物聯(lián)網(wǎng)所談?wù)摰淖h題是一個(gè)大方向，往應用細分又可分為智慧城市、智慧交通、智慧醫療、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)等，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的概念是密不可分的，著(zhù)重于互聯(lián)性、自動(dòng)化、機器學(xué)習及實(shí)時(shí)數據等多方面。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是現今除了消費性應用以外，對于實(shí)現物聯(lián)生活使用范圍最廣的，涵蓋領(lǐng)域包含整個(gè)工業(yè)應用。
工廠(chǎng)自動(dòng)化帶來(lái)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升，并有效解決了有限人力的困境。從產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化到無(wú)人車(chē)搬運系統，再加上機器人、機械手臂助力，驅動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。然而要實(shí)現真正的智能工廠(chǎng)，對于很多企業(yè)來(lái)說(shuō)還是任重而道遠。在傳統工廠(chǎng)尚未進(jìn)行數字化轉型前，僅能依照第一線(xiàn)員工分散記錄生產(chǎn)狀況，制作表格整理數據，管理者憑借過(guò)去經(jīng)驗和假設做出決策判斷。這樣耗時(shí)耗力地組織整理報告、等待管理者決策，往往耽誤了排除問(wèn)題的最佳時(shí)機。
傳統工廠(chǎng)升級為智能工廠(chǎng)首要任務(wù)，將老舊的機器設備進(jìn)行可程序化邏輯控制器(PLC)和傳感器(Sensor)對接，利用Sensor前端采集資料，可視化的設備進(jìn)行數據分析，通過(guò)通訊設備將資料傳輸至控制器做實(shí)時(shí)監控，最后回傳到云端管理，形成完整的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)。然而要做到這樣的技術(shù)，必須在現有的設備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯(lián)網(wǎng)設備，利用MCU的高運算、小體積、低成本優(yōu)勢，執行硬設備的通訊、邊緣運算、實(shí)時(shí)反應和電機控制等功能，加速推動(dòng)傳統工廠(chǎng)轉型。IIoT特性在于擁有靈活高速的通訊網(wǎng)絡(luò )、快速的分散式運算能力以及有助提高分析的邊緣運算技術(shù)。這些技術(shù)能力缺一不可，用于信號擷取和驅動(dòng)控制的PLC，與協(xié)助工廠(chǎng)設備運作的電機控制系統，在對系統處理的要求上與日俱增，傳統8-bit MCU已無(wú)法滿(mǎn)足制造商的需求，因此采用32-bit MCU才能達到更好的性能要求（圖1）。
圖1. AT32 MCU導入IIoT設備應用
目前Arm®處理器內核作為工業(yè)和汽車(chē)系統中高集成、低成本MCU的行業(yè)標準，特別是ARM® Cortex®-M4 32-bit MCU，除了繼承Cortex-M3內核優(yōu)勢，內建數位信號處理器(DSP)，可選擇附加單精度浮點(diǎn)單元(FPU)，讓Cortex-M4擁有高精度復雜的運算能力，且具有可訪(fǎng)問(wèn)性的優(yōu)勢，易于開(kāi)發(fā)人員易編寫(xiě)軟件。
Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延遲、精確度及電力管理等問(wèn)題，將傳統MCU功能簡(jiǎn)化集中至單一芯片，并提供大容量?jì)却?，靈活彈性運用，優(yōu)化系統成本。同時(shí)提供開(kāi)發(fā)軟件平臺便于工程設計人員開(kāi)發(fā)，帶來(lái)高效處理、實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò )通訊、數據分析和安全控制等功能。雅特力專(zhuān)注于32位微控制器研發(fā)與創(chuàng )新，采用ARM® Cortex®-M4高效能或M0+低功耗內核，在運算效能和精度上實(shí)現技術(shù)上的突破，超越市場(chǎng)上同級芯片，AT32 MCU在工業(yè)自動(dòng)化運用中嶄露頭角，表現出一定的優(yōu)勢。
為確保工廠(chǎng)設備安全和機器的連續運作，精確的類(lèi)比信號控制至為關(guān)鍵，必須在規范的時(shí)間內控制信號，通過(guò)快速處理大量的數據，做出實(shí)時(shí)反應和控制。特別是在數十萬(wàn)轉的電機驅動(dòng)應用上，因電機轉速快電流頻率高、電機線(xiàn)圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使電機高效穩定運轉。例如，雅特力推出的AT32F435/437系列MCU，采用最高主頻288MHz，支援FPU浮點(diǎn)運算，內建超大容量4032KB Flash和高達512KB SRAM，讓CPU能以零等待周期訪(fǎng)問(wèn)（讀/寫(xiě)）(圖2)。且內嵌自動(dòng)時(shí)鐘校準(ACC)模塊，ACC可校準高速內部時(shí)鐘HICK 48 MHz，并保證HICK在芯片可操作溫度范圍內的最佳準確度，滿(mǎn)足各種運動(dòng)控制和智能控制對高運算力、高精度的需求。
AT32 MCU將豐富的外設如CAN總線(xiàn)、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時(shí)器等外圍元件整合成單片機系統，通過(guò)高階軟件編程進(jìn)行最優(yōu)化設計，建立在彈性的硬件區塊上，針對不同應用需求進(jìn)行軟件設定，具備可擴充性和系統兼容性，降低系統復雜度。除上述多元接口外，還包含雙DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太網(wǎng)絡(luò )和USB OTG等，提高資料傳輸效率和可靠性；并建立完整的系統生態(tài)鏈，包含開(kāi)發(fā)環(huán)境、實(shí)時(shí)作業(yè)系統(RTOS)以及通過(guò)雅特力驗證的第三方軟件資源，并符合國際電工委員會(huì )(IEC)制定的IEC-60730國際安全標準規范，如此強大豐富的資源及便利性，有助于產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)上市。
AT32 MCU可搭配標準規格的擴充板，適用于快閃存儲器編程和運行控制的內置調試接口，快閃存儲器(QSPI)具備高讀取頻寬，加速高效能嵌入式系統的資料存取及編輯，完成系統的快速編程執行，通過(guò)先進(jìn)制程技術(shù)，集成更大容量SRAM進(jìn)行數據緩存，執行復雜的系統代碼與彈性應用。AT32F403A/407系列及AT32F435/437系列，提供256~4032KB Flash、96~512KB SRAM超大存儲器選用，靈活應用于各種工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，如化工、塑料、紡織、包裝、印刷、中央空調、環(huán)保設備等生產(chǎn)機械設備(圖3)。
圖3. AT32 M4/M0+ MCU FAMILY
未來(lái)工業(yè)化的設備將增加更多控制程序和傳感器來(lái)提升安全性，這些都需要大量的計算能力。例如，設備上增加異常檢測功能，在即將發(fā)生災難性的故障前，提前進(jìn)行預防保養，確保設備發(fā)生故障時(shí)工廠(chǎng)仍能安全地運作，減少工廠(chǎng)停機時(shí)間，并增加多種通訊方式?；蚴窃诠S(chǎng)自動(dòng)化升級中，實(shí)現無(wú)線(xiàn)抄表和數據傳送功能的低功耗電磁流量計與電流表，節省人力資源和提升效率。AT32WB415系列采用低功耗(BLE)藍牙5.0，集成藍牙射頻(RF)收發(fā)器與基帶(baseband)功能所組成的無(wú)線(xiàn)通訊型MCU，作為工廠(chǎng)建設首選；由于工廠(chǎng)設備需隨時(shí)處在聯(lián)網(wǎng)情況下，能源管理為一大挑戰，須解決低運行功耗和低待機功耗等問(wèn)題，AT32L021系列將于2022下半年推出，主頻采用72MHz，片上集成了豐富的外設外圍，且擴展了1個(gè)采樣率高達2 Msps的12位ADC，幾乎所有的I/O接口可容忍5V輸入訊號，適用于高速數據采集、工業(yè)及電機控制，且芯片于待機模式下可達約1uA，深度睡眠模式約20uA的優(yōu)異功耗表現。
根據Market Research Future分析報告預測，從現在到2023年，物聯(lián)網(wǎng)微控制器市場(chǎng)的復合年增長(cháng)率(CAGR)將達到12%，屆時(shí)年收入將達到近40億美元。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用多偏重工廠(chǎng)環(huán)境設備與大量遠距離傳感器的連接，因此需要高速的資料傳輸和數據處理能力同時(shí)保持低功耗的電力，也是雅特力MCU一直為之努力的方向。
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