用ARM架構處理器的優化工業控制方案

　　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。

　　從處理器角度來看，在這種高級層面上的互動需要處理器具有內置視頻圖形功能、豐富的I/O選項以及超強的處理能力。同樣，在選擇合適的處理器時，需重點考慮是否提供適當的外設與軟件庫。具備所有上述條件的處理器寥寥無幾，它們都基于ARM Cortex-A8架構。在本文的后面將介紹這些處理器的特定外設、接口以及性能參數。

　　圖2：基于Cortex-A8的Sitara AM35x系列MPU模塊圖

　　控制層

　　工廠控制層一般由許多工作在控制層的PLC組成。PLC收集傳感器數據，并做出是否改變生產過程狀態和是否控制繼電器與馬達以及工廠中其它機械設備狀態的決定。它們可監控并管理分為數百個節點運作的大型I/O網絡。

　　PLC通常要求確定性行為，也就是說，每次I/O行為發生所用的時間(或處理器周期)都完全相同，每次都如此。在對實時確定性行為要求不太嚴格的環境中，一些PLC可利用實時操作系統(RTOS)來減輕基于任務的編程，同時確保系統能夠在特定時間周期內做出響應。

　　ARM Cortex-M3內核的差異化特性之一就是其硬件支持確定性行為。ARM Cortex-M3內核可直接從片上閃存中獲取指令和數據，無需從高速緩存中獲取。這使硬件能夠在出現異常時保存CPU狀態。處理器在接收到外部中斷后將控制權轉交給中斷處理程序只需12個周期，而背對背中斷(即尾鏈)將控制權轉交中斷處理程序只需6個周期。

　　從設計角度來看，Cortex-M3內核的內置確定機制使得采用單個MCU取代馬達控制的雙芯片解決方案成為可能。過去，需要數字信號處理器(DSP)來控制與結點相關的馬達，同時還需要MCU來處理與系統其它部分的連接。基于Cortex-M3的MCU具有實現上述兩種功能的能力。

　　確定性性能的硬件支持能夠與為支持確定性而設計的網絡協議實現最佳協作。具有高時間精確度的IEEE1588精確時間協議(PTP)可提供這種特性并具有多點傳送功能。從自動化設計的角度看，這就意味著為IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太網是非常重要的外設。在一些更高端可編程自動化控制器(PAC)實例中，千兆位以太網的需求也隨數據傳輸量的提升不斷增加。

　　工廠自動化系統中另一種普遍使用的通信方法是可實現分布式與冗余系統設計的控制器局域網(CAN)協議。

　　無線網絡現已成為PLC、傳感器以及其它節點級設備聯網的趨勢。WLAN(無線以太網)常被用于PLC與PAC之間的通信。

　　德州儀器(TI)Sitara系列ARM微處理器在芯片上集成了面向WLAN的以太網MAC、CAN以及SDIO，并擁有支持網絡協議的必要性能。

　　在傳感器層面上，ZigBee協議正在獲得認可。基于IEEE802.15.4無線電規范的ZigBee采用網狀網絡技術創建穩健的自配置網絡CONTROL ENGINEERING China版權所有，它是工業應用的理想選擇。

　　基于Cortex M3的MCU具有執行ZigBee協議以及除無線電之外所有相關任務所需的性能。此外www.cechina.cn，Cortex M3還通過支持auto-MDIX處理10/100 Base T以太網通信(全雙工及半雙工)。

　　TI基于ARM Cortex-M3的Stellaris系列MCU具有片上集成以太網PHY與MAC的更多顯著優勢，不但比雙芯片解決方案節省成本，而且還可節省電路板空間。對于要求性能高于10/100以太網的設計而言，設計人員應該選擇基于Cortex-A8的MPU，如TI Sitara系列。

　　Cortex-M3內核針對片上閃存及SRAM的單周期訪問進行了優化，可實現設計人員之前在MCU中一直不能達到的高性能。由于50MHz Stellaris Cortex-M3 MCU具備單周期閃存與單周期SRAM，因此相比運行在100MHz下的其它MCU，設計人員采用運行在50MHz下的Stellaris MCU能獲得更多的原始性能。

　　設計問題

　　處理器內核選擇的一個重要判定點就是看它能否提供加速產品上市的軟件，其中包括操作系統、庫以及通信協議棧。

　　圖形需求通常是選擇操作系統的主導因素。控制應用不但需要2D或3D圖形、視頻流以及更高的顯示分辨率，通常還需要功能齊全的RTOS、Embedded Linux或Windows Embedded CE操作系統，并將通過功能強大的處理器在家庭中得到應用，這些基于ARM9或Cortex-A8核(如Sitara ARM MPU中采用的)的處理器包含完整的存儲器管理單元(MMU)。

　　可處理文本文件、2D基本圖元以及QVGA JPEG圖像的智能顯示模塊通常處于Cortex-M3 MCU的上限。Cortex-M3內核具有存儲器保護單元(MPU)，有助于小型RTOS與輕量級linux內核(如RoweBots的Unisom內核)的高效使用。

　　ARM 架構的優勢之一就是前文提到的強大生態系統。這可帶來數目眾多的第三方認證通信協議棧，其中包括工廠自動化環境所需的專用工業通信協議棧。TI Stellaris MCU可通過提供StellarisWare軟件加速產品上市進程，該軟件提供了各種外設驅動程序庫、圖形庫、USB庫(用于支持USB Device、USB Host和USB OTG)、啟動加載程序支持以及可在工業應用中實現設備診斷的IEC 60730自檢庫。