個(gè)周期。

從設(shè)計(jì)角度來看，Cortex-M3內(nèi)核的內(nèi)置確定機(jī)制使得采用單個(gè)MCU取代馬達(dá)控制的雙芯片解決方案成為可能。過去，需要數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來控制與結(jié)點(diǎn)相關(guān)的馬達(dá)，同時(shí)還需要MCU來處理與系統(tǒng)其它部分的連接。基于Cortex-M3的MCU具有實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)最佳協(xié)作。具有高時(shí)間精確度的IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議（PTP）可提供這種特性并具有多點(diǎn)傳送功能。從自動(dòng)化設(shè)計(jì)的角度看，這就意味著為IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太網(wǎng)是非常重要的外設(shè)。在一些更高端可編程自動(dòng)化控制器（PAC）實(shí)例中，千兆位以太網(wǎng)的需求也隨數(shù)據(jù)傳輸量的提升不斷增加。

工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中另一種普遍使用的通信方法是可實(shí)現(xiàn)分布式與冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器局域網(wǎng)（CAN）協(xié)議。

無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已成為PLC、傳感器以及其它節(jié)點(diǎn)級(jí)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)。WLAN（無線以太網(wǎng)）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(wǎng)MAC、CAN以及SDIO，并擁有支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的必要性能。

在傳感器層面上，ZigBee協(xié)議正在獲得認(rèn)可?；贗EEE802.15.4無線電規(guī)范的ZigBee采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建穩(wěn)健的自配置網(wǎng)絡(luò)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，它是工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

基于Cortex M3的MCU具有執(zhí)行ZigBee協(xié)議以及除無線電之外所有相關(guān)任務(wù)所需的性能。此外www.cechina.cn，Cortex M3還通過支持auto-MDIX處理10/100 Base T以太網(wǎng)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(wǎng)PHY與MAC的更多顯著優(yōu)勢(shì)，不但比雙芯片解決方案節(jié)省成本，而且還可節(jié)省電路板空間。對(duì)于要求性能高于10/100以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該選擇基于Cortex-A8的MPU，如TI Sitara系列。

Cortex-M3內(nèi)核針對(duì)片上閃存及SRAM的單周期訪問進(jìn)行了優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員之前在MCU中一直不能達(dá)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(yùn)行在100MHz下的其它MCU，設(shè)計(jì)人員采用運(yùn)行在50MHz下的Stellaris MCU能獲得更多的原始性能。

設(shè)計(jì)問題

處理器內(nèi)核選擇的一個(gè)重要判定點(diǎn)就是看它能否提供加速產(chǎn)品上市的軟件，其中包括操作系統(tǒng)、庫以及通信協(xié)議棧。

圖形需求通常是選擇操作系統(tǒng)的主導(dǎo)因素?？刂茟?yīng)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(tǒng)，并將通過功能強(qiáng)大的處理器在家庭中得到應(yīng)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(chǔ)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(nèi)核具有存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU），有助于小型RTOS與輕量級(jí)linux內(nèi)核（如RoweBots的Unisom內(nèi)核）的高效使用。

ARM架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)之一就是前文提到的強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)。這可帶來數(shù)目眾多的第三方認(rèn)證通信協(xié)議棧，其中包括工廠自動(dòng)化環(huán)境所需的專用工業(yè)通信協(xié)議棧。TI Stellaris MCU可通過提供StellarisWare軟件加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，該軟件提供了各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序庫、圖形庫、USB庫（用于支持USB Device、USB Host和USB OTG）、啟動(dòng)加載程序支持以及可在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)設(shè)備診斷的IEC 60730自檢庫。

Sitara MPU支持開發(fā)硬件、驅(qū)動(dòng)器以及針對(duì)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(chǎn)品上市的優(yōu)勢(shì)。

功耗

功耗現(xiàn)已成為所有應(yīng)用的一個(gè)重要特征，其中包括電力線供電的應(yīng)用。不過便攜式設(shè)計(jì)主要關(guān)注處理器功耗，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huán)保效應(yīng)。

馬達(dá)在生產(chǎn)車間和加工廠中普遍存在，通常會(huì)消耗工廠大量的電能。讓人有些驚奇的是，MCU內(nèi)核的確定性性能可在電源效率方面發(fā)揮重要的作用。比如在Cortex-M3中，MCU中斷服務(wù)響應(yīng)效率提升60%時(shí)，系統(tǒng)級(jí)功耗將降低。中斷服務(wù)速度提高60%意味著MCU可將馬達(dá)的停止與啟動(dòng)速度提高60%，而且節(jié)約的電能可在一年中累加。此外Cortex-M3內(nèi)核的高性能可用于實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字換流，從而可以選擇更小的馬達(dá)投入使用，還可以選擇更高效率的馬達(dá)或者對(duì)馬達(dá)性能進(jìn)行改進(jìn)（例如AC感應(yīng)馬達(dá)由空間矢量調(diào)制驅(qū)動(dòng)，而不是由簡(jiǎn)單的正弦算法來驅(qū)動(dòng)），所有這些均可降低所需的系統(tǒng)電能。Stellaris MCU包含帶有死區(qū)定時(shí)器的專用馬達(dá)控制PWM以及針對(duì)閉環(huán)控制的QEI，可幫助設(shè)計(jì)人員利用Cortex-M3內(nèi)核的計(jì)算能力提高效率，降低功耗。

另一個(gè)功耗問題是設(shè)計(jì)全面封閉的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)以預(yù)防車間環(huán)境下普遍存在的灰塵和其它污染物的趨勢(shì)。如果對(duì)處理器及相關(guān)電子設(shè)備進(jìn)行制冷需要采用一個(gè)以上散熱片，設(shè)計(jì)人員就必須考慮采用通風(fēng)口和風(fēng)扇，為不使最初的全密閉系統(tǒng)目標(biāo)落空，必須安裝昂貴的強(qiáng)制通風(fēng)清潔系統(tǒng)。

Sitara系列MPU可通過適應(yīng)性軟硬件技術(shù)滿足更低功耗的需求，該產(chǎn)品可通過IC操作動(dòng)態(tài)控制電壓、頻率以及功耗。

外設(shè)與I/O

基于標(biāo)準(zhǔn)ARM架構(gòu)的處理器內(nèi)核價(jià)值在于其具有眾多的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)都建立在MPU與MCU基礎(chǔ)之上，所以IC制造商在圍繞內(nèi)核的片上系統(tǒng)中提供的功能也同等重要。存儲(chǔ)器選項(xiàng)是一個(gè)重要因素，由于片上外設(shè)提供其余的產(chǎn)品差異化，因此外設(shè)與IO接口的類型和數(shù)量也是非常重要的因素。

上面討論了兩個(gè)重要的通信塊，CAN控制器和支持1588協(xié)議的以太網(wǎng)MAC與PHY.下面列出了各種IO選項(xiàng)，其中許多選項(xiàng)都具有巨大的市場(chǎng)需求，因?yàn)樗鼈兛蓪?shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)傳送應(yīng)用。

I2C：用來連接低速外設(shè)的多主控串行計(jì)算機(jī)總線。

UART/USART：高級(jí)高速通用通信外設(shè)。

SPI：運(yùn)行在全雙工模式下的廣泛使用的同步串行數(shù)據(jù)鏈路。

內(nèi)部集成聲控（I2S）：可將低失真信號(hào)驅(qū)動(dòng)到外部IC以實(shí)現(xiàn)音頻應(yīng)用。

外部外設(shè)接口（EPI）：具有各種模式的可配置存儲(chǔ)器接口，可支持SDRAM、SRAM/閃存、傳統(tǒng)的主機(jī)總線x8及x16外設(shè)，以及150MB/秒的快速機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）并行傳輸接口。

通用串行總線（USB）：用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)應(yīng)用的USB接口，通常包括支持機(jī)器配置外部存儲(chǔ)或USB OTG的USB主機(jī)。

在工業(yè)應(yīng)用中，超高速通用I/O（GPIO）、脈寬調(diào)制（PWM）、正交編碼輸入以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道等功能對(duì)于馬達(dá)控制及其它機(jī)械和加工設(shè)備都非常重要。

圖3是一個(gè)高端MCU的結(jié)構(gòu)圖，主要說明了片上所能集成這些功能的數(shù)量。

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

大多數(shù)IC廠商均可提供上述所有片上功能。在一些實(shí)例中，可通過更穩(wěn)健的實(shí)施來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。Stellaris系列器件上集成的以太網(wǎng)MAC與PHY和支持IEEE 1588是該產(chǎn)品差異化的良好范例。

另一個(gè)例子就是TI Sitara系列ARM9 MPU上提供的可編程實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)功能提供特定資源。

在工業(yè)控制應(yīng)用中，PRU通常針對(duì)IO進(jìn)行配置。這可能是一種該產(chǎn)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(zhí)行相同功能相比，使用PRU可幫助節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)成本。例如CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，工業(yè)設(shè)計(jì)人員可利用PRU實(shí)現(xiàn)UART或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線（如Profibus）等附加的標(biāo)準(zhǔn)接口。PRU的全面可編程性甚至可幫助設(shè)計(jì)人員添加其贏得的客戶專有接口。

由于PRU可編程控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因此它可在不同的執(zhí)行環(huán)境中替代不同類型的IO以降低功耗并提升系統(tǒng)性能。例如CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，PRU可處理專用定制數(shù)據(jù)處理，通過關(guān)斷ARM時(shí)鐘減輕ARM9處理器負(fù)載。

本文小結(jié)

當(dāng)越來越多的半導(dǎo)體供應(yīng)商紛紛采用ARM架構(gòu)MCU與MPU時(shí)，工業(yè)控制設(shè)備設(shè)計(jì)人員將能夠獲得更廣泛的IC選擇。產(chǎn)品差異化將由硅片（均衡的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，快速I/O及外設(shè)以及可加速產(chǎn)品上市的通信集成）的智能應(yīng)用以及良好的軟件開發(fā)工具、庫以及工業(yè)協(xié)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。擁有生產(chǎn)就緒型工具及開源軟件的詳細(xì)清單（如驅(qū)動(dòng)器或基元及小控件的圖形庫等）為設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)提供快速啟動(dòng)，才會(huì)占有更多的市場(chǎng)先機(jī)。