要實(shí)現(xiàn)真正的智能工廠，必須從全面性的系統(tǒng)化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動化來著手，藉由智能設(shè)備的數(shù)據(jù)收集、分析、決策，再結(jié)合ERP、MES系統(tǒng)整合大數(shù)據(jù)資料，而其中工業(yè)MCU是實(shí)現(xiàn)智能工廠的重要關(guān)鍵。
物聯(lián)網(wǎng)時代，科技日新月異，由德國最早提出的工業(yè)4.0，以全面聯(lián)網(wǎng)、智慧製造為目標(biāo)，著重於設(shè)備互聯(lián)性、自動化、機(jī)器學(xué)習(xí)及實(shí)時數(shù)據(jù)等多方面。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涵蓋整個工業(yè)領(lǐng)域，早已深入我們的生活中。
當(dāng)您穿上知名品牌的跑鞋，在官網(wǎng)上選擇個人喜愛的材質(zhì)、圖樣和顏色，一雙個人專屬的客製跑鞋直送到家，客製化商品不再是難事，而這些跑鞋的製造過程皆是由機(jī)器人生產(chǎn)製造。
工廠自動化帶來提升生產(chǎn)效率，品質(zhì)穩(wěn)定，並有效解決有限人力的困境。從產(chǎn)線自動化到智慧倉儲系統(tǒng)，生產(chǎn)過程中使用機(jī)器人、機(jī)械手臂助力，驅(qū)動科技快速發(fā)展，然而要實(shí)現(xiàn)真正的智能工廠，卻不僅僅是導(dǎo)入機(jī)器人即可達(dá)成「關(guān)燈工廠」的夢想，必須從全面性的系統(tǒng)化、互聯(lián)網(wǎng)化及自動化來著手，藉由智能設(shè)備的數(shù)據(jù)收集、分析、決策，再結(jié)合ERP、MES系統(tǒng)整合大數(shù)據(jù)資料，以視覺化方式具體呈現(xiàn)，使管理者能夠隨時掌握工廠狀態(tài)、調(diào)整，落地實(shí)現(xiàn)智慧製造，加速推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展（圖1）。
| 圖1 : 傳統(tǒng)工廠實(shí)現(xiàn)智能工廠發(fā)展 |
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在過去，傳統(tǒng)工廠的生產(chǎn)狀態(tài)，根據(jù)前線員工分散地記錄生產(chǎn)狀況，並且耗時整理報告、等待管理者決策，或許還有人工記錄失誤的可能性，帶給管理者錯誤資訊，而管理者憑藉過去經(jīng)驗(yàn)和假設(shè)做出決策判斷，可能會衍伸出更多的問題發(fā)生，同時也耽誤排除異常狀況的最佳時機(jī)。
要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工廠自動化，在原有的生產(chǎn)設(shè)備上將驅(qū)動設(shè)備和感測器串連，透過感測器採集資料，傳送至可視化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，讓第一線管理人員可快速排除機(jī)臺異常狀態(tài)，再透過通訊設(shè)備將這些資料傳輸至管理中心，提供給決策者隨時查看工廠狀態(tài)，最後回傳到雲(yún)端管理，形成一個完整的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)。
而工業(yè)MCU可以輕易實(shí)現(xiàn)上述功效，利用MCU的高運(yùn)算、體積小、低成本特性，執(zhí)行硬體設(shè)備的通訊、邊緣運(yùn)算、即時反應(yīng)和馬達(dá)控制等功能，在現(xiàn)有的設(shè)備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，加速推動傳統(tǒng)工廠轉(zhuǎn)型。
過去工廠經(jīng)常採用8-bit MCU設(shè)計(jì)機(jī)臺設(shè)備，然而隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，對系統(tǒng)處理的要求上與日俱增，追求更高速的通訊網(wǎng)路、快速的分散式運(yùn)算能力及邊緣運(yùn)算分析，新興技術(shù)創(chuàng)新，傳統(tǒng)8-bit MCU顯然已無法滿足製造商的需求，因此採用32-bit MCU達(dá)到更好的性能要求（圖2）。
| 圖2 : AT32 MCU導(dǎo)入IIoT設(shè)備應(yīng)用 |
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Arm處理器作為高整合、低成本MCU的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常用於工業(yè)及車載應(yīng)用領(lǐng)域，特別是Arm Cortex-M4 32-bit MCU，不但繼承Cortex-M3內(nèi)核優(yōu)勢，內(nèi)建數(shù)位信號處理器（DSP），還可同時選擇附加單精度浮點(diǎn)單元（FPU），讓Cortex-M4除了擁有高精度複雜的運(yùn)算能力，且具有可訪問性的優(yōu)勢，開發(fā)人員易進(jìn)行編寫韌體。
Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延遲、精確度及電力管理等，將傳統(tǒng)MCU功能簡化集中至單一晶片，並提供大容量內(nèi)存，靈活彈性運(yùn)用，優(yōu)化系統(tǒng)成本，和透過開發(fā)軟體平臺便於工程設(shè)計(jì)人員開發(fā)，帶來高效能、實(shí)時控制、通訊網(wǎng)路、數(shù)據(jù)分析和安全控制等功能。因此，AT32 MCU以Arm Cortex-M4/M0+32-bit MCU為基礎(chǔ)發(fā)展核心，在運(yùn)算效能和精度上做到技術(shù)突破。以下為AT32 MCU在工業(yè)自動化中實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)優(yōu)勢：
高運(yùn)算力提升實(shí)時反應(yīng)和控制
為確保工廠設(shè)備安全和機(jī)器的連續(xù)運(yùn)作，精確的類比訊號控制為關(guān)鍵，必須在規(guī)範(fàn)的時間內(nèi)控制訊號，透過快速處理大量的數(shù)據(jù)，做出即時反應(yīng)和控制。特別是在數(shù)十萬轉(zhuǎn)的馬達(dá)驅(qū)動應(yīng)用上，因馬達(dá)轉(zhuǎn)速快電流頻率高、馬達(dá)線圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使馬達(dá)高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，且作為工業(yè)級別的MCU必須在電子元器件性能參數(shù)上擁有很高的穩(wěn)定性，因此高主頻、內(nèi)存大容量能使CPU能以零等待週期訪問（讀/寫）（圖3），而內(nèi)建數(shù)位訊號處理器（DSP）可進(jìn)行各種複雜訊號分析，以提取感測器資料。
同時內(nèi)嵌自動時鐘校準(zhǔn)（ACC）模組，可校準(zhǔn)高速內(nèi)部振盪器（HICK），保證HICK在晶片可操作溫度範(fàn)圍內(nèi)的最佳準(zhǔn)確度，滿足各種運(yùn)動控制和智能控制對高運(yùn)算力、高精度的需求。
先進(jìn)製程簡化設(shè)計(jì)元件降低系統(tǒng)複雜性
先進(jìn)製程提供豐富的外設(shè)整合一單晶片系統(tǒng)，如CAN總線、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時器等週邊元件，除多元介面外，包含雙DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps乙太網(wǎng)路和USB OTG等，皆可提高資料傳輸效率和可靠性；為降低開發(fā)難度，透過建立完整的系統(tǒng)生態(tài)鏈，包含開發(fā)環(huán)境、實(shí)時作業(yè)系統(tǒng)（RTOS）以及第三方軟體燒錄資源，在硬體區(qū)塊上進(jìn)行高階軟體編程設(shè)計(jì)，對應(yīng)不同應(yīng)用需求設(shè)定。
而在工業(yè)操作安全上，符合國際電工委員會（IEC）制定的IEC-60730國際安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)，並且採用可運(yùn)行於工業(yè)級寬溫度範(fàn)圍-40~105oC和多種封裝類型選擇，具備可擴(kuò)展性、可靠度及系統(tǒng)相容性，強(qiáng)大豐富的資源及便利性，成功降低系統(tǒng)複雜性。
高整合低成本提升性價比
工業(yè)MCU可搭配標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的擴(kuò)充板，適用於快閃記憶體編程和運(yùn)行控制的內(nèi)置調(diào)試介面，快閃記憶體（QSPI）具備高讀取頻寬，加速高效能嵌入式系統(tǒng)的資料存取及編輯，完成系統(tǒng)的快速編程執(zhí)行，透過先進(jìn)製程技術(shù)，整合更大容量SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，執(zhí)行複雜的系統(tǒng)代碼與彈性應(yīng)用。
對應(yīng)各種工業(yè)自動化控制場域，選擇適當(dāng)記憶體容量的Flash與SRAM，且同一晶片上，整合多通道5Msps高速採樣速率的12-bit ADC與整合運(yùn)算放大器、模擬比較器及12-bit DAC，將有助於降低馬達(dá)控制設(shè)備建置成本及提升系統(tǒng)穩(wěn)定性（圖4）。
| 圖4 : AT32 M4/M0+ MCU FAMILY |
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低功耗延長電池壽命
在工廠自動化升級中，以無線型BLE MCU實(shí)現(xiàn)無線抄表和數(shù)據(jù)傳送功能的低功耗電磁流量計(jì)與電流表，以藍(lán)牙5.0雙模規(guī)範(fàn)，內(nèi)建藍(lán)牙射頻（RF）收發(fā)器與基帶（baseband）功能，並採用多通道12-bit ADC、內(nèi)部多匯流排架構(gòu)、UART、CAN及CMP等，豐富內(nèi)建解決傳統(tǒng)MCU功能分散，以一顆MCU取代開發(fā)藍(lán)牙產(chǎn)品所需諸多元件，節(jié)省物料成本、開發(fā)人力和提升效率。
當(dāng)工廠設(shè)備需隨時處在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，降低運(yùn)行和待機(jī)功耗為首要難題，採用低主頻低功耗Cortex-M0+ MCU可解決此一困境。晶片於待機(jī)模式下可達(dá)約1uA，深度睡眠模式約20uA，呈現(xiàn)出優(yōu)異性能功耗。硬體上增添通訊協(xié)定CAN、USART、多匯流排架構(gòu)，以及擴(kuò)展了採樣率高達(dá)2 Msps的12-bit ADC，幾乎所有的I/O介面可容忍5V輸入訊號，這些關(guān)鍵應(yīng)用組件和功能區(qū)塊整合，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)採集、工業(yè)及馬達(dá)控制應(yīng)用需求。
未來工業(yè)化的設(shè)備將增加多種通訊方式、更複雜的控制程式和感測器加強(qiáng)支援安全性，這些都需要大量的運(yùn)算能力。例如，生產(chǎn)機(jī)臺上增加異常檢測功能，在即將發(fā)生災(zāi)難性的故障前，提前進(jìn)行預(yù)防保養(yǎng)，確保設(shè)備發(fā)生故障時仍能安全地運(yùn)作；並減少設(shè)備非計(jì)劃性停機(jī)時間，提升生產(chǎn)效率。
而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用偏重工廠環(huán)境設(shè)備與大量遠(yuǎn)距離感測器的連接，因此需要高速的資料傳輸和數(shù)據(jù)處理能力，同時保持電力低功耗，對MCU設(shè)計(jì)商來說，能以最快的速度開發(fā)，提供先進(jìn)的製程技術(shù)，帶來高效能、低功耗和高性價比，方能在MCU市場中處於領(lǐng)先地位。
