自動(dòng)化新變革：雅特力AT32 MCU與智慧共生

物聯(lián)網(wǎng)所談?wù)摰淖h題是一個(gè)大方向，往應(yīng)用細(xì)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(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等多方面。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)今除了消費(fèi)性應(yīng)用以外，對(duì)于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)生活使用范圍最廣的，涵蓋領(lǐng)域包含整個(gè)工業(yè)應(yīng)用。

工廠自動(dòng)化帶來(lái)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升，并有效解決了有限人力的困境。從產(chǎn)線自動(dòng)化到無(wú)人車(chē)搬運(yùn)系統(tǒng)，再加上機(jī)器人、機(jī)械手臂助力，驅(qū)動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。然而要實(shí)現(xiàn)真正的智能工廠，對(duì)于很多企業(yè)來(lái)說(shuō)都是任重而道遠(yuǎn)。在傳統(tǒng)工廠尚未進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型前，僅能依照第一線員工分散記錄生產(chǎn)狀況，制作表格整理數(shù)據(jù)，管理者憑借過(guò)去經(jīng)驗(yàn)和假設(shè)做出決策判斷。這樣耗時(shí)耗力地組織整理報(bào)告、等待管理者決策，往往耽誤了排除問(wèn)題的最佳時(shí)機(jī)。

傳統(tǒng)工廠升級(jí)為智能工廠首要任務(wù)，將老舊的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行可程序化邏輯控制器(PLC)和傳感器(Sensor)對(duì)接，利用Sensor前端采集資料，可視化的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)通訊設(shè)備將資料傳輸至控制器做實(shí)時(shí)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(shù)，必須在現(xiàn)有的設(shè)備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，利用MCU的高運(yùn)算、小體積、低成本優(yōu)勢(shì)，執(zhí)行硬設(shè)備的通訊、邊緣運(yùn)算、實(shí)時(shí)反應(yīng)和電機(jī)控制等功能，加速推動(dòng)傳統(tǒng)工廠轉(zhuǎn)型。IIoT特性在于擁有靈活高速的通訊網(wǎng)絡(luò)、快速的分散式運(yùn)算能力以及有助提高分析的邊緣運(yùn)算技術(shù)。這些技術(shù)能力缺一不可，用于信號(hào)擷取和驅(qū)動(dòng)控制的PLC，與協(xié)助工廠設(shè)備運(yùn)作的電機(jī)控制系統(tǒng)，在對(duì)系統(tǒng)處理的要求上與日俱增，傳統(tǒng)8-bit MCU已無(wú)法滿足制造商的需求，因此采用32-bit MCU才能達(dá)到更好的性能要求(圖1)。

圖1. AT32 MCU導(dǎo)入IIoT設(shè)備應(yīng)用

目前Arm®處理器內(nèi)核作為工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)中高集成、低成本MCU的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，特別是ARM® Cortex®-M4 32-bit MCU，除了繼承Cortex-M3內(nèi)核優(yōu)勢(shì)，內(nèi)建數(shù)位信號(hào)處理器(DSP)，可選擇附加單精度浮點(diǎn)單元(FPU)，讓Cortex-M4擁有高精度復(fù)雜的運(yùn)算能力，且具有可訪問(wèn)性的優(yōu)勢(shì)，易于開(kāi)發(fā)人員易編寫(xiě)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(wèn)題，將傳統(tǒng)MCU功能簡(jiǎn)化集中至單一芯片，并提供大容量?jī)?nèi)存，靈活彈性運(yùn)用，優(yōu)化系統(tǒng)成本。同時(shí)提供開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)便于工程設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)，帶來(lái)高效處理、實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)分析和安全控制等功能。雅特力專(zhuān)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(nèi)核，在運(yùn)算效能和精度上實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破，超越市場(chǎng)上同級(jí)芯片，AT32 MCU在工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)用中嶄露頭角，表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)時(shí)反應(yīng)和控制

為確保工廠設(shè)備安全和機(jī)器的連續(xù)運(yùn)作，精確的類(lèi)比信號(hào)控制至為關(guān)鍵，必須在規(guī)范的時(shí)間內(nèi)控制信號(hào)，通過(guò)快速處理大量的數(shù)據(jù)，做出實(shí)時(shí)反應(yīng)和控制。特別是在數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用上，因電機(jī)轉(zhuǎn)速快電流頻率高、電機(jī)線圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使電機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。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(diǎn)運(yùn)算，內(nèi)建超大容量4032KB Flash和高達(dá)512KB SRAM，讓CPU能以零等待周期訪問(wèn)(讀/寫(xiě))(圖2)。且內(nèi)嵌自動(dòng)時(shí)鐘校準(zhǔn)(ACC)模塊，ACC可校準(zhǔn)高速內(nèi)部時(shí)鐘HICK 48 MHz，并保證HICK在芯片可操作溫度范圍內(nèi)的最佳準(zhǔn)確度，滿足各種運(yùn)動(dòng)控制和智能控制對(duì)高運(yùn)算力、高精度的需求。

圖2. 零等待Flash映射區(qū)塊簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)復(fù)雜性

AT32 MCU將豐富的外設(shè)如CAN總線、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時(shí)器等外圍元件整合成單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)高階軟件編程進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立在彈性的硬件區(qū)塊上，針對(duì)不同應(yīng)用需求進(jìn)行軟件設(shè)定，具備可擴(kuò)充性和系統(tǒng)兼容性，降低系統(tǒng)復(fù)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(luò)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(kāi)發(fā)環(huán)境、實(shí)時(shí)作業(yè)系統(tǒng)(RTOS)以及通過(guò)雅特力驗(yàn)證的第三方軟件資源，并符合國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定的IEC-60730國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如此強(qiáng)大豐富的資源及便利性，有助于產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)上市。

大容量?jī)?nèi)存提升靈活性

AT32 MCU可搭配標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的擴(kuò)充板，適用于快閃存儲(chǔ)器編程和運(yùn)行控制的內(nèi)置調(diào)試接口，快閃存儲(chǔ)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(guò)先進(jìn)制程技術(shù)，集成更大容量SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，執(zhí)行復(fù)雜的系統(tǒng)代碼與彈性應(yīng)用。AT32F403A/407系列及AT32F435/437系列，提供256~4032KB Flash、96~512KB SRAM超大存儲(chǔ)器選用，靈活應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，如化工、塑料、紡織、包裝、印刷、中央空調(diào)、環(huán)保設(shè)備等生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備(圖3)。

圖3. AT32 M4/M0+ MCU FAMILY提高能源效率

未來(lái)工業(yè)化的設(shè)備將增加更多控制程序和傳感器來(lái)提升安全性，這些都需要大量的計(jì)算能力。例如，設(shè)備上增加異常檢測(cè)功能，在即將發(fā)生災(zāi)難性的故障前，提前進(jìn)行預(yù)防保養(yǎng)，確保設(shè)備發(fā)生故障時(shí)工廠仍能安全地運(yùn)作，減少工廠停機(jī)時(shí)間，并增加多種通訊方式。或是在工廠自動(dòng)化升級(jí)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表和數(shù)據(jù)傳送功能的低功耗電磁流量計(jì)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(lán)牙5.0，集成藍(lán)牙射頻(RF)收發(fā)器與基帶(baseband)功能所組成的無(wú)線通訊型MCU，作為工廠建設(shè)首選;由于工廠設(shè)備需隨時(shí)處在聯(lián)網(wǎng)情況下，能源管理為一大挑戰(zhàn)，須解決低運(yùn)行功耗和低待機(jī)功耗等問(wèn)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(shè)外圍，且擴(kuò)展了1個(gè)采樣率高達(dá)2 Msps的12位ADC，幾乎所有的I/O接口可容忍5V輸入訊號(hào)，適用于高速數(shù)據(jù)采集、工業(yè)及電機(jī)控制，且芯片于待機(jī)模式下可達(dá)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(bào)告預(yù)測(cè)，從現(xiàn)在到2023年，物聯(lián)網(wǎng)微控制器市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到12%，屆時(shí)年收入將達(dá)到近40億美元。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用多偏重工廠環(huán)境設(shè)備與大量遠(yuǎn)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(shí)保持低功耗的電力，也是雅特力MCU一直為之努力的方向。