用ARM架構處理器優化工業控制

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

這種網絡化的集中工業控制模式使得技術人員與工業控制工程師能夠訪問豐富的數據，以便對工廠運營過程進行觀察、微調和優化。工廠廠長與企業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，工廠的每個環節也都是獨立運作的。通過訪問描述工廠實際運營狀態的實時數據，管理人員能夠更好地了解工廠的日常運行情況，并根據實時負載來調整商業策略。

從孤立節點到全面聯網設施已經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，當前工業控制設計的各個方面仍將重點緊密地放在其自身總線、網絡以及控制器的特殊分類上，因此產生了分離的工業控制系統設計。

盡管現在已經有了從上到下統一的聯網工業控制模式，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展為設計人員在統一的工業控制模型下實現創新帶來了良機。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，利用統一的標準處理器內核架構，設計人員不但能夠以極具競爭力的價格獲得最優解決方案，而且還可以通過軟件復用來降低軟件的開發成本，并大幅縮短設計周期。

控制層次

典型的工業控制系統可被描述成一個4層的分層結構：傳感器和致動器，用來監控工業過程、報告狀態信息以及在需要時用來改變狀態；電動機以及諸如電感加熱器之類的其它系統，用來實現生產過程或運作狀態的改變；對傳感器節點傳送的信息進行分析并向驅動系統發出指令以實現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）網絡與可編程自動化控制器（PAC）網絡；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工具的數量，提高可復用代碼總量，并在熟悉的開發環境下進行專項開發。

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勢使ARM架構成為了一個事實標準，為開發穩健、多樣化的、全球第三方軟硬件生態系統奠定了基礎。

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控制各層性能要求的多種處理器內核。內核的革命性發展促進了軟件的兼容性與架構的連續性。從Cortex-M3內核到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具有通信功能的控制系統，這些通信功能僅需一次開發和測試就可運行在多種性能下。需要注意的是，一些ARM內核已集成了支持確定性行為與多任務處理等工業控制功能的硬件。

雖然內核提供了一個不錯的起點，但整合了ARM架構內核的微控制器（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，可簡化開發過程并使代碼復用最大化的專業級軟件開發工具對幫助設計人員實現采用統一架構模型的控制系統具有十分重要的意義。

用來說明ARM內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，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控和觀察工廠車間情況。要實現全面的觀測，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控制系統的方法之一，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據、2D與3D圖形以及由工廠車間監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指標。縮放、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。

與生產車間操作進行高級交互非常重要，其中包括監控攝像機的轉換視圖、需求的請求報告，以及發出改變流程或裝配線的命令。控制臺可輕松接收和處理來自基本控制網絡層的數百個設備的數據。