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紧凑,精确,互联。

—— 在工厂自动化、楼宇自动化和电网自动化领域应用智能边缘计算来提高生产力
作者:Srik Gurrapu时间:2021-03-04来源:电子产品世界收藏

目前世界人口已经达到了78亿,并且还在不断增加,预计到2050年将达到100亿。日益增长的人口既有对衣服,食物等基本必需品的需求,对舒适、安全生活的追求也不断增长。被广泛应用于智能制造、智能楼宇和智能电网领域的工业4.0技术以及即将推出的工业5.0创新技术,都是可以满足上述需求的现代自动化技术。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202103/423138.htm

工业4.0云架构中使用的高性能多核处理引擎可以从数千个边缘传感器中收集数据并执行复杂的分析,从而管理工厂运营。随着端到端自动化的发展,传感器数量和需要管理的数据也相应地呈指数级增长。一个智能工厂可能拥有超过50,000个传感器,每天产生几千万亿字节的数据;即使是普通的办公大楼也可能产生数百GB的数据。

据国际数据公司(IDC)估计,到2022年,将有40%的数据被存储、管理、分析并留存在产生位置(也称为“边缘”)。云边缘计算的发展离不开紧凑精确互联的边缘设备。这些边缘设备具有三个关键要求:实时计算、多协议工业联网功能以及可现场部署的网络服务功能。图 1展示了工业应用中的上述要求。

TI的AM64x系列Sitara™实时联网处理器直接满足了这些需求。

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图1 智能边缘计算要求

可受益于AM64x系列特性的系统包括,交流伺服电机驱动器、工业可编程逻辑控制器(PLC)、工厂自动化中的运动控制器、物联网、楼宇自动化中的网关、电网自动化中的数据集中器、高精度数据采集系统、3D摄像头等等。

交流伺服电机驱动器示例

以现代自动化应用中的一个基本元件为例,如图2所示的伺服驱动器。伺服驱动器控制数控机床、机器人、传送带、仓库自动化等众多机器的电机。以AM6442为例,该器件具有四个高性能Arm®Cortex®-R5F内核,运行频率均高达800MHz,可提供高达每秒6,400个百万条指令(DMIPS)的运算能力,并支持周期时间低至3µs且抖动超低的高精度电机控制环路。

集成工业通信支持伺服驱动器使用EtherCAT、Profinet和Ethernet/IP等标准与工业PLC或运动控制器进行实时通信,无需其他现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。您可使用片上Cortex-A53处理内核运行Linux®等高级操作系统(OS),并提供远程诊断、故障监测、振动监测和系统可配置性等智能服务,从而实施按需业务策略。

尺寸上集成了多种功能的处理器比多芯片解决方案小50%以上,从而实现了更紧凑的驱动系统。AM64x采用16nm工艺设计,功耗低于1W至2W(具体功耗取决于配置),能够在紧凑的尺寸下简化热设计工作量。

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图2 紧凑、精确、互联的伺服驱动器

实时计算能力

AM64x系列使用Arm Cortex-R5F处理内核(而非诸如 Cortex-M7之类的其他Arm处理内核),为要求可靠性、高可用性和低延迟实时响应的嵌入式系统提供了多核功能。AM6442和AM6441的四个Cortex-R5F内核可提供高达5,300 DMIPS(实时)的性能。Cortex-R5F包含低延迟中断技术,可以中断和重启较长的多周期指令。

实时多协议工业联网功能

以太网已成为实际的工业通信标准,取代了工厂、楼宇和电网基础设施中的串行现场总线。但是标准以太网也具有不确定性,而现代工厂自动化需要确定性操作和时间同步。为解决这种固有的不兼容性而开发的标准需要特殊的FPGA或ASIC,因此增加了系统成本和尺寸。

集成工业连接是AM64x架构的核心。每个器件都具有多个以太网端口以支持工业交换机的实施,例如高达千兆位速度的时间敏感网络(TSN)以及EtherCAT®、PROFINET®、ETHERNET/IP®等。

AM64x系列还为这些协议集成了完整的软件栈,因此可以轻松设计出无缝连接到工厂基础设施的边缘设备。AM64x协议还支持IO-Link主站,充当从IO-Link到任何工业以太网协议以及电机编码位置EnDat 2.2和HIPERFACE DSL®的网关。

可现场部署的网络服务功能

工业4.0中的远程管理设备(驱动器、传感器和网关)可以基于系统中运行的预测性维护算法,将警报发送到云或基础设施。AM64x中的片上Cortex-A53内核可以执行此任务,且不会中断服务。

此外,您还可以运行高级操作系统(例如Linux)和Web或应用程序服务器来实现不同的业务模型。运行速率为1 GHz的两个内核都具有足够的性能,可以处理不断增加的多种服务,且不会中断实时计算和网络流量。Linux还允许在内核版本中不断添加功能,从而加快应用程序开发。AM64x的主线Linux支持简化了从一个内核到另一个内核的代码库转换。

AM64x系列具有多个引脚对引脚兼容的器件,如表2所示。您可以先使用功能较少的器件,然后随着设计需求的发展迁移到性能更高的器件,同时保持相同的印刷电路板设计。

表2 引脚对引脚兼容的AM64x系列

功能

详细特性

AM6442

AM6441

AM6421

AM6412

AM6411

实时计算

MCU内核

4个Cortex-R5F

4个Cortex-R5F

2个Cortex-R5F

1个Cortex-R5F

1个
  Cortex-
  R5F

频率

(MHz,每个内核)

800

800

800

800、400

800、400

DMIPS(总计):

Cortex-R5F (2DMIPS/Hz)

6,400

6,400

3,200

1,600

1,600

高级操作系统和服务

MPU内核

2个Cortex-A53

1个Cortex-A53

1个Cortex-A53

2个Cortex-A53

1个Cortex-A53

频率

(MHz,每个内核)

1,000

1,000

1,000

800、1,000

800、1,000

DMIPS(总计):

Cortex-A53 (3DMIPS/Hz)

6,000

3,000

3,000

6,000

3,000

系统控制

具有功能隔离的专用微控制器(MCU) 内核

1个Cortex-M4 (400MHz)

1个Cortex-M4 (400MHz)

1个Cortex-M4 (400MHz)

1个Cortex-M4 (400MHz)

1个Cortex-M4 (400MHz)

连接

实时工业以太网

TSN

信息安全

IP身份验证和保护(保密性)、防克隆保护、加密加速器、可信执行环境

物理安全

独立于主域的Cortex-M4 MCU通道、错误监测

结束语

TI全新的AM64x系列器件具有实时计算性能、集成的网络选项以及在小功率范围内实现可配置网络服务的能力。AM64x系列包含五款引脚对引脚兼容的器件,可用于设计下一代面向现代自动化应用、紧凑、精确和互联的边缘设备。



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