現代工業環境中微控制器的高速發展
http://www.debgrams.com 2009-04-02 11:26 來源：廣州市雷子克電氣設備有限公司
就微控制器在行業中的設計和應用來說，沒有哪個行業像工業自動化和控制領域發展得如此迅速。由于中國及亞洲其它地區主要制造工廠自動化程度的提高，新技術被用來提高效率，因此對制造成本以及產品成本有重要的影響。盡管集中控制可以改善任何特定制造工藝的整體可視性，但是可能并不適合那些響應延時和處理延遲會導致故障的一些關鍵應用。
本文將介紹這種關鍵應用的幾個實例，對于智能和處理能力增加到接近工藝節點的應用，會大大的影響效率和可靠性的改善。新的系統級芯片設計提供必要的智能來實現關鍵的加工測量和這些參數的控制。本文還將討論幾種SoC設計中特殊的改進，解決當今快速增長的工業領域中設計和選擇微控制器所面臨的設計挑戰以及相關的解決方案。
從歷史的角度來看，主要依靠那些具有非常有限制造知識的手工業者來制造商品的時代并不遙遠，例如鞋、帽子、衣服、器皿以及其它物品。產品的質量和數量取決于特定手工業者的技能和這個行業的人數。最初的生產線實現了產量的增加，隨之而來的是提高了產品的質量。任何指定產品的制造被分割成簡單的分離步驟，每個步驟由生產線上的一個工人重復地處理，然后這個工人再將半成品轉送到下一個操作者。每一
個操作人員僅僅接受針對某個特定步驟有限的培訓，整體的處理流程由領班或主管負責。使用不熟練的或半熟練的勞力就可以確保質量、數量的快速提高，以及消費產品的可用性。
這些手工業者和早期組裝線操作人員的分離步驟在之后實現了機械化，這實現了從人力資本(人)到控制正在日益中央化的本地機械化工藝流水線的轉移。隨著中央控制的增加，任何特定工藝步驟的可視性(特別是在早期)越來越低，中央控制指令發布到實際執行的延時變得越來越長。某些時候，作為集中控制相關的響應時間延時的產生和影響的函數，整個工藝的吞吐量的影響比每個單獨的工藝步驟的限制還要大。
當前的工藝優化策略包括從模擬到數字I/O(傳感器和驅動器)的轉化、分離工藝步驟的銜接，以及從單一的集中控制拓撲到一個分布式的拓撲結構遷移。由于智能的需求需要更進一步靠近工藝節點以及每個步驟/任務，大型的通用工作站以及處理器讓位于更專用的解決方案，例如微控制器和FPGA實現。
隨著更多的處理和判決的實現脫離本地，以及客戶服務器中央控制模型變成一個類似“對等”的分布式模型，這就需要向更先進的混合信號SoC發展。像PLC和I/O模塊、溫度/工藝控制器、CNC機床這樣的設備類型，以及例如流量/高度測量、編碼器/解析器、測量儀/指示器/極限報警、電機保護以及斷路器等其它應用，將成為進一步改進本地智能的主要應用，這些將以單芯片的形式實現，這些單芯片中將集成多通道、混合信號A/D轉換以及專用的h/w處理和輔助的MCU系統管理。
利用PLC和I/O模塊、電機驅動控制器和多軸控制器的一個實例是典型的包裝應用，這種應用包括一個用于卷繞材料的退繞輥子、一個用于傳送需要包裝物品的進料裝置，以及一些封口位置和一個完成包裝后移走物品的傳送裝置。
當被包裝材料的注冊信息比較差、包裝材料的張力不一致以及封裝較差時，這種系統的開環控制通常導致低的吞吐量(效率)和較差的質量。最終的結果就是因為額外的QA檢查、監控以及產品損壞而增加了單位成本，且不說連續監控所增加的額外人力成本(見圖1)。
圖1：工業控制中的開環系統示意圖
相同系統的閉環作業將增加參數的監控和反饋功能，例如輥子的扭矩、速度和輥子上剩余材料的數量(長度)、進料和出料傳送裝置的速度/張力、封口輥子的溫度和壓力、待包裝產品的注冊/定位以及任何一個關鍵單元的震動。上面例子中主電機驅動函數(速度、張力和位置)的控制可以看成是一個伺服系統，可以通過增加像溫度和振動這類的二次測量來實現。
在伺服系統中，通過位置、速度/角速度和電流環實現閉環操作(見圖2)。
圖2：在伺服系統中，通過位置、速度/角速度和電流環實現閉環操作
位置環路通過輸出一個帶有由編碼器或解析器提供的旋轉角度反饋信息的速度/角速度命令，使電機的旋轉角度能達到所要求的位置。速度環路通過環路中的這一部分來控制由位置環路所設定的電機旋轉速度，環路由來自編碼器或解析器的反饋數據來關閉。速度環路輸出是電流環路的輸入，它為電機提供實現指定位置和速度的電流。電機電流值被反饋到電流環路，將命令和響應值之間的差值盡可能地減小到零。Teridian公司獲得專利的單轉換器技術架構和應用在其用于測量單相或多相功率測量的能量測量器件71M651x系列中的技術非常適用于這些類應用要求的高精度電流測量。
一種用作斷路器和繼電器保護的漏電跳閘器的新器件——71M6403也非常適合上面談到的包裝應用中的電機保護。利用Teridian公司的專利的單轉換器技術，71M6403集成了22位的Δ-∑ ADC、6主1次的電流傳感器輸入、數字溫度補
償、精確的電壓基準、32位的可編程計算引擎、定時器、實時時鐘(RTC)、兩個UART和一個單周期執行 8位MCU。
采用內置的數字di/dt積分器，這種可編程器件支持電流變換器或者Rogowski線圈，用于任何或所有輸入通道，并提供瞬態和延時的過電流、地泄漏、接地故障、電弧故障保護功能。而且，器件可能被配置成支持數量任意的、能夠適于現場特定負載的傳統和慣用保護算法。可編程32位計算引擎(CE) 接收和處理來自22位A/D轉換器的所有傳感器數據，同時獨立于8位MCU運行，8位MCU負責處理更高的系統層面的管理和通信任務。這種混合信號測量子系統的分離以及管理子系統能夠提供高速度、高可靠性和優異的動態范圍，沒有外部中斷或不必要的處理開銷。
整合一個多路復用輸入到22位Δ-∑ A/D轉換器，實現了最低成本，還改善了增益一致性、偏移一致性、降低了串擾并增強了設計靈活性。此外，Teridian公司的71M8100測量控制器器件利用相同的高性能架構開發，能夠共享很多相同的功能，此外還有三個輸入可以被用于感測和控制二級參數，例如溫度、振動、流程、壓力和濕度等。
總而言之，通過利用更專用的SoC
解決方案來實現閉環系統，降低了延時時間，工藝流程智能和控制可以從集中模式轉移到分布模式，不僅提高了效率和質量，還相應地降低了單位成本。進一步講，出現了進一步提高工業自動化、保護和控制的創新機會，并且可以用相同的基本芯片級架構來解決。（作者：Teridian Semiconductor Tom Kapucija）
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