用ARM架构处理器的优化工业控制方案

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。

　　Sitara MPU支持开发硬件、驱动器以及针对开源Linux与Windows Embedded CE6的电路板支持套件，并具有诸如Neutrino、Integrity以及VxWorks等RTOS的第三方支持，因而具有加速产品上市的优势。

　　功耗

　　功耗现已成为所有应用的一个重要特征，其中包括电力线供电的应用。不过便携式设计主要关注处理器功耗，工业系统设计人员则将精力集中在尽可能保持低的效用成本。而且更低的功耗还具有积极的环保效应。

　　马达在生产车间和加工厂中普遍存在，通常会消耗工厂大量的电能。让人有些惊奇的是，MCU内核的确定性性能可在电源效率方面发挥重要的作用。比如在Cortex-M3中，MCU中断服务响应效率提升60%时，系统级功耗将降低。中断服务速度提高60%意味着MCU可将马达的停止与启动速度提高60%，而且节约的电能可在一年中累加。此外Cortex-M3内核的高性能可用于实现智能数字换流，从而可以选择更小的马达投入使用，还可以选择更高效率的马达或者对马达性能进行改进(例如AC感应马达由空间矢量调制驱动，而不是由简单的正弦算法来驱动)，所有这些均可降低所需的系统电能。Stellaris MCU包含带有死区定时器的专用马达控制PWM以及针对闭环控制的QEI，可帮助设计人员利用Cortex-M3内核的计算能力提高效率，降低功耗。

　　另一个功耗问题是设计全面封闭的工厂自动化系统以预防车间环境下普遍存在的灰尘和其它污染物的趋势。如果对处理器及相关电子设备进行制冷需要采用一个以上散热片，设计人员就必须考虑采用通风口和风扇，为不使最初的全密闭系统目标落空，必须安装昂贵的强制通风清洁系统。

　　Sitara系列MPU可通过适应性软硬件技术满足更低功耗的需求，该产品可通过IC操作动态控制电压、频率以及功耗。

　　外设与I/O

　　基于标准ARM架构的处理器内核价值在于其具有众多的优势。因为系统级设计都建立在MPU与MCU基础之上，所以IC制造商在围绕内核的片上系统中提供的功能也同等重要。存储器选项是一个重要因素，由于片上外设提供其余的产品差异化，因此外设与IO接口的类型和数量也是非常重要的因素。

　　上面讨论了两个重要的通信块，CAN控制器和支持1588协议的以太网MAC与PHY。下面列出了各种IO选项，其中许多选项都具有巨大的市场需求，因为它们可实现广泛的数据传送应用。

　　I2C：用来连接低速外设的多主控串行计算机总线。

　　UART/USART：高级高速通用通信外设。

　　SPI：运行在全双工模式下的广泛使用的同步串行数据链路。

　　内部集成声控(I2S)：可将低失真信号驱动到外部IC以实现音频应用。

　　外部外设接口(EPI)：具有各种模式的可配置存储器接口，可支持SDRAM、SRAM/闪存、传统的主机总线x8及x16外设，以及150MB/秒的快速机器对机器(M2M)并行传输接口。

　　通用串行总线(USB)：用于点对点或多点应用的USB接口，通常包括支持机器配置外部存储或USB OTG的USB主机。

　　在工业应用中，超高速通用I/O(GPIO)、脉宽调制(PWM)、正交编码输入以及模数转换器(ADC)通道等功能对于马达控制及其它机械和加工设备都非常重要。图3是一个高端MCU的结构图，主要说明了片上所能集成这些功能的数量。

　　图3：基于Cortex-M3的Stellaris 9000系列MCU提供了丰富的外设集合

　　大多数IC厂商均可提供上述所有片上功能。在一些实例中，可通过更稳健的实施来实现产品差异化。Stellaris系列器件上集成的以太网MAC与PHY和支持IEEE 1588是该产品差异化的良好范例。

　　另一个例子就是TI Sitara系列ARM9 MPU上提供的可编程实时单元(PRU)。PRU是一款具有有限指令集的小型处理器，可通过配置为片上不具备的实时功能提供特定资源。

在工业控制应用中，PRU通常针对IO进行配置。这可能是一种该产品线任何MPU都不具备的定制接口或IO块。与添加外部芯片执行相同功能相比，使用PRU可帮助节省系统内成本。例如CONTROL ENGINEERING China版权所有，工业设计人员可利用PRU实现UART或工业现场总线(如Profibus)等附加的标准接口。PRU的全面可编程性甚至可帮助设计人