高效能与低功耗双轨并进 工业MCU注入智能工厂新动能

要实现真正的智能工厂，必须从全面性的系统化、互联网化及自动化来着手，藉由智能设备的数据收集、分析、决策，再结合ERP、MES系统整合大数据数据，而其中工业MCU是实现智能工厂的重要关键。
物联网时代，科技日新月异，由德国最早提出的工业4.0，以全面联网、智能制造为目标，着重于设备互联性、自动化、机器学习及实时数据等多方面。工业物联网应用涵盖整个工业领域，早已深入我们的生活中。
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工厂自动化带来提升生产效率，质量稳定，并有效解决有限人力的困境。从产线自动化到智能仓储系统，生产过程中使用机器人、机械手臂助力，驱动科技快速发展，然而要实现真正的智能工厂，却不仅仅是导入机器人即可达成「关灯工厂」的梦想，必须从全面性的系统化、互联网化及自动化来着手，藉由智能设备的数据收集、分析、决策，再结合ERP、MES系统整合大数据数据，以可视化方式具体呈现，使管理者能够随时掌握工厂状态、调整，落地实现智能制造，加速推动工业物联网发展（图1）。


 
图1 : 传统工厂实现智能工厂发展

在过去，传统工厂的生产状态，根据前线员工分散地记录生产状况，并且耗时整理报告、等待管理者决策，或许还有人工记录失误的可能性，带给管理者错误信息，而管理者凭借过去经验和假设做出决策判断，可能会衍伸出更多的问题发生，同时也耽误排除异常状况的最佳时机。

要实现传统工厂自动化，在原有的生产设备上将驱动设备和传感器串连，透过传感器采集数据，传送至可视化设备进行数据分析，让第一线管理人员可快速排除机台异常状态，再透过通讯设备将这些数据传输至管理中心，提供给决策者随时查看工厂状态，最后回传到云端管理，形成一个完整的工业联网。

而工业MCU可以轻易实现上述功效，利用MCU的高运算、体积小、低成本特性，执行硬设备的通讯、边缘运算、实时反应和马达控制等功能，在现有的设备上安装嵌入式或非嵌入式的联网设备，加速推动传统工厂转型。

过去工厂经常采用8-bit MCU设计机台设备，然而随着工业物联网的蓬勃发展，对系统处理的要求上与日俱增，追求更高速的通讯网络、快速的分布式计算能力及边缘运算分析，新兴技术创新，传统8-bit MCU显然已无法满足制造商的需求，因此采用32-bit MCU达到更好的性能要求（图2）。

 
图2 : AT32 MCU导入IIoT设备应用

Arm处理器作为高整合、低成本MCU的行业标准，经常用于工业及车载应用领域，特别是Arm Cortex-M4 32-bit MCU，不但继承Cortex-M3内核优势，内建数字信号处理器（DSP），还可同时选择附加单精度浮点单元（FPU），让Cortex-M4除了拥有高精度复杂的运算能力，且具有可访问性的优势，开发人员易进行编写韧体。

Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延迟、精确度及电力管理等，将传统MCU功能简化集中至单一芯片，并提供大容量内存，灵活弹性运用，优化系统成本，和透过开发软件平台便于工程设计人员开发，带来高效能、实时控制、通讯网络、数据分析和安全控制等功能。因此，AT32 MCU以Arm Cortex-M4/M0+32-bit MCU为基础发展核心，在运算效能和精度上做到技术突破。以下为AT32 MCU在工业自动化中实现各项优势：

高运算力提升实时反应和控制
为确保工厂设备安全和机器的连续运作，精确的模拟讯号控制为关键，必须在规范的时间内控制讯号，透过快速处理大量的数据，做出实时反应和控制。特别是在数十万转的马达驱动应用上，因马达转速快电流频率高、马达线圈电感小，需要提供高频、高解析的PWM电压，方能使马达高效稳定运转，且作为工业级别的MCU必须在电子元器件性能参数上拥有很高的稳定性，因此高主频、内存大容量能使CPU能以零等待周期访问（读/写）（图3），而内建数字信号处理器（DSP）可进行各种复杂讯号分析，以提取传感器数据。

同时内嵌自动时钟校准（ACC）模块，可校准高速内部振荡器（HICK），保证HICK在芯片可操作温度范围内的最佳准确度，满足各种运动控制和智能控制对高运算力、高精度的需求。


 
图3 : 零等待Flash映射区块

先进制程简化设计组件降低系统复杂性
先进制程提供丰富的外设整合一单芯片系统，如CAN总线、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定时器等外围组件，除多元接口外，包含双DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太网络和USB OTG等，皆可提高数据传输效率和可靠性；为降低开发难度，透过建立完整的系统生态链，包含开发环境、实时操作系统（RTOS）以及第三方软件刻录资源，在硬件区块上进行高阶软件编程设计，对应不同应用需求设定。

而在工业操作安全上，符合国际电工委员会（IEC）制定的IEC-60730国际安全标准规范，并且采用可运行于工业级宽温度范围-40~105oC和多种封装类型选择，具备可扩展性、可靠度及系统兼容性，强大丰富的资源及便利性，成功降低系统复杂性。

高整合低成本提升性价比
工业MCU可搭配标准规格的扩充板，适用于闪存编程和运行控制的内置调试接口，闪存（QSPI）具备高读取带宽，加速高效能嵌入式系统的数据存取及编辑，完成系统的快速编程执行，透过先进制程技术，整合更大容量SRAM进行数据缓存，执行复杂的系统代码与弹性应用。

对应各种工业自动化控制场域，选择适当内存容量的Flash与SRAM，且同一芯片上，整合多信道5Msps高速采样速率的12-bit ADC与整合运算放大器、模拟比较器及12-bit DAC，将有助于降低马达控制设备建置成本及提升系统稳定性（图4）。

 
图4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

低功耗延长电池寿命
在工厂自动化升级中，以无线型BLE MCU实现无线抄表和数据传送功能的低功耗电磁流量计与电流表，以蓝牙5.0双模规范，内建蓝牙射频（RF）收发器与基带（baseband）功能，并采用多信道12-bit ADC、内部多总线架构、UART、CAN及CMP等，丰富内建解决传统MCU功能分散，以一颗MCU取代开发蓝牙产品所需诸多组件，节省物料成本、开发人力和提升效率。

当工厂设备需随时处在联网状态，降低运行和待机功耗为首要难题，采用低主频低功耗Cortex-M0+ MCU可解决此一困境。芯片于待机模式下可达约1uA，深度睡眠模式约20uA，呈现出优异性能功耗。硬件上增添通讯协议CAN、USART、多总线架构，以及扩展了采样率高达2 Msps的12-bit ADC，几乎所有的I/O接口可容忍5V输入讯号，这些关键应用组件和功能区块整合，实现高速数据采集、工业及马达控制应用需求。

未来工业化的设备将增加多种通讯方式、更复杂的控制程序和传感器加强支持安全性，这些都需要大量的运算能力。例如，生产机台上增加异常检测功能，在即将发生灾难性的故障前，提前进行预防保养，确保设备发生故障时仍能安全地运作；并减少设备非计划性停机时间，提升生产效率。

而工业物联网的应用偏重工厂环境设备与大量远距离传感器的连接，因此需要高速的数据传输和数据处理能力，同时保持电力低功耗，对MCU设计商来说，能以最快的速度开发，提供先进的制程技术，带来高效能、低功耗和高性价比，方能在MCU市场中处于领先地位。