用ARM架構處理器優(yōu)化工業(yè)控制

運營現(xiàn)代化的工廠和加工車間，在技術上都非常復雜。為實現(xiàn)對機械設備和生產(chǎn)過程的精確控制，生產(chǎn)企業(yè)需要采用最新系列的傳感器、致動器以及伺服系統(tǒng)。作為添加技術以獲得精確控制功能優(yōu)勢的范例，各個聯(lián)網(wǎng)與自動化層現(xiàn)已通過連接至IT網(wǎng)絡的控制網(wǎng)絡添加到工廠生產(chǎn)車間，它們可提供商業(yè)信息與策略，這些信息和策略轉而推動生產(chǎn)決策的制定。

這種網(wǎng)絡化的集中工業(yè)控制模式使得技術人員與工業(yè)控制工程師能夠訪問豐富的數(shù)據(jù)，以便對工廠運營過程進行觀察、微調(diào)和優(yōu)化。工廠廠長與企業(yè)高管只需瀏覽一下儀表盤便能全面了解整個工廠的工作效率。

在過去，處理過程都是采用手動控制，工廠的每個環(huán)節(jié)也都是獨立運作的。通過訪問描述工廠實際運營狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，管理人員能夠更好地了解工廠的日常運行情況，并根據(jù)實時負載來調(diào)整商業(yè)策略。

從孤立節(jié)點到全面聯(lián)網(wǎng)設施已經(jīng)歷了若干年的逐漸轉變。這種轉變大多是特定性或無計劃的，當前工業(yè)控制設計的各個方面仍將重點緊密地放在其自身總線、網(wǎng)絡以及控制器的特殊分類上，因此產(chǎn)生了分離的工業(yè)控制系統(tǒng)設計。

盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了從上到下統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制模式，但如果以從下往上的角度去看，也就是從每個部分的中央處理單元來看，就顯得非常零散了。迄今為止，可高效運行在控制底層所有層面上的單個IC處理器架構根本是不存在的。

處理器技術的最新發(fā)展為設計人員在統(tǒng)一的工業(yè)控制模型下實現(xiàn)創(chuàng)新帶來了良機。通過在控制的各個層面對性能、功能及通信要求作仔細分析，利用統(tǒng)一的標準處理器內(nèi)核架構，設計人員不但能夠以極具競爭力的價格獲得最優(yōu)解決方案，而且還可以通過軟件復用來降低軟件的開發(fā)成本，并大幅縮短設計周期。

控制層次

典型的工業(yè)控制系統(tǒng)可被描述成一個4層的分層結構：傳感器和致動器，用來監(jiān)控工業(yè)過程、報告狀態(tài)信息以及在需要時用來改變狀態(tài)；電動機以及諸如電感加熱器之類的其它系統(tǒng)，用來實現(xiàn)生產(chǎn)過程或運作狀態(tài)的改變；對傳感器節(jié)點傳送的信息進行分析并向驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令以實現(xiàn)所需改變的各種控制，包括用來連接設備的可編程邏輯控制器（PLC）網(wǎng)絡與可編程自動化控制器（PAC）網(wǎng)絡；人機界面（HMI）模塊和顯示屏，為工程技術人員提供算法處理過的可視工廠狀況。

直到今天，還沒有一種軟件兼容的處理器架構能夠以高性價比來滿足工業(yè)控制所有4層的需求。設計人員可通過采用一個公共的處理器架構來減少必須購買的軟件開發(fā)工具的數(shù)量，提高可復用代碼總量，并在熟悉的開發(fā)環(huán)境下進行專項開發(fā)。

ARM架構是一種免費授權的開放式架構，因此沒有使用權限的問題。作為一種開放式架構的優(yōu)勢使ARM架構成為了一個事實標準，為開發(fā)穩(wěn)健、多樣化的、全球第三方軟硬件生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎。

作為嵌入式處理領域的領先者，ARM公司提供了能夠滿足工業(yè)控制各層性能要求的多種處理器內(nèi)核。內(nèi)核的革命性發(fā)展促進了軟件的兼容性與架構的連續(xù)性。從Cortex-M3內(nèi)核到Cortex-A8處理器的升級具有完全的軟件兼容性，因而能更輕松地開發(fā)具有通信功能的控制系統(tǒng)，這些通信功能僅需一次開發(fā)和測試就可運行在多種性能下。需要注意的是，一些ARM內(nèi)核已集成了支持確定性行為與多任務處理等工業(yè)控制功能的硬件。

雖然內(nèi)核提供了一個不錯的起點，但整合了ARM架構內(nèi)核的微控制器（MCU）與微處理器（MPU）還必須提供集成外設和存儲器選項的適當組合。隨著工業(yè)控制范疇中的應用不斷增加，這種要求轉變成為一種對大型產(chǎn)品系列的需求，包括各種價格、性能以及功能的解決方案。

最后，可簡化開發(fā)過程并使代碼復用最大化的專業(yè)級軟件開發(fā)工具對幫助設計人員實現(xiàn)采用統(tǒng)一架構模型的控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。

用來說明ARM內(nèi)核的靈活性與應用范圍，以及確定面向分立控制功能的MCU與MPU外設正確組合的最佳方法，就是分析圖1所示的控制層次各層的要求。

圖1：自動化工廠具有4個基本的生產(chǎn)過程控制層

人機界面（HMI）

從處理角度來看，對位于控制層次頂層的HMI要求是最高的。

具備觸摸屏按鈕、滑動條以及基本2D圖形的基本用戶界面可由MCU（例如基于ARM Cortex-M3的MCU）來處理。除此之外，還需要有高級操作系統(tǒng)，并且用戶界面解決方案要從MCU轉變成MPU。

在自動化設備中，通過遠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。要實現(xiàn)全面的觀測，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，就是通過點擊顯示器上特定機械或部位的標簽來進行訪問。

高級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)控攝像機傳送的視頻，而且還可在窗口中顯示重要流程或生產(chǎn)指標?？s放、渲染以及窗口顯示是高級HMI的普通功能。觸摸屏、小鍵盤以及語音均是可選的輸入類型，而所有這一切都需要MPU的接口或外設支持。

與生產(chǎn)車間操作進行高級交互非常重要，其中包括監(jiān)控攝像機的轉換視圖、需求的請求報告，以及發(fā)出改變流程或裝配線的命令?？刂婆_可輕松接收和處理來自基本控制網(wǎng)絡層的數(shù)百個設備的數(shù)據(jù)。