用ARM架构处理器优化工业控制

    运营现代化的工厂和加工车间，在技术上都非常复杂。为实现对机械设备和生产过程的精确控制，生产企业需要采用最新系列的传感器、致动器以及伺服系统。作为添加技术以获得精确控制功能优势的范例，各个联网与自动化层现已通过连接至IT网络的控制网络添加到工厂生产车间，它们可提供商业信息与策略，这些信息和策略转而推动生产决策的制定。

这种网络化的集中工业控制模式使得技术人员与工业控制工程师能够访问丰富的数据，以便对工厂运营过程进行观察、微调和优化。工厂厂长与企业高管只需浏览一下仪表盘便能全面了解整个工厂的工作效率。

在过去，处理过程都是采用手动控制，工厂的每个环节也都是独立运作的。通过访问描述工厂实际运营状态的实时数据，管理人员能够更好地了解工厂的日常运行情况，并根据实时负载来调整商业策略。

从孤立节点到全面联网设施已经历了若干年的逐渐转变。这种转变大多是特定性或无计划的，当前工业控制设计的各个方面仍将重点紧密地放在其自身总线、网络以及控制器的特殊分类上，因此产生了分离的工业控制系统设计。

尽管现在已经有了从上到下统一的联网工业控制模式，但如果以从下往上的角度去看，也就是从每个部分的中央处理单元来看，就显得非常零散了。迄今为止，可高效运行在控制底层所有层面上的单个IC处理器架构根本是不存在的。

处理器技术的最新发展为设计人员在统一的工业控制模型下实现创新带来了良机。通过在控制的各个层面对性能、功能及通信要求作仔细分析，利用统一的标准处理器内核架构，设计人员不但能够以极具竞争力的价格获得最优解决方案，而且还可以通过软件复用来降低软件的开发成本，并大幅缩短设计周期。

控制层次

典型的工业控制系统可被描述成一个4层的分层结构：传感器和致动器，用来监控工业过程、报告状态信息以及在需要时用来改变状态；电动机以及诸如电感加热器之类的其它系统，用来实现生产过程或运作状态的改变；对传感器节点传送的信息进行分析并向驱动系统发出指令以实现所需改变的各种控制，包括用来连接设备的可编程逻辑控制器（PLC）网络与可编程自动化控制器（PAC）网络；人机界面（HMI）模块和显示屏，为工程技术人员提供算法处理过的可视工厂状况。

直到今天，还没有一种软件兼容的处理器架构能够以高性价比来满足工业控制所有4层的需求。设计人员可通过采用一个公共的处理器架构来减少必须购买的软件开发工具的数量，提高可复用代码总量，并在熟悉的开发环境下进行专项开发。

ARM架构是一种免费授权的开放式架构，因此没有使用权限的问题。作为一种开放式架构的优势使ARM架构成为了一个事实标准，为开发稳健、多样化的、全球第三方软硬件生态系统奠定了基础。

作为嵌入式处理领域的领先者，ARM公司提供了能够满足工业控制各层性能要求的多种处理器内核。内核的革命性发展促进了软件的兼容性与架构的连续性。从Cortex-M3内核到Cortex-A8处理器的升级具有完全的软件兼容性，因而能更轻松地开发具有通信功能的控制系统，这些通信功能仅需一次开发和测试就可运行在多种性能下。需要注意的是，一些ARM内核已集成了支持确定性行为与多任务处理等工业控制功能的硬件。

虽然内核提供了一个不错的起点，但整合了ARM架构内核的微控制器（MCU）与微处理器（MPU）还必须提供集成外设和存储器选项的适当组合。随着工业控制范畴中的应用不断增加，这种要求转变成为一种对大型产品系列的需求，包括各种价格、性能以及功能的解决方案。

最后，可简化开发过程并使代码复用最大化的专业级软件开发工具对帮助设计人员实现采用统一架构模型的控制系统具有十分重要的意义。

用来说明ARM内核的灵活性与应用范围，以及确定面向分立控制功能的MCU与MPU外设正确组合的最佳方法，就是分析图1所示的控制层次各层的要求。

图1：自动化工厂具有4个基本的生产过程控制层

人机界面（HMI）

从处理角度来看，对位于控制层次顶层的HMI要求是最高的。

具备触摸屏按钮、滑动条以及基本2D图形的基本用户界面可由MCU（例如基于ARM Cortex-M3的MCU）来处理。除此之外，还需要有高级操作系统，并且用户界面解决方案要从MCU转变成MPU。

在自动化设备中，通过远程控制站工作的操作人员需要尽可能多地监控和观察工厂车间情况。要实现全面的观测，就需要3D图形和视频等全新的图形功能。例如，让操作人员观察分布式工业控制系统的方法之一，就是通过点击显示器上特定机械或部位的标签来进行访问。

高级HMI不但能够显示算法处理的数据、2D与3D图形以及由工厂车间监控摄像机传送的视频，而且还可在窗口中显示重要流程或生产指标。缩放、渲染以及窗口显示是高级HMI的普通功能。触摸屏、小键盘以及语音均是可选的输入类型，而所有这一切都需要MPU的接口或外设支持。

与生产车间操作进行高级交互非常重要，其中包括监控摄像机的转换视图、需求的请求报告，以及发出改变流程或装配线的命令。控制台可轻松接收和处理来自基本控制网络层的数百个设备的数据。