用ARM架构处理器的优化工业控制方案

　　高级HMI不但能够显示算法处理的数据、2D与3D图形以及由工厂车间监控摄像机传送的视频，而且还可在窗口中显示重要流程或生产指标。缩放、渲染以及窗口显示是高级HMI的普通功能。触摸屏、小键盘以及语音均是可选的输入类型，而所有这一切都需要MPU的接口或外设支持。

　　与生产车间操作进行高级交互非常重要，其中包括监控摄像机的转换视图、需求的请求报告，以及发出改变流程或装配线的命令。控制台可轻松接收和处理来自基本控制网络层的数百个设备的数据。

　　从处理器角度来看，在这种高级层面上的互动需要处理器具有内置视频图形功能、丰富的I/O选项以及超强的处理能力。同样，在选择合适的处理器时，需重点考虑是否提供适当的外设与软件库。具备所有上述条件的处理器寥寥无几，它们都基于ARMCortex-A8架构。在本文的后面将介绍这些处理器的特定外设、接口以及性能参数。

　　图2：基于Cortex-A8的Sitara AM35x系列MPU模块图

　　控制层

　　工厂控制层一般由许多工作在控制层的PLC组成。PLC收集传感器数据，并做出是否改变生产过程状态和是否控制继电器与马达以及工厂中其它机械设备状态的决定。它们可监控并管理分为数百个节点运作的大型I/O网络。

　　PLC通常要求确定性行为，也就是说，每次I/O行为发生所用的时间(或处理器周期)都完全相同，每次都如此。在对实时确定性行为要求不太严格的环境中，一些PLC可利用实时操作系统(RTOS)来减轻基于任务的编程，同时确保系统能够在特定时间周期内做出响应。

ARMCortex-M3内核的差异化特性之一就是其硬件支持确定性行为。ARMCortex-M3内核可直接从片上闪存中获取指令和数据，无需从高速缓存中获取。这使硬件能够在出现异常时保存CPU状态。处理器在接收到外部中断后将控制权转交给中断处理程序只需12个周期，而背对背中断(即尾链)将控制权转交中断处理程序只需6个周期。

　　从设计角度来看，Cortex-M3内核的内置确定机制使得采用单个MCU取代马达控制的双芯片解决方案成为可能。过去，需要数字信号处理器(DSP)来控制与结点相关的马达，同时还需要MCU来处理与系统其它部分的连接。基于Cortex-M3的MCU具有实现上述两种功能的能力。

　　确定性性能的硬件支持能够与为支持确定性而设计的网络协议实现最佳协作。具有高时间精确度的IEEE1588精确时间协议(PTP)可提供这种特性并具有多点传送功能。从自动化设计的角度看，这就意味着为IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太网是非常重要的外设。在一些更高端可编程自动化控制器(PAC)实例中，千兆位以太网的需求也随数据传输量的提升不断增加。

　　工厂自动化系统中另一种普遍使用的通信方法是可实现分布式与冗余系统设计的控制器局域网(CAN)协议。

　　无线网络现已成为PLC、传感器以及其它节点级设备联网的趋势。WLAN(无线以太网)常被用于PLC与PAC之间的通信。

　　德州仪器(TI)Sitara系列ARM微处理器在芯片上集成了面向WLAN的以太网MAC、CAN以及SDIO，并拥有支持网络协议的必要性能。

　　在传感器层面上，ZigBee协议正在获得认可。基于IEEE802.15.4无线电规范的ZigBee采用网状网络技术创建稳健的自配置网络CONTROL ENGINEERING China版权所有，它是工业应用的理想选择。

　　基于Cortex M3的MCU具有执行ZigBee协议以及除无线电之外所有相关任务所需的性能。此外www.cechina.cn，Cortex M3还通过支持auto-MDIX处理10/100 Base T以太网通信(全双工及半双工)。

　　TI基于ARM Cortex-M3的Stellaris系列MCU具有片上集成以太网PHY与MAC的更多显着优势，不但比双芯片解决方案节省成本，而且还可节省电路板空间。对于要求性能高于10/100以太网的设计而言，设计人员应该选择基于Cortex-A8的MPU，如TI Sitara系列。

　　Cortex-M3内核针对片上闪存及SRAM的单周期访问进行了优化，可实现设计人员之前在MCU中一直不能达到的高性能。由于50MHz Stellaris Cortex-M3 MCU具备单周期闪存与单周期SRAM，因此相比运行在100MHz下的其它MCU，设计人员采用运行在50MHz下的Stellaris MCU能获得更多的原始性能。

　　设计问题

　　处理器内核选择的一个重要判定点就是看它能否提供加速产品上市的软件，其中包括操作系统、库以及通信协议栈。

　　图形需求通常是选择操作系统的主导因素。控制应用不但需要2D或3D图形、视频流以及更高的显示分辨率，通常还需要功能齐全的RTOS、Embedded Linux或Windows Embedded CE操作系统，并将通过功能强大的处理器在家庭中得到应用，这些基于ARM9或Cortex-A8核(如Sitara ARM MPU中采用的)的处理器包含完整的存储器管理单元(MMU)。

　　可处理文本文件、2D基本图元以及QVGA JPEG图像的智能显示模块通常处于Cortex-M3 MCU的上限。Cortex-M3内核具有存储器保护单元(MPU)，有助于小型RTOS与轻量级linux内核(如RoweBots的Unisom内核)的高效使用。

　　ARM 架构的优势之一就是前文提到的强大生态系统。这可带来数目众多的第三方认证通信协议栈，其中包括工厂自动化环境所需的专用工业通信协议栈。TI Stellaris MCU可通过提供StellarisWare软件加速产品上市进程，该软件提供了各种外设驱动程序库、图形库、USB库(用于支持USB Device、USB Host和USB OTG)、启动加载程序支持以及可在工业应用中实现设备诊断的IEC 60730自检库。