高效能與低功耗雙軌并進 工業MCU注入智能工廠新動能

要實現真正的智能工廠，必須從全面性的系統化、互聯網化及自動化來著手，藉由智能設備的數據收集、分析、決策，再結合ERP、MES系統整合大數據數據，而其中工業MCU是實現智能工廠的重要關鍵。
物聯網時代，科技日新月異，由德國最早提出的工業4.0，以全面聯網、智能制造為目標，著重于設備互聯性、自動化、機器學習及實時數據等多方面。工業物聯網應用涵蓋整個工業領域，早已深入我們的生活中。
當您穿上知名品牌的跑鞋，在官網上選擇個人喜愛的材質、圖樣和顏色，一雙個人專屬的客制跑鞋直送到家，客制化商品不再是難事，而這些跑鞋的制造過程皆是由機器人生產制造。

工廠自動化帶來提升生產效率，質量穩定，并有效解決有限人力的困境。從產線自動化到智能倉儲系統，生產過程中使用機器人、機械手臂助力，驅動科技快速發展，然而要實現真正的智能工廠，卻不僅僅是導入機器人即可達成「關燈工廠」的夢想，必須從全面性的系統化、互聯網化及自動化來著手，藉由智能設備的數據收集、分析、決策，再結合ERP、MES系統整合大數據數據，以可視化方式具體呈現，使管理者能夠隨時掌握工廠狀態、調整，落地實現智能制造，加速推動工業物聯網發展（圖1）。


 
圖1 : 傳統工廠實現智能工廠發展

在過去，傳統工廠的生產狀態，根據前線員工分散地記錄生產狀況，并且耗時整理報告、等待管理者決策，或許還有人工記錄失誤的可能性，帶給管理者錯誤信息，而管理者憑借過去經驗和假設做出決策判斷，可能會衍伸出更多的問題發生，同時也耽誤排除異常狀況的最佳時機。

要實現傳統工廠自動化，在原有的生產設備上將驅動設備和傳感器串連，透過傳感器采集數據，傳送至可視化設備進行數據分析，讓第一線管理人員可快速排除機臺異常狀態，再透過通訊設備將這些數據傳輸至管理中心，提供給決策者隨時查看工廠狀態，最后回傳到云端管理，形成一個完整的工業聯網。

而工業MCU可以輕易實現上述功效，利用MCU的高運算、體積小、低成本特性，執行硬設備的通訊、邊緣運算、實時反應和馬達控制等功能，在現有的設備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯網設備，加速推動傳統工廠轉型。

過去工廠經常采用8-bit MCU設計機臺設備，然而隨著工業物聯網的蓬勃發展，對系統處理的要求上與日俱增，追求更高速的通訊網絡、快速的分布式計算能力及邊緣運算分析，新興技術創新，傳統8-bit MCU顯然已無法滿足制造商的需求，因此采用32-bit MCU達到更好的性能要求（圖2）。

 
圖2 : AT32 MCU導入IIoT設備應用

Arm處理器作為高整合、低成本MCU的行業標準，經常用于工業及車載應用領域，特別是Arm Cortex-M4 32-bit MCU，不但繼承Cortex-M3內核優勢，內建數字信號處理器（DSP），還可同時選擇附加單精度浮點單元（FPU），讓Cortex-M4除了擁有高精度復雜的運算能力，且具有可訪問性的優勢，開發人員易進行編寫韌體。

Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延遲、精確度及電力管理等，將傳統MCU功能簡化集中至單一芯片，并提供大容量內存，靈活彈性運用，優化系統成本，和透過開發軟件平臺便于工程設計人員開發，帶來高效能、實時控制、通訊網絡、數據分析和安全控制等功能。因此，AT32 MCU以Arm Cortex-M4/M0+32-bit MCU為基礎發展核心，在運算效能和精度上做到技術突破。以下為AT32 MCU在工業自動化中實現各項優勢：

高運算力提升實時反應和控制
為確保工廠設備安全和機器的連續運作，精確的模擬訊號控制為關鍵，必須在規范的時間內控制訊號，透過快速處理大量的數據，做出實時反應和控制。特別是在數十萬轉的馬達驅動應用上，因馬達轉速快電流頻率高、馬達線圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使馬達高效穩定運轉，且作為工業級別的MCU必須在電子元器件性能參數上擁有很高的穩定性，因此高主頻、內存大容量能使CPU能以零等待周期訪問（讀/寫）（圖3），而內建數字信號處理器（DSP）可進行各種復雜訊號分析，以提取傳感器數據。

同時內嵌自動時鐘校準（ACC）模塊，可校準高速內部振蕩器（HICK），保證HICK在芯片可操作溫度范圍內的最佳準確度，滿足各種運動控制和智能控制對高運算力、高精度的需求。


 
圖3 : 零等待Flash映射區塊

先進制程簡化設計組件降低系統復雜性
先進制程提供豐富的外設整合一單芯片系統，如CAN總線、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時器等外圍組件，除多元接口外，包含雙DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太網絡和USB OTG等，皆可提高數據傳輸效率和可靠性；為降低開發難度，透過建立完整的系統生態鏈，包含開發環境、實時操作系統（RTOS）以及第三方軟件刻錄資源，在硬件區塊上進行高階軟件編程設計，對應不同應用需求設定。

而在工業操作安全上，符合國際電工委員會（IEC）制定的IEC-60730國際安全標準規范，并且采用可運行于工業級寬溫度范圍-40~105oC和多種封裝類型選擇，具備可擴展性、可靠度及系統兼容性，強大豐富的資源及便利性，成功降低系統復雜性。

高整合低成本提升性價比
工業MCU可搭配標準規格的擴充板，適用于閃存編程和運行控制的內置調試接口，閃存（QSPI）具備高讀取帶寬，加速高效能嵌入式系統的數據存取及編輯，完成系統的快速編程執行，透過先進制程技術，整合更大容量SRAM進行數據緩存，執行復雜的系統代碼與彈性應用。

對應各種工業自動化控制場域，選擇適當內存容量的Flash與SRAM，且同一芯片上，整合多信道5Msps高速采樣速率的12-bit ADC與整合運算放大器、模擬比較器及12-bit DAC，將有助于降低馬達控制設備建置成本及提升系統穩定性（圖4）。

 
圖4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

低功耗延長電池壽命
在工廠自動化升級中，以無線型BLE MCU實現無線抄表和數據傳送功能的低功耗電磁流量計與電流表，以藍牙5.0雙模規范，內建藍牙射頻（RF）收發器與基帶（baseband）功能，并采用多信道12-bit ADC、內部多總線架構、UART、CAN及CMP等，豐富內建解決傳統MCU功能分散，以一顆MCU取代開發藍牙產品所需諸多組件，節省物料成本、開發人力和提升效率。

當工廠設備需隨時處在聯網狀態，降低運行和待機功耗為首要難題，采用低主頻低功耗Cortex-M0+ MCU可解決此一困境。芯片于待機模式下可達約1uA，深度睡眠模式約20uA，呈現出優異性能功耗。硬件上增添通訊協議CAN、USART、多總線架構，以及擴展了采樣率高達2 Msps的12-bit ADC，幾乎所有的I/O接口可容忍5V輸入訊號，這些關鍵應用組件和功能區塊整合，實現高速數據采集、工業及馬達控制應用需求。

未來工業化的設備將增加多種通訊方式、更復雜的控制程序和傳感器加強支持安全性，這些都需要大量的運算能力。例如，生產機臺上增加異常檢測功能，在即將發生災難性的故障前，提前進行預防保養，確保設備發生故障時仍能安全地運作；并減少設備非計劃性停機時間，提升生產效率。

而工業物聯網的應用偏重工廠環境設備與大量遠距離傳感器的連接，因此需要高速的數據傳輸和數據處理能力，同時保持電力低功耗，對MCU設計商來說，能以最快的速度開發，提供先進的制程技術，帶來高效能、低功耗和高性價比，方能在MCU市場中處于領先地位。