現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中微控制器關(guān)鍵應(yīng)用的幾個實例

就微控制器在行業(yè)中的設(shè)計和應(yīng)用來說，沒有哪個行業(yè)像工業(yè)自動化和控制領(lǐng)域發(fā)展得如此迅速。由于中國及亞洲其它地區(qū)主要制造工廠自動化程度的提高，新技術(shù)被用來提高效率，因此對制造成本以及產(chǎn)品成本有重要的影響。盡管集中控制可以改善任何特定制造工藝的整體可視性，但是可能并不適合那些響應(yīng)延時和處理延遲會導(dǎo)致故障的一些關(guān)鍵應(yīng)用。

　　本文將介紹這種關(guān)鍵應(yīng)用的幾個實例，對于智能和處理能力增加到接近工藝節(jié)點的應(yīng)用，會大大的影響效率和可靠性的改善。新的系統(tǒng)級芯片設(shè)計提供必要的智能來實現(xiàn)關(guān)鍵的加工測量和這些參數(shù)的控制。本文還將討論幾種SoC設(shè)計中特殊的改進(jìn)，解決當(dāng)今快速增長的工業(yè)領(lǐng)域中設(shè)計和選擇微控制器所面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)以及相關(guān)的解決方案。

　　從歷史的角度來看，主要依靠那些具有非常有限制造知識的手工業(yè)者來制造商品的時代并不遙遠(yuǎn)，例如鞋、帽子、衣服、器皿以及其它物品。產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量取決于特定手工業(yè)者的技能和這個行業(yè)的人數(shù)。最初的生產(chǎn)線實現(xiàn)了產(chǎn)量的增加，隨之而來的是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。任何指定產(chǎn)品的制造被分割成簡單的分離步驟，每個步驟由生產(chǎn)線上的一個工人重復(fù)地處理，然后這個工人再將半成品轉(zhuǎn)送到下一個操作者。每一個操作人員僅僅接受針對某個特定步驟有限的培訓(xùn)，整體的處理流程由領(lǐng)班或主管負(fù)責(zé)。使用不熟練的或半熟練的勞力就可以確保質(zhì)量、數(shù)量的快速提高，以及消費產(chǎn)品的可用性。

　　這些手工業(yè)者和早期組裝線操作人員的分離步驟在之后實現(xiàn)了機(jī)械化，這實現(xiàn)了從人力資本（人）到控制正在日益中央化的本地機(jī)械化工藝流水線的轉(zhuǎn)移。隨著中央控制的增加，任何特定工藝步驟的可視性（特別是在早期）越來越低，中央控制指令發(fā)布到實際執(zhí)行的延時變得越來越長。某些時候，作為集中控制相關(guān)的響應(yīng)時間延時的產(chǎn)生和影響的函數(shù)，整個工藝的吞吐量的影響比每個單獨的工藝步驟的限制還要大。

　　當(dāng)前的工藝優(yōu)化策略包括從模擬到數(shù)字I/O（傳感器和驅(qū)動器）的轉(zhuǎn)化、分離工藝步驟的銜接，以及從單一的集中控制拓?fù)涞揭粋€分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遷移。由于智能的需求需要更進(jìn)一步靠近工藝節(jié)點以及每個步驟/任務(wù)，大型的通用工作站以及處理器讓位于更專用的解決方案，例如微控制器和FPGA實現(xiàn)。

　　隨著更多的處理和判決的實現(xiàn)脫離本地，以及客戶服務(wù)器中央控制模型變成一個類似“對等”的分布式模型，這就需要向更先進(jìn)的混合信號SoC發(fā)展。像PLC和 I/O模塊、溫度/工藝控制器、CNC機(jī)床這樣的設(shè)備類型，以及例如流量/高度測量、編碼器/解析器、測量儀/指示器/極限報警、電機(jī)保護(hù)以及斷路器等其它應(yīng)用，將成為進(jìn)一步改進(jìn)本地智能的主要應(yīng)用，這些將以單芯片的形式實現(xiàn)，這些單芯片中將集成多通道、混合信號A/D轉(zhuǎn)換以及專用的h/w處理和輔助的MCU系統(tǒng)管理。

　　利用PLC和I/O模塊、電機(jī)驅(qū)動控制器和多軸控制器的一個實例是典型的包裝應(yīng)用，這種應(yīng)用包括一個用于卷繞材料的退繞輥子、一個用于傳送需要包裝物品的進(jìn)料裝置，以及一些封口位置和一個完成包裝后移走物品的傳送裝置。

　　當(dāng)被包裝材料的注冊信息比較差、包裝材料的張力不一致以及封裝較差時，這種系統(tǒng)的開環(huán)控制通常導(dǎo)致低的吞吐量（效率）和較差的質(zhì)量。最終的結(jié)果就是因為額外的QA檢查、監(jiān)控以及產(chǎn)品損壞而增加了單位成本，且不說連續(xù)監(jiān)控所增加的額外人力成本（見圖1）。

　　圖1：工業(yè)控制中的開環(huán)系統(tǒng)示意圖。

　　相同系統(tǒng)的閉環(huán)作業(yè)將增加參數(shù)的監(jiān)控和反饋功能，例如輥子的扭矩、速度和輥子上剩余材料的數(shù)量（長度）、進(jìn)料和出料傳送裝置的速度/張力、封口輥子的溫度和壓力、待包裝產(chǎn)品的注冊/定位以及任何一個關(guān)鍵單元的震動。上面例子中主電機(jī)驅(qū)動函數(shù)（速度、張力和位置）的控制可以看成是一個伺服系統(tǒng)，可以通過增加像溫度和振動這類的二次測量來實現(xiàn)。

　　在伺服系統(tǒng)中，通過位置、速度/角速度和電流環(huán)實現(xiàn)閉環(huán)操作。

　　位置環(huán)路通過輸出一個帶有由編碼器或解析器提供的旋轉(zhuǎn)角度反饋信息的速度/角速度命令，使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度能達(dá)到所要求的位置。速度環(huán)路通過環(huán)路中的這一部分來控制由位置環(huán)路所設(shè)定的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，環(huán)路由來自編碼器或解析器的反饋數(shù)據(jù)來關(guān)閉。速度環(huán)路輸出是電流環(huán)路的輸入，它為