本文將介紹這種關(guān)鍵應用的幾個(gè)實(shí)例，對于智能和處理能力增加到接近工藝節點(diǎn)的應用，會(huì )大大的影響效率和可靠性的改善。新的系統級芯片設計提供必要的智能來(lái)實(shí)現關(guān)鍵的加工測量和這些參數的控制。本文還將討論幾種SoC設計中特殊的改進(jìn)，解決當今快速增長(cháng)的工業(yè)領(lǐng)域中設計和選擇微控制器所面臨的設計挑戰以及相關(guān)的解決方案。

　　從歷史的角度來(lái)看，主要依靠那些具有非常有限制造知識的手工業(yè)者來(lái)制造商品的時(shí)代并不遙遠，例如鞋、帽子、衣服、器皿以及其它物品。產(chǎn)品的質(zhì)量和數量取決于特定手工業(yè)者的技能和這個(gè)行業(yè)的人數。最初的生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現了產(chǎn)量的增加，隨之而來(lái)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(jiǎn)單的分離步驟，每個(gè)步驟由生產(chǎn)線(xiàn)上的一個(gè)工人重復地處理，然后這個(gè)工人再將半成品轉送到下一個(gè)操作者。每一

　　個(gè)操作人員僅僅接受針對某個(gè)特定步驟有限的培訓，整體的處理流程由領(lǐng)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(zhì)量、數量的快速提高，以及消費產(chǎn)品的可用性。

　　這些手工業(yè)者和早期組裝線(xiàn)操作人員的分離步驟在之后實(shí)現了機械化，這實(shí)現了從人力資本(人)到控制正在日益中央化的本地機械化工藝流水線(xiàn)的轉移。隨著(zhù)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(lái)越低，中央控制指令發(fā)布到實(shí)際執行的延時(shí)變得越來(lái)越長(cháng)。某些時(shí)候，作為集中控制相關(guān)的響應時(shí)間延時(shí)的產(chǎn)生和影響的函數，整個(gè)工藝的吞吐量的影響比每個(gè)單獨的工藝步驟的限制還要大。

　　當前的工藝優(yōu)化策略包括從模擬到數字I/O(傳感器和驅動(dòng)器)的轉化、分離工藝步驟的銜接，以及從單一的集中控制拓撲到一個(gè)分布式的拓撲結構遷移。由于智能的需求需要更進(jìn)一步靠近工藝節點(diǎn)以及每個(gè)步驟/任務(wù)，大型的通用工作站以及處理器讓位于更專(zhuān)用的解決方案，例如微控制器和FPGA實(shí)現。

　　隨著(zhù)更多的處理和判決的實(shí)現脫離本地，以及客戶(hù)服務(wù)器中央控制模型變成一個(gè)類(lèi)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機床這樣的設備類(lèi)型，以及例如流量/高度測量、編碼器/解析器、測量?jì)x/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(jìn)一步改進(jìn)本地智能的主要應用，這些將以單芯片的形式實(shí)現，這些單芯片中將集成多通道、混合信號A/D轉換以及專(zhuān)用的h/w處理和輔助的MCU系統管理。

　　利用PLC和I/O模塊、電機驅動(dòng)控制器和多軸控制器的一個(gè)實(shí)例是典型的包裝應用，這種應用包括一個(gè)用于卷繞材料的退繞輥子、一個(gè)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(gè)完成包裝后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(shí)，這種系統的開(kāi)環(huán)控制通常導致低的吞吐量(效率)和較差的質(zhì)量。最終的結果就是因為額外的QA檢查、監控以及產(chǎn)品損壞而增加了單位成本，且不說(shuō)連續監控所增加的額外人力成本(見(jiàn)圖1)。

　　圖1：工業(yè)控制中的開(kāi)環(huán)系統示意圖

　　相同系統的閉環(huán)作業(yè)將增加參數的監控和反饋功能，例如輥子的扭矩、速度和輥子上剩余材料的數量(長(cháng)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(gè)關(guān)鍵單元的震動(dòng)。上面例子中主電機驅動(dòng)函數(速度、張力和位置)的控制可以看成是一個(gè)伺服系統，可以通過(guò)增加像溫度和振動(dòng)這類(lèi)的二次測量來(lái)實(shí)現。

　　在伺服系統中，通過(guò)位置、速度/角速度和電流環(huán)實(shí)現閉環(huán)操作(見(jiàn)圖2)。

　　圖2：在伺服系統中，通過(guò)位置、速度/角速度和電流環(huán)實(shí)現閉環(huán)操作

　　位置環(huán)路通過(guò)輸出一個(gè)帶有由編碼器或解析器提供的旋轉角度反饋信息的速度/角速度命令，使電機的旋轉角度能達到所要求的位置。速度環(huán)路通過(guò)環(huán)路中的這一部分來(lái)控制由位置環(huán)路所設定的電機旋轉速度，環(huán)路由來(lái)自編碼器或解析器的反饋數據來(lái)關(guān)閉。速度環(huán)路輸出是電流環(huán)路的輸入，它為電機提供實(shí)現指定位置和速度的電流。電機電流值被反饋到電流環(huán)路，將命令和響應值之間的差值盡可能地減小到零。Teridian公司獲得專(zhuān)利的單轉換器技術(shù)架構和應用在其用于測量單相或多相功率測量的能量測量器件71M651x系列中的技術(shù)非常適用于這些類(lèi)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也非常適合上面談到的包裝應用中的電機保護。利用Teridian公司的專(zhuān)利的單轉換器技術(shù)，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(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、兩個(gè)UART和一個(gè)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(xiàn)圈，用于任何或所有輸入通道，并提供瞬態(tài)和延時(shí)的過(guò)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、能夠適于現場(chǎng)特定負載的傳統和慣用保護算法?？删幊?2位計算引擎(CE) 接收和處理來(lái)自22位A/D轉換器的所有傳感器數據，同時(shí)獨立于8位MCU運行，8位MCU負責處理更高的系統層面的管理和通信任務(wù)。這種混合信號測量子系統的分離以及管理子系統能夠提供高速度、高可靠性和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍，沒(méi)有外部中斷或不必要的處理開(kāi)銷(xiāo)。

　　整合一個(gè)多路復用輸入到22位Δ-∑ A/D轉換器，實(shí)現了最低成本，還改善了增益一致性、偏移一致性、降低了串擾并增強了設計靈活性。此外，Teridian公司的71M8100測量控制器器件利用相同的高性能架構開(kāi)發(fā)，能夠共享很多相同的功能，此外還有三個(gè)輸入可以被用于感測和控制二級參數，例如溫度、振動(dòng)、流程、壓力和濕度等。

　　總而言之，通過(guò)利用更專(zhuān)用的SoC

　　解決方案來(lái)實(shí)現閉環(huán)系統，降低了延時(shí)時(shí)間，工藝流程智能和控制可以從集中模式轉移到分布模式，不僅提高了效率和質(zhì)量，還相應地降低了單位成本。進(jìn)一步講，出現了進(jìn)一步提高工業(yè)自動(dòng)化、保護和控制的創(chuàng )新機會(huì )，并且可以用相同的基本芯片級架構來(lái)解決。