就(jiu)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)在(zai)行(xing)業(ye)中(zhong)的(de)設(she)計(ji)和(he)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)
，沒(mei)有(you)哪(na)個(ge)行(xing)業(ye)像(xiang)工(gong)業(ye)自(zi)動(dong)化(hua)和(he)控(kong)製(zhi)領(ling)域(yu)發(fa)展(zhan)得(de)如(ru)此(ci)迅(xun)速(su)。由(you)於(yu)中(zhong)國(guo)及(ji)亞(ya)洲(zhou)其(qi)它(ta)地(di)區(qu)主(zhu)要(yao)製(zhi)造(zao)工(gong)廠(chang)自(zi)動(dong)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)提(ti)高(gao)，新(xin)技(ji)術(shu)被(bei)用(yong)來(lai)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)

，因(yin)此(ci)對(dui)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)產(chan)品(pin)成(cheng)本(ben)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)。盡管集中控製可以改善任何特定製造工藝的整體可視性，但是可能並不適合那些響應延時和處理延遲會導致故障的一些關鍵應用。

　　本(ben)文(wen)將(jiang)介(jie)紹(shao)這(zhe)種(zhong)關(guan)鍵(jian)應(ying)用(yong)的(de)幾(ji)個(ge)實(shi)例(li)，對(dui)於(yu)智(zhi)能(neng)和(he)處(chu)理(li)能(neng)力(li)增(zeng)加(jia)到(dao)接(jie)近(jin)工(gong)藝(yi)節(jie)點(dian)的(de)應(ying)用(yong)，會(hui)大(da)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)效(xiao)率(lv)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)改(gai)善(shan)。新(xin)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)必(bi)要(yao)的(de)智(zhi)能(neng)來(lai)實(shi)現(xian)關(guan)鍵(jian)的(de)加(jia)工(gong)測(ce)量(liang)和(he)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)的(de)控(kong)製(zhi)。本(ben)文(wen)還(hai)將(jiang)討(tao)論(lun)幾(ji)種(zhong)SoC設計中特殊的改進，解決當今快速增長的工業領域中設計和選擇微控製器所麵臨的設計挑戰以及相關的解決方案。

　　從曆史的角度來看，主要依靠那些具有非常有限製造知識的手工業者來製造商品的時代並不遙遠，例如鞋、帽子、衣服
、qiminyijiqitawupin。chanpindezhiliangheshuliangqujueyutedingshougongyezhedejinenghezhegexingyederenshu。zuichudeshengchanxianshixianlechanliangdezengjia，suizhierlaideshitigaolechanpindezhiliang。renhezhidingchanpindezhizaobeifengechengjiandandefenlibuzhou
，meigebuzhouyoushengchanxianshangdeyigegongrenzhongfudichuli，ranhouzhegegongrenzaijiangbanchengpinzhuansongdaoxiayigecaozuozhe。meiyi

　　個操作人員僅僅接受針對某個特定步驟有限的培訓，整體的處理流程由領班或主管負責。使用不熟練的或半熟練的勞力就可以確保質量、數量的快速提高，以及消費產品的可用性。

　　這些手工業者和早期組裝線操作人員的分離步驟在之後實現了機械化，這實現了從人力資本(人)到控製正在日益中央化的本地機械化工藝流水線的轉移。隨著中央控製的增加，任何特定工藝步驟的可視性(特別是在早期)越yue來lai越yue低di，中zhong央yang控kong製zhi指zhi令ling發fa布bu到dao實shi際ji執zhi行xing的de延yan時shi變bian得de越yue來lai越yue長chang。某mou些xie時shi候hou，作zuo為wei集ji中zhong控kong製zhi相xiang關guan的de響xiang應ying時shi間jian延yan時shi的de產chan生sheng和he影ying響xiang的de函han數shu
，整zheng個ge工gong藝yi的de吞tun吐tu量liang的de影ying響xiang比bi每mei個ge單dan獨du的de工gong藝yi步bu驟zhou的de限xian製zhi還hai要yao大da。

　　當前的工藝優化策略包括從模擬到數字I/O(傳感器和驅動器)的轉化、分(fen)離(li)工(gong)藝(yi)步(bu)驟(zhou)的(de)銜(xian)接(jie)，以(yi)及(ji)從(cong)單(dan)一(yi)的(de)集(ji)中(zhong)控(kong)製(zhi)拓(tuo)撲(pu)到(dao)一(yi)個(ge)分(fen)布(bu)式(shi)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)遷(qian)移(yi)。由(you)於(yu)智(zhi)能(neng)的(de)需(xu)求(qiu)需(xu)要(yao)更(geng)進(jin)一(yi)步(bu)靠(kao)近(jin)工(gong)藝(yi)節(jie)點(dian)以(yi)及(ji)每(mei)個(ge)步(bu)驟(zhou)/任務，大型的通用工作站以及處理器讓位於更專用的解決方案，例如微控製器和FPGA實現。

　　隨著更多的處理和判決的實現脫離本地，以及客戶服務器中央控製模型變成一個類似“對等”的分布式模型
，這就需要向更先進的混合信號SoC發展。像PLC和I/O模塊、溫度/工藝控製器、CNC機床這樣的設備類型
，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、電機保護以及斷路器等其它應用
，將成為進一步改進本地智能的主要應用，這些將以單芯片的形式實現，這些單芯片中將集成多通道
、混合信號A/D轉換以及專用的h/w處理和輔助的MCU係統管理。

　　利用PLC和I/O模塊
、電機驅動控製器和多軸控製器的一個實例是典型的包裝應用

，這種應用包括一個用於卷繞材料的退繞輥子
、一個用於傳送需要包裝物品的進料裝置，以及一些封口位置和一個完成包裝後移走物品的傳送裝置。

　　當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，這種係統的開環控製通常導致低的吞吐量(效率)和較差的質量。最終的結果就是因為額外的QA檢查、監控以及產品損壞而增加了單位成本，且不說連續監控所增加的額外人力成本(見圖1)。

　　圖1：工業控製中的開環係統示意圖

　　相同係統的閉環作業將增加參數的監控和反饋功能
，例如輥子的扭矩
、速度和輥子上剩餘材料的數量(長度)、進料和出料傳送裝置的速度/張力、封口輥子的溫度和壓力
、待包裝產品的注冊/定位以及任何一個關鍵單元的震動。上麵例子中主電機驅動函數(速度、張力和位置)的控製可以看成是一個伺服係統，可以通過增加像溫度和振動這類的二次測量來實現。

　　在伺服係統中，通過位置

、速度/角速度和電流環實現閉環操作(見圖2)。

　　圖2：在伺服係統中
，通過位置
、速度/角速度和電流環實現閉環操作

　　位置環路通過輸出一個帶有由編碼器或解析器提供的旋轉角度反饋信息的速度/角(jiao)速(su)度(du)命(ming)令(ling)，使(shi)電(dian)機(ji)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)度(du)能(neng)達(da)到(dao)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)位(wei)置(zhi)。速(su)度(du)環(huan)路(lu)通(tong)過(guo)環(huan)路(lu)中(zhong)的(de)這(zhe)一(yi)部(bu)分(fen)來(lai)控(kong)製(zhi)由(you)位(wei)置(zhi)環(huan)路(lu)所(suo)設(she)定(ding)的(de)電(dian)機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)速(su)度(du)
，環(huan)路(lu)由(you)來(lai)自(zi)編(bian)碼(ma)器(qi)或(huo)解(jie)析(xi)器(qi)的(de)反(fan)饋(kui)數(shu)據(ju)來(lai)關(guan)閉(bi)。速(su)度(du)環(huan)路(lu)輸(shu)出(chu)是(shi)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)的(de)輸(shu)入(ru)，它(ta)為(wei)電(dian)機(ji)提(ti)供(gong)實(shi)現(xian)指(zhi)定(ding)位(wei)置(zhi)和(he)速(su)度(du)的(de)電(dian)流(liu)。電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)值(zhi)被(bei)反(fan)饋(kui)到(dao)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)，將(jiang)命(ming)令(ling)和(he)響(xiang)應(ying)值(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)值(zhi)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)減(jian)小(xiao)到(dao)零(ling)。Teridian公司獲得專利的單轉換器技術架構和應用在其用於測量單相或多相功率測量的能量測量器件71M651x係列中的技術非常適用於這些類應用要求的高精度電流測量。

　　一種用作斷路器和繼電器保護的漏電跳閘器的新器件——71M6403也非常適合上麵談到的包裝應用中的電機保護。利用Teridian公司的專利的單轉換器技術
，71M6403集成了22位的Δ-∑ ADC
、6主1次的電流傳感器輸入、數字溫度補

　　償、精確的電壓基準
、32位的可編程計算引擎

、定時器
、實時時鍾(RTC)、兩個UART和一個單周期執行 8位MCU。

　　采用內置的數字di/dt積分器
，這種可編程器件支持電流變換器或者Rogowski線圈，用於任何或所有輸入通道，並提供瞬態和延時的過電流、地泄漏、接地故障
、電弧故障保護功能。而且，器件可能被配置成支持數量任意的


、能夠適於現場特定負載的傳統和慣用保護算法。可編程32位計算引擎(CE) 接收和處理來自22位A/D轉換器的所有傳感器數據，同時獨立於8位MCU運行，8位MCU負責處理更高的係統層麵的管理和通信任務。這種混合信號測量子係統的分離以及管理子係統能夠提供高速度、高可靠性和優異的動態範圍，沒有外部中斷或不必要的處理開銷。

　　整合一個多路複用輸入到22位Δ-∑ A/D轉換器，實現了最低成本
，還改善了增益一致性、偏移一致性、降低了串擾並增強了設計靈活性。此外，Teridian公司的71M8100測量控製器器件利用相同的高性能架構開發
，能夠共享很多相同的功能，此外還有三個輸入可以被用於感測和控製二級參數，例如溫度、振動、流程
、壓力和濕度等。

　　總而言之，通過利用更專用的SoC

　　解(jie)決(jue)方(fang)案(an)來(lai)實(shi)現(xian)閉(bi)環(huan)係(xi)統(tong)，降(jiang)低(di)了(le)延(yan)時(shi)時(shi)間(jian)，工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)智(zhi)能(neng)和(he)控(kong)製(zhi)可(ke)以(yi)從(cong)集(ji)中(zhong)模(mo)式(shi)轉(zhuan)移(yi)到(dao)分(fen)布(bu)模(mo)式(shi)
，不(bu)僅(jin)提(ti)高(gao)了(le)效(xiao)率(lv)和(he)質(zhi)量(liang)
，還(hai)相(xiang)應(ying)地(di)降(jiang)低(di)了(le)單(dan)位(wei)成(cheng)本(ben)。進(jin)一(yi)步(bu)講(jiang)

，出(chu)現(xian)了(le)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)工(gong)業(ye)自(zi)動(dong)化(hua)、保護和控製的創新機會
，並且可以用相同的基本芯片級架構來解決。（作者：Teridian Semiconductor Tom Kapucija）