高级微控制器正在帮助构建自动化新范式

   自动化正在改变我们的日常生活，如果您对这一点还心存疑惑的话，那么西雅图新开张的 Amazon Go 商店可以让您打消这种疑惑。与许多其他商店一样，这家商店主要出售生鲜产品，但两者存在一个基本差异：客户无需将产品拿到收银台付款。他们只需步入商店，选择需要的商品，随后即可扬长而去。

在线零售巨头亚马逊表示，该公司花费了四年时间才将 Amazon Go 推进到目前的测试阶段，这家商店即将向拥有亚马逊帐户并安装了相关智能手机应用的所有客户开放。客户只需在进入商店时扫一下手机屏幕即可。在他们离开商店时，购买款项将自动从亚马逊账户扣取。系统甚至能够检测货架上的商品何时更换。

这种自动化程度在消费零售店是前所未有的，但在短短几年内，它将很可能成为普遍现象。自动化的发展不会止步于此。

亚马逊表示，在西雅图商店里部署的技术源自于目前集成在自主驾驶车辆中的相同技术：深度学习、机器视觉和传感器融合。

随着物联网延伸到工业、医疗、汽车和零售行业，云的重要性日益凸显。毫无疑问，大多数处理都在亚马逊的云服务中进行，但越来越多的云服务提供商提供了类似的技术。Microsoft 推出了 Azure 平台，也许他们是亚马逊在这个领域的最大竞争对手，但还有很多已经成功地为工业提供了云服务的公司，包括自主驾驶汽车制造商。

自动化很可能不断扩张下去，并有很多方式，将比工业物联网或所谓的工业 4.0 来得更重要，因为工业自动化正在简化许多日用品的制造。

Amazon Go 已经因为使用技术代替收银台员工而遭受诟病，但残酷的现实是，他们下一步还很可能使用机器人为货架补货。这可能对就业市场产生更大压力，它无疑将会迫使劳动力转移到更加需要技能、不易实现自动化的岗位。这种自动化程度必将给我们的社会带来转变，但也需要更高程度的本地处理能力。它会产生对“边缘处理”的需求，也就是我们现在所说的“雾计算”。

将信息存储在云中，有一个不可避免的弊端就是它会产生延迟。在物联网领域，特别是在自动化方面，延迟通常是个大问题。我们以家庭自动化为例。如果在按下电灯开关与电灯打开之间存在明显的延迟，消费者就会不太情愿使用。在自动化涉及自主对象的情况下，例如货架补货机器人，延迟可能导致使用机器人变得不切实际。

因此，目前实现 Amazon Go 和自主驾驶车辆的相同技术将必须也在边缘设备上实现。就雾计算而言，可以在本地网关中，也可以是在设备本身中。

延迟是因为带宽限制和处理速度而导致的，因此在接近边缘设备的位置实现这些技术具有诸多优势。出于这个原因，很多领先的半导体供应商正在积极解决这个问题。

嵌入式控制是微控制器数十年来一直使用的技术，虽然“自动化”的定义在快速演进，但可配置器件一直是它的核心。今天，为响应所有行业不断提升的自动化要求，越来越多的高集成度器件也将自动化应用领域作为目标市场。

TMS320F2837xD 系列微控制器是 Texas Instruments’ Delfino™ 产品系列的成员，它采用多核架构，在闭环控制应用中拥有空前强大的性能。闭环控制是工业驱动系统的基本部分，在自动化方面扮演了非常关键的角色。它们可以执行更加高效的复杂控制算法，建立对系统的更严密控制。由于控制对自动化系统至关重要，因此计算性能越强越好。高性能总是有利有弊，因此半导体供应商正在努力开发在架构级别上提升性能的器件，正如双核 Delfino 器件那样。

虽然被称为双核微控制器，但称其为多核器件更加准确。它们基于 TI 的 32 位 C28x 浮点单元，采用双重实时控制子系统，能够在 200 MHz 频率下运行（图 1 所示为 TMS320F2837xD 框图）。所有子系统都有独立的实时 32 位协处理器，称为控制律***或 CLA。每个 CLA 都能在 200 MHz 频率下同步执行，因为这样可以有效地将每个子系统的性能提高一倍。这样还可将时间关键型功能转移到 CLA 上执行，而让主内核执行其他功能。

图 1：Texas Instruments 提供的双核 Delfino 使用创新架构技术，以提高在控制和自动化应用中的实时性能。

每个 CLA 都有自身的总线结构和管线（请参见图 2），能够执行八个特定任务中的一个。每个任务都按照优先级次序完成，完成后再启动下一个任务。任务可在软件中触发，或由外设触发。

图 2：Delfino 的控制律***协处理器可将每个子系统的性能提高一倍。

每个子系统都采用其他创新架构技术，包括三角数学单元 (TMU) 和 Virterbi/复杂数学单元 (VCU-II)。TMU 可加快在变换和扭矩回路计算中使用的三角运算的算法，VCU 则可加快通常在编码应用中使用的复杂函数的计算。

该器件集成了 24 个带增强功能的 PWM 通道和 16 个高分辨率 PWM 通道。这些外设非常适合用于实现三相永磁同步电机的多轴驱动和传感 FOC（磁场定向控制）。

作为 TI 的 C2000 微控制器系列的成员，双核 Delfino 器件受到 controlSUITE™ 软件环境的支持，该环境包括用于实现电机控制、数字电源、太阳能和 LED 照明应用的代码库。

任何级别上的自动化都要依赖于分布式系统的不同部件之间的高速通信接口。广泛用于提供通信的接口和协议是 EtherCAT®，全称“用于控制自动化技术的以太网”。早在物联网和工业 4.0 兴起之前，EtherCAT 就已在 2003 年推出。如今，它却成了两者的使能技术。它提供短周期时间、低抖动和精确同步，这些优点使得它非常适用于机器人、制造和自动化组装系统。它采用单主、多从拓扑，旨在保证实时性能，其理论数据速率超过 100 MB/s。

当前很多微控制器都集成了 EtherCAT 接口的各方面特性，但只有一个系列产品能够宣称率先在基于 ARM® Cortex®-M4 的微控制器上集成了完整 EtherCAT 节点，也就是 Infineon 提供的 XMC4000 系列。具体来说，EtherCAT 集成在该系列的成员 XMC4300 和 XMC4800 中。

如图 3 所示，XMC4300 搭载了几个通信模块以及 EtherCAT 从接口，包括 Ethernet MAC、USB、CAN 和 UART。它还专门添加了多个外设来支持工业控制，包括捕获/比较单元、看门狗定时器、核芯温度传感器、实时时钟模块和系统控制单元。

XMC4300 能够并行运行所有主要 EtherCAT 协议，包括 Standard EtherCAT、Safety over EtherCAT 和 Ethernet over EtherCAT。

图 3：Infineon 提供的 XMC4300 是业界首个集成了全 EtherCAT 节点的微控制器。

与其他竞争器件相比，XMC4300 和 XMC4800 器件的差异在于它们的集成度。具体来说，XMC4300 集成了支持 EtherCAT 所需的全部存储器和时钟生成功能，而竞争产品可能需要外部存储器或石英时钟生成器，甚至同时两者都需要。这种高集成度可以显著降低 BOM 成本、PCB 面积和设计复杂度。Infineon 的 XMC4300 包括混合信号外设，包括两个 8 通道 12 位 ADC 和一个 2 通道 12 位 DAC。

这款器件的另一大优点是高带宽 32 位总线将 EtherCAT IP 连接到 CPU。与分立式解决方案相比，它具有明显优势，因为分立式解决方案使用了外部微控制器，从而限制了数据传输的带宽（通常为 8 位或 16 位接口）。

深度学习、机器视觉、传感器融合等创新技术在工业、医疗、消费和汽车行业建立了新范式。高度集成的高级微控制器现在能够针对更广泛的应用，将该范式的基本控制和自动化功能集成到单个器件中。

雾计算和在边缘设备处理为基于云的服务提供了进一步补充。像 TI 的双核 Delfino 系列和 Infineon 的 XMC4300 这样的器件将会进一步驱动创新，支持更加广泛的自动化。