自動(dòng)化正在改變我們的日常生活，如果您對(duì)這一點(diǎn)還心存疑惑的話，那么西雅圖新開(kāi)張的 Amazon Go 商店可以讓您打消這種疑惑。與許多其他商店一樣，這家商店主要出售生鮮產(chǎn)品，但兩者存在一個(gè)基本差異：客戶無(wú)需將產(chǎn)品拿到收銀臺(tái)付款。他們只需步入商店，選擇需要的商品，隨后即可揚(yáng)長(zhǎng)而去。

在線零售巨頭亞馬遜表示，該公司花費(fèi)了四年時(shí)間才將 Amazon Go 推進(jìn)到目前的測(cè)試階段，這家商店即將向擁有亞馬遜帳戶并安裝了相關(guān)智能手機(jī)應(yīng)用的所有客戶開(kāi)放。客戶只需在進(jìn)入商店時(shí)掃一下手機(jī)屏幕即可。在他們離開(kāi)商店時(shí)，購(gòu)買款項(xiàng)將自動(dòng)從亞馬遜賬戶扣取。系統(tǒng)甚至能夠檢測(cè)貨架上的商品何時(shí)更換。

這種自動(dòng)化程度在消費(fèi)零售店是前所未有的，但在短短幾年內(nèi)，它將很可能成為普遍現(xiàn)象。自動(dòng)化的發(fā)展不會(huì)止步于此。

接近邊緣設(shè)備

亞馬遜表示，在西雅圖商店里部署的技術(shù)源自于目前集成在自主駕駛車輛中的相同技術(shù)：深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)和傳感器融合。

隨著物聯(lián)網(wǎng)延伸到工業(yè)、醫(yī)療、汽車和零售行業(yè)，云的重要性日益凸顯。毫無(wú)疑問(wèn)，大多數(shù)處理都在亞馬遜的云服務(wù)中進(jìn)行，但越來(lái)越多的云服務(wù)提供商提供了類似的技術(shù)。Microsoft 推出了 Azure 平臺(tái)，也許他們是亞馬遜在這個(gè)領(lǐng)域的最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但還有很多已經(jīng)成功地為工業(yè)提供了云服務(wù)的公司，包括自主駕駛汽車制造商。

自動(dòng)化很可能不斷擴(kuò)張下去，并有很多方式，將比工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或所謂的工業(yè) 4.0 來(lái)得更重要，因?yàn)?a target="_blank">工業(yè)自動(dòng)化正在簡(jiǎn)化許多日用品的制造。

Amazon Go 已經(jīng)因?yàn)槭褂眉夹g(shù)代替收銀臺(tái)員工而遭受詬病，但殘酷的現(xiàn)實(shí)是，他們下一步還很可能使用機(jī)器人為貨架補(bǔ)貨。這可能對(duì)就業(yè)市場(chǎng)產(chǎn)生更大壓力，它無(wú)疑將會(huì)迫使勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移到更加需要技能、不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的崗位。這種自動(dòng)化程度必將給我們的社會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)變，但也需要更高程度的本地處理能力。它會(huì)產(chǎn)生對(duì)“邊緣處理”的需求，也就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的“霧計(jì)算”。

將信息存儲(chǔ)在云中，有一個(gè)不可避免的弊端就是它會(huì)產(chǎn)生延遲。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，特別是在自動(dòng)化方面，延遲通常是個(gè)大問(wèn)題。我們以家庭自動(dòng)化為例。如果在按下電燈開(kāi)關(guān)與電燈打開(kāi)之間存在明顯的延遲，消費(fèi)者就會(huì)不太情愿使用。在自動(dòng)化涉及自主對(duì)象的情況下，例如貨架補(bǔ)貨機(jī)器人，延遲可能導(dǎo)致使用機(jī)器人變得不切實(shí)際。

因此，目前實(shí)現(xiàn) Amazon Go 和自主駕駛車輛的相同技術(shù)將必須也在邊緣設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。就霧計(jì)算而言，可以在本地網(wǎng)關(guān)中，也可以是在設(shè)備本身中。

延遲是因?yàn)閹捪拗坪吞幚硭俣榷鴮?dǎo)致的，因此在接近邊緣設(shè)備的位置實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。出于這個(gè)原因，很多領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商正在積極解決這個(gè)問(wèn)題。

多核控制

嵌入式控制是微控制器數(shù)十年來(lái)一直使用的技術(shù)，雖然“自動(dòng)化”的定義在快速演進(jìn)，但可配置器件一直是它的核心。今天，為響應(yīng)所有行業(yè)不斷提升的自動(dòng)化要求，越來(lái)越多的高集成度器件也將自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域作為目標(biāo)市場(chǎng)。

TMS320F2837xD 系列微控制器是 Texas Instruments’ Delfino? 產(chǎn)品系列的成員，它采用多核架構(gòu)，在閉環(huán)控制應(yīng)用中擁有空前強(qiáng)大的性能。閉環(huán)控制是工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本部分，在自動(dòng)化方面扮演了非常關(guān)鍵的角色。它們可以執(zhí)行更加高效的復(fù)雜控制算法，建立對(duì)系統(tǒng)的更嚴(yán)密控制。由于控制對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)至關(guān)重要，因此計(jì)算性能越強(qiáng)越好。高性能總是有利有弊，因此半導(dǎo)體供應(yīng)商正在努力開(kāi)發(fā)在架構(gòu)級(jí)別上提升性能的器件，正如雙核 Delfino 器件那樣。

雖然被稱為雙核微控制器，但稱其為多核器件更加準(zhǔn)確。它們基于 TI 的 32 位 C28x 浮點(diǎn)單元，采用雙重實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)，能夠在 200 MHz 頻率下運(yùn)行（圖 1 所示為 TMS320F2837xD 框圖）。所有子系統(tǒng)都有獨(dú)立的實(shí)時(shí) 32 位協(xié)處理器，稱為控制律加速器或 CLA。每個(gè) CLA 都能在 200 MHz 頻率下同步執(zhí)行，因?yàn)檫@樣可以有效地將每個(gè)子系統(tǒng)的性能提高一倍。這樣還可將時(shí)間關(guān)鍵型功能轉(zhuǎn)移到 CLA 上執(zhí)行，而讓主內(nèi)核執(zhí)行其他功能。

圖 1：Texas Instruments 提供的雙核 Delfino 使用創(chuàng)新架構(gòu)技術(shù)，以提高在控制和自動(dòng)化應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性能。

每個(gè) CLA 都有自身的總線結(jié)構(gòu)和管線（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2），能夠執(zhí)行八個(gè)特定任務(wù)中的一個(gè)。每個(gè)任務(wù)都按照優(yōu)先級(jí)次序完成，完成后再啟動(dòng)下一個(gè)任務(wù)。任務(wù)可在軟件中觸發(fā)，或由外設(shè)觸發(fā)。

圖 2：Delfino 的控制律加速器協(xié)處理器可將每個(gè)子系統(tǒng)的性能提高一倍。

每個(gè)子系統(tǒng)都采用其他創(chuàng)新架構(gòu)技術(shù)，包括三角數(shù)學(xué)單元 (TMU) 和 Virterbi/復(fù)雜數(shù)學(xué)單元 (VCU-II)。TMU 可加快在變換和扭矩回路計(jì)算中使用的三角運(yùn)算的算法，VCU 則可加快通常在編碼應(yīng)用中使用的復(fù)雜函數(shù)的計(jì)算。

該器件集成了 24 個(gè)帶增強(qiáng)功能的 PWM 通道和 16 個(gè)高分辨率 PWM 通道。這些外設(shè)非常適合用于實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電機(jī)的多軸驅(qū)動(dòng)和傳感 FOC（磁場(chǎng)定向控制）。

作為 TI 的 C2000 微控制器系列的成員，雙核 Delfino 器件受到 controlSUITE? 軟件環(huán)境的支持，該環(huán)境包括用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制、數(shù)字電源、太陽(yáng)能和 LED 照明應(yīng)用的代碼庫(kù)。

實(shí)時(shí)通信

任何級(jí)別上的自動(dòng)化都要依賴于分布式系統(tǒng)的不同部件之間的高速通信接口。廣泛用于提供通信的接口和協(xié)議是 EtherCAT?，全稱“用于控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)”。早在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 興起之前，EtherCAT 就已在 2003 年推出。如今，它卻成了兩者的使能技術(shù)。它提供短周期時(shí)間、低抖動(dòng)和精確同步，這些優(yōu)點(diǎn)使得它非常適用于機(jī)器人、制造和自動(dòng)化組裝系統(tǒng)。它采用單主、多從拓?fù)?，旨在保證實(shí)時(shí)性能，其理論數(shù)據(jù)速率超過(guò) 100 MB/s。

當(dāng)前很多微控制器都集成了 EtherCAT 接口的各方面特性，但只有一個(gè)系列產(chǎn)品能夠宣稱率先在基于 ARM? Cortex?-M4 的微控制器上集成了完整 EtherCAT 節(jié)點(diǎn)，也就是 Infineon 提供的 XMC4000 系列。具體來(lái)說(shuō)，EtherCAT 集成在該系列的成員 XMC4300 和 XMC4800 中。

如圖 3 所示，XMC4300 搭載了幾個(gè)通信模塊以及 EtherCAT 從接口，包括 Ethernet MAC、USB、CAN 和 UART。它還專門添加了多個(gè)外設(shè)來(lái)支持工業(yè)控制，包括捕獲/比較單元、看門狗定時(shí)器、核芯溫度傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和系統(tǒng)控制單元。

XMC4300 能夠并行運(yùn)行所有主要 EtherCAT 協(xié)議，包括 Standard EtherCAT、Safety over EtherCAT 和 Ethernet over EtherCAT。

圖 3：Infineon 提供的 XMC4300 是業(yè)界首個(gè)集成了全 EtherCAT 節(jié)點(diǎn)的微控制器。

與其他競(jìng)爭(zhēng)器件相比，XMC4300 和 XMC4800 器件的差異在于它們的集成度。具體來(lái)說(shuō)，XMC4300 集成了支持 EtherCAT 所需的全部存儲(chǔ)器和時(shí)鐘生成功能，而競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品可能需要外部存儲(chǔ)器或石英時(shí)鐘生成器，甚至同時(shí)兩者都需要。這種高集成度可以顯著降低 BOM 成本、PCB 面積和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。Infineon 的 XMC4300 包括混合信號(hào)外設(shè)，包括兩個(gè) 8 通道 12 位 ADC 和一個(gè) 2 通道 12 位 DAC。

這款器件的另一大優(yōu)點(diǎn)是高帶寬 32 位總線將 EtherCAT IP 連接到 CPU。與分立式解決方案相比，它具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榉至⑹浇鉀Q方案使用了外部微控制器，從而限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘ㄍǔ?8 位或 16 位接口）。

總結(jié)

深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)、傳感器融合等創(chuàng)新技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)和汽車行業(yè)建立了新范式。高度集成的高級(jí)微控制器現(xiàn)在能夠針對(duì)更廣泛的應(yīng)用，將該范式的基本控制和自動(dòng)化功能集成到單個(gè)器件中。

霧計(jì)算和在邊緣設(shè)備處理為基于云的服務(wù)提供了進(jìn)一步補(bǔ)充。像 TI 的雙核 Delfino 系列和 Infineon 的 XMC4300 這樣的器件將會(huì)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，支持更加廣泛的自動(dòng)化。