工業(yè)控制中人機(jī)界面和控制層的應(yīng)用

（文章來(lái)源：OFweek）

在自動(dòng)化設(shè)備中，通過(guò)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，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(guò)點(diǎn)擊顯示器上特定機(jī)械或部位的標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。

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(yǔ)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。控制臺(tái)可輕松接收和處理來(lái)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(lái)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(kù)。

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(guò)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(shuō)，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(lái)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(wú)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(lái)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(guò)去，需要數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)控制與結(jié)點(diǎn)相關(guān)的馬達(dá)，同時(shí)還需要MCU來(lái)處理與系統(tǒng)其它部分的連接?；贑ortex-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(wú)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(wú)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。基于IEEE802.15.4無(wú)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)，它是工業(yè)應(yīng)用的理想選擇?；贑ortex M3的MCU具有執(zhí)行ZigBee協(xié)議以及除無(wú)線電之外所有相關(guān)任務(wù)所需的性能。此外，Cortex M3還通過(guò)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(wèn)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。
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