鑒于工業 4.0 和工業自動化的大規模發展，現代智能工廠已經呈現出更快的分布式計算、更快的靈活聯網以及邊緣更加智能等特征。制造機器人、機械輔助和互聯工廠的設計人員通過整合先進的實時計算、泛在網絡和邊緣分析功能，可添加工業通信、功能安全和預測性維護等特性。實現上述發展需要在實際設備和云之間建立無縫連接，因此推動了技術在多個領域的同時應用。圖 1 表明在自動化工廠中，實時控制、工業聯網和邊緣分析可有效提高效率和生產力。

下面介紹了用于實現工業自動化的三大關鍵技術支柱。本文介紹了德州儀器 (TI) 的 Sitara? AM2x 微控制器 (MCU) 如何解決傳統 MCU 的性能問題，從而滿足實時控制、聯網和分析需求。

1.工業自動化的技術支柱

隨著人們對實時計算、靈活快速聯網和邊緣分析的需求越來越高，他們比以往更加需要提高性能。

2.高性能 MCU 在現代工廠中的作用

傳統 MCU 的功能已經無法滿足工廠對更高性能的需求?，F代工廠需要提高性能水平來滿足日益增長的自動化和智能需求。

3.Sitara AM2x 產品系列基礎知識

借助各種片上功能，Sitara AM2x MCU 可幫助實時控制和邊緣系統的設計人員在不增加復雜性的情況下打破性能界限。

實時控制

由于系統對時間的要求很嚴格，因此在進行實時控制時，系統需具有原始數據處理能力，并能在要求的精確時間內控制信號。對模擬信號進行精確控制非常關鍵，該過程可利用改進的控制算法來提高電機驅動器的可靠性和電動汽車的效率。因此，上述改進算法的處理需求已經超出了傳統 MCU 的功能范疇。

工業聯網

工廠需要進行不同類型的數據交換，因此必須快速采用多種工業以太網標準，從而支持在各機器之間進行實時通信。只有實現這種連接，才能提高系統性能、安全性和可靠性。系統設計人員正在尋求這樣的集成網絡解決方案：不僅兼容多種不同的協議標準，而且工作速率高達 1Gbps。

邊緣分析

正如系統級連接可實現實時通信一樣，機器學習算法的改進可促進局部優化，即每個機器或節點無需等待集中式決策即可執行操作。邊緣處理可顯著縮短響應時間，從而實現更好、更安全的人機協作。

高性能 MCU 在現代工廠中的作用

正如一個鏈條的堅固程度取決于其最薄弱的環節，模數轉換的可靠性也不例外，但在這一鏈條中，MCU 是經常被忽視的元素。在電機控制和機器人等許多工廠系統中，這種名不見經傳的處理器監督著模數轉換和數模轉換過程，但是，人們的高性能計算和控制需求對處理器的功能提出了更多要求。

TI 的 Sitara AM2x MCU 提高了 MCU 的性能水平，可滿足工廠日益增長的自動化需求。該產品系列將處理器級計算與 MCU 典型的高能效簡易封裝和高集成度集為一體，適用于需要精確實時控制的應用，還進一步實現了邊緣分析和實時多協議聯網等新功能，這些功能是提升工廠效率和智能水平的核心所在。

Sitara AM2x MCU 的核心構建塊：處理內核、網絡、模擬集成、信息安全和功能安全特性以及定制加速模塊。

Sitara AM2x MCU 系列的第一款器件是 AM2434，如圖 3 所示。該器件包含多種基礎特性，具有四核 R5F處理子系統、靈活的工業網絡引擎（工業通信子系統[ICSS]）、緊密耦合的模擬外設和支持最新加密標準的安全引擎。

Sitara AM2x MCU 產品系列基礎知識

將 Sitara AM2x MCU 的功能塊歸為幾個不同的類別，有助于說明這些器件如何為三大關鍵技術支柱實現更高的性能。組合使用上述功能塊而實現的片上系統可提供突破性的性能和超低功耗。

高能效處理

第一個功能塊開啟了新的可能性，即多達四個低功耗 Arm? MCU 內核均可達到 800MHz 的工作頻率。高能效處理通過啟用改進算法，可提高實時控制系統的性能。例如，電機控制系統可通過測量振動幫助防止磨損和減少能耗，還可通過添加異常檢測功能來檢測即將發生的災難性故障。這些新特性需要大幅提高計算能力，而傳統 MCU 由于其時鐘速率較低而無法滿足要求。

高性能多核處理是 Sitara AM2x MCU 架構的核心功能，可提供性能、效率和靈活性的優勢組合。利用從單核直到四核的靈活擴展以及從 400MHz 至 1GHz 的速率提升，您可在不降低延遲性能的情況下向應用添加功能。當四個 R5F 內核均在 800MHz 頻率下運行時，AM2434 MCU 可提供高達每秒 6,400 個實時

Dhrystone 百萬條指令的計算能力，從而實現實時控制。該器件的多核架構還支持在多個不同的內核之間擴展運算，從而簡化不同功能以不同時間間隔運行的軟件調度。例如，將實時控制與網絡分離可降低給定內核的中斷次數，還可更輕松地對所有操作進行精密制。

多協議網絡

網絡已成為下一代智能工廠的關鍵要素，但隨著當前使用多種標準以及 1Gbps 網絡的推進而變得復雜化。 集成的可編程網絡加速模塊可以幫助實現支持多協議的廣泛工業網絡方案。傳統 MCU 不能與上述多種協議進行互操作，因此設計人員必須使用外部通信設備，這使得設計的成本和功耗增加。

Sitara AM2x MCU 集成了 TI 的 ICSS，后者是一款可編程的靈活、千兆位網絡引擎。除了工業工具套件軟件外，ICSS 可實現對以下工業協議的開箱即用型連接：PROFINET? IRT、以太網/Internet Protocol?、EtherCAT? 和 IO-Link。上述集成無需使用額外器件，即可輕松實現工廠連接。

高級模擬集成

高級模擬集成是 Sitara AM2x MCU 架構的另一個重要方面，可提供高分辨率脈寬調制器 (PWM) 和模數轉換器 (ADC) 等專用的模擬和控制外設。這些外設對于實現性能提升（如提高電機穩定性或能效）至關重要。與 TI 其他采用單個集成解決方案的產品相比，全新的產品系列采用了先進的模擬設計。集成上述特性可簡化系統設計，減少對其他元件的需求，降低成本并加速產品上市時間。集成的 ADC 和 PWM 可提高整體控制精度并降低延遲，從而實現低至 3μs 的控制周期時間。

處理加速器

許多應用具有非常專業的計算要求，可通過集成定制加速模塊滿足這些要求。例如，用于駕駛輔助的雷達處理系統需要每微秒計算多個快速傅里葉變換，這無疑是可編程內核的艱巨挑戰。旨在支持雷達處理的器件需要專用加速器來緩解計算壓力。另一個例子是機器學習，其中推理引擎的每秒計算量特別大，可能也需要加速模塊支持。添加定制加速模塊可提供超越標準微處理器內核性能的專用處理塊，從而無需大幅增加成本或功率，即可將上述應用的系統性能提高 10至 100 倍。

集成的安全特性

隨著越來越多的系統實現互聯，增強安全性的必要性也與日俱增。在系統范圍內，器件必須包含保護功能，以降低出現安全漏洞的可能性，并符合最新的加密標準。在設計之初，Sitara AM2434 MCU 在可編程安全密鑰和靈活的防火墻配置方面，就特別關注可提高系統安全性的系統級片上系統設計。隨著安全標準的發展，Sitara AM2x MCU 架構趨于靈活，可通過適當調整持續符合最新標準。

片上系統設計還需符合工業和汽車行業要求的安全標準，如汽車安全完整性等級 (ASIL)-D 和 SIL-3。而且片上系統設計支持系統級安全解決方案，開發人員不僅能將集成的 M4F 內核用作系統看門狗，還能在不間斷運行的情況下對器件的其余部分進行預設。網絡外設還可獨立于主 Arm Cortex?-R5F 處理器運行，實現無縫的重新啟動。

電源效率

許多要求實時控制的系統在很高的環境溫度下運行，無冷卻氣流用于降溫。在許多電機驅動系統和電動汽車中，環境溫度可高達 85°C，電子器件幾乎無法散熱。因此，應特別注意上述環境中處理器的功率和能效。

Sitara AM2x MCU 產品系列借助功耗小于 1W 的AM2434 MCU 等器件，可顯著提高功效，同時仍提供所有集成和計算性能。因此，該器件可在非常高的溫度下可靠運行，無需冷卻風扇或成本高昂的散熱器。

結束語

很明顯，更高的靈活性和性能趨勢正在突破當前MCU 的限制。對于設計實時控制和邊緣系統的設計人員而言，在不增加復雜性的情況下打破性能界限是一項挑戰。Sitara AM2x MCU 系列打破了上述性能界限，將引發第四次工業革命。該系列器件旨在優化當前系統，足以靈活滿足未來系統的未知需求。