自動化新變革：雅特力AT32 MCU與智慧共生

物聯(lián)網(wǎng)所談論的議題是一個大方向，往應用細分又可分為智慧城市、智慧交通、智慧醫(yī)療、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)等，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的概念是密不可分的，著重于互聯(lián)性、自動化、機器學習及實時數(shù)據(jù)等多方面。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)今除了消費性應用以外，對于實現(xiàn)物聯(lián)生活使用范圍最廣的，涵蓋領域包含整個工業(yè)應用。

工廠自動化帶來生產效率和產品質量的提升，并有效解決了有限人力的困境。從產線自動化到無人車搬運系統(tǒng)，再加上機器人、機械手臂助力，驅動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。然而要實現(xiàn)真正的智能工廠，對于很多企業(yè)來說都是任重而道遠。在傳統(tǒng)工廠尚未進行數(shù)字化轉型前，僅能依照第一線員工分散記錄生產狀況，制作表格整理數(shù)據(jù)，管理者憑借過去經(jīng)驗和假設做出決策判斷。這樣耗時耗力地組織整理報告、等待管理者決策，往往耽誤了排除問題的最佳時機。

傳統(tǒng)工廠升級為智能工廠首要任務，將老舊的機器設備進行可程序化邏輯控制器(PLC)和傳感器(Sensor)對接，利用Sensor前端采集資料，可視化的設備進行數(shù)據(jù)分析，通過通訊設備將資料傳輸至控制器做實時監(jiān)控，最后回傳到云端管理，形成完整的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)。然而要做到這樣的技術，必須在現(xiàn)有的設備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯(lián)網(wǎng)設備，利用MCU的高運算、小體積、低成本優(yōu)勢，執(zhí)行硬設備的通訊、邊緣運算、實時反應和電機控制等功能，加速推動傳統(tǒng)工廠轉型。IIoT特性在于擁有靈活高速的通訊網(wǎng)絡、快速的分散式運算能力以及有助提高分析的邊緣運算技術。這些技術能力缺一不可，用于信號擷取和驅動控制的PLC，與協(xié)助工廠設備運作的電機控制系統(tǒng)，在對系統(tǒng)處理的要求上與日俱增，傳統(tǒng)8-bit MCU已無法滿足制造商的需求，因此采用32-bit MCU才能達到更好的性能要求(圖1)。

圖1. AT32 MCU導入IIoT設備應用

目前Arm®處理器內核作為工業(yè)和汽車系統(tǒng)中高集成、低成本MCU的行業(yè)標準，特別是ARM® Cortex®-M4 32-bit MCU，除了繼承Cortex-M3內核優(yōu)勢，內建數(shù)位信號處理器(DSP)，可選擇附加單精度浮點單元(FPU)，讓Cortex-M4擁有高精度復雜的運算能力，且具有可訪問性的優(yōu)勢，易于開發(fā)人員易編寫軟件。

Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延遲、精確度及電力管理等問題，將傳統(tǒng)MCU功能簡化集中至單一芯片，并提供大容量內存，靈活彈性運用，優(yōu)化系統(tǒng)成本。同時提供開發(fā)軟件平臺便于工程設計人員開發(fā)，帶來高效處理、實時控制、網(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)分析和安全控制等功能。雅特力專注于32位微控制器研發(fā)與創(chuàng)新，采用ARM® Cortex®-M4高效能或M0+低功耗內核，在運算效能和精度上實現(xiàn)技術上的突破，超越市場上同級芯片，AT32 MCU在工業(yè)自動化運用中嶄露頭角，表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。

實時反應和控制

為確保工廠設備安全和機器的連續(xù)運作，精確的類比信號控制至為關鍵，必須在規(guī)范的時間內控制信號，通過快速處理大量的數(shù)據(jù)，做出實時反應和控制。特別是在數(shù)十萬轉的電機驅動應用上，因電機轉速快電流頻率高、電機線圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使電機高效穩(wěn)定運轉。例如，雅特力推出的AT32F435/437系列MCU，采用最高主頻288MHz，支援FPU浮點運算，內建超大容量4032KB Flash和高達512KB SRAM，讓CPU能以零等待周期訪問(讀/寫)(圖2)。且內嵌自動時鐘校準(ACC)模塊，ACC可校準高速內部時鐘HICK 48 MHz，并保證HICK在芯片可操作溫度范圍內的最佳準確度，滿足各種運動控制和智能控制對高運算力、高精度的需求。

圖2. 零等待Flash映射區(qū)塊簡化設計降低系統(tǒng)復雜性

AT32 MCU將豐富的外設如CAN總線、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時器等外圍元件整合成單片機系統(tǒng)，通過高階軟件編程進行最優(yōu)化設計，建立在彈性的硬件區(qū)塊上，針對不同應用需求進行軟件設定，具備可擴充性和系統(tǒng)兼容性，降低系統(tǒng)復雜度。除上述多元接口外，還包含雙DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太網(wǎng)絡和USB OTG等，提高資料傳輸效率和可靠性;并建立完整的系統(tǒng)生態(tài)鏈，包含開發(fā)環(huán)境、實時作業(yè)系統(tǒng)(RTOS)以及通過雅特力驗證的第三方軟件資源，并符合國際電工委員會(IEC)制定的IEC-60730國際安全標準規(guī)范，如此強大豐富的資源及便利性，有助于產品快速開發(fā)上市。

大容量內存提升靈活性

AT32 MCU可搭配標準規(guī)格的擴充板，適用于快閃存儲器編程和運行控制的內置調試接口，快閃存儲器(QSPI)具備高讀取頻寬，加速高效能嵌入式系統(tǒng)的資料存取及編輯，完成系統(tǒng)的快速編程執(zhí)行，通過先進制程技術，集成更大容量SRAM進行數(shù)據(jù)緩存，執(zhí)行復雜的系統(tǒng)代碼與彈性應用。AT32F403A/407系列及AT32F435/437系列，提供256~4032KB Flash、96~512KB SRAM超大存儲器選用，靈活應用于各種工業(yè)自動化控制領域，如化工、塑料、紡織、包裝、印刷、中央空調、環(huán)保設備等生產機械設備(圖3)。

圖3. AT32 M4/M0+ MCU FAMILY提高能源效率

未來工業(yè)化的設備將增加更多控制程序和傳感器來提升安全性，這些都需要大量的計算能力。例如，設備上增加異常檢測功能，在即將發(fā)生災難性的故障前，提前進行預防保養(yǎng)，確保設備發(fā)生故障時工廠仍能安全地運作，減少工廠停機時間，并增加多種通訊方式?；蚴窃诠S自動化升級中，實現(xiàn)無線抄表和數(shù)據(jù)傳送功能的低功耗電磁流量計與電流表，節(jié)省人力資源和提升效率。AT32WB415系列采用低功耗(BLE)藍牙5.0，集成藍牙射頻(RF)收發(fā)器與基帶(baseband)功能所組成的無線通訊型MCU，作為工廠建設首選;由于工廠設備需隨時處在聯(lián)網(wǎng)情況下，能源管理為一大挑戰(zhàn)，須解決低運行功耗和低待機功耗等問題，AT32L021系列將于2022下半年推出，主頻采用72MHz，片上集成了豐富的外設外圍，且擴展了1個采樣率高達2 Msps的12位ADC，幾乎所有的I/O接口可容忍5V輸入訊號，適用于高速數(shù)據(jù)采集、工業(yè)及電機控制，且芯片于待機模式下可達約1uA，深度睡眠模式約20uA的優(yōu)異功耗表現(xiàn)。

根據(jù)Market Research Future分析報告預測，從現(xiàn)在到2023年，物聯(lián)網(wǎng)微控制器市場的復合年增長率(CAGR)將達到12%，屆時年收入將達到近40億美元。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用多偏重工廠環(huán)境設備與大量遠距離傳感器的連接，因此需要高速的資料傳輸和數(shù)據(jù)處理能力同時保持低功耗的電力，也是雅特力MCU一直為之努力的方向。