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    當MCU走向高性能,MCU還是MPU便不用再糾結了

    2021-07-30
    作者:王潔
    來源:電子技術應用
    關鍵詞: TI MCU MPU 實時控制

    微控制器(MCU)作為電子產品的心臟,被廣泛地應用到消費和工業電子產品中。如今,工業自動化、下一代汽車、智能分析和萬物互聯的發展推升對邊緣端MCU的性能要求,MCU產品的性能、實時控制能力以及通訊的多樣性和高速實時性要求越來越高。例如具體的工業應用中:新興應用需要更高等級的系統集成和邊緣智能;工業和汽車系統要依賴精準的實時控制和決策;分布式通信和自動化趨勢需要更高的網絡帶寬……

    實現工業自動化的三大關鍵技術

    工業 4.0 和工業自動化大規模發展,實時控制、工業聯網和邊緣分析可在自動化工廠中有效提高效率和生產力。

    實時控制:由于系統對時間的要求很嚴格,因此在進行實時控制時,系統需具有原始數據處理能力,并能在要求的精確時間內控制信號。對模擬信號進行精確控制非常關鍵,該過程可利用改進的控制算法來提高電機驅動器的可靠性和電動汽車的效率。這些處理需求已經超出了傳統 MCU 的功能范疇。

    工業網絡:工廠需要進行不同類型的數據交換,因此必須快速采用多種工業以太網標準,從而支持在各機器之間進行實時通信,以提高系統性能、安全性和可靠性。因此,需要一種不僅兼容多種不同的協議標準,而且工作速率高達 1Gbps的集成網絡解決方案。

    邊緣分析:機器學習算法的改進可促進局部優化,即每個機器或節點無需等待集中式決策即可執行操作。邊緣處理可顯著縮短響應時間,從而實現更好、更安全的人機協作。

    在電機控制和機器人等許多工廠系統中,處理器監督著模數轉換和數模轉換過程,但是,人們的高性能計算和控制需求對處理器的功能提出了更多要求。

    近日,TI推出了全新的Sitara AM2x系列MCU,應對高算力、高通訊速率以及高可靠性要求的系統設計挑戰。

    兼具處理器級計算性能和MCU 的設計簡易性

    TI的Sitara品牌歷史已久,并且在工業領域也已經得到了廣泛的應用,AM2x系列MCU是Sitara品牌全新系列的單片機,特點是兼具處理器級別的高算力的計算性能和MCU級別的設計便利性和易用性。

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    (圖源:TI公司)

    MCU是一個完整的系統,包括CPU、閃存和RAM以及通用控制,如電機控制、電源處理變換以及快速IO控制的需求,實時外設是MCU的突出優勢;此外,越來越多的MCU產品會看重功能安全和信息安全,傳統MCU里也加入很多信息安全相關的加速器或協處理器,或集成相關功能。

    傳統MPU處理器最大的特點是 CPU內核性能較高,基本上達到1 GHz或以上的處理器性能,而且多是多核。到目前為止,市場上最大份額的MPU都是使用了高階ARM處理器內核。同時,MPU會集成高性能RAM、DDR接口,達到整個系統內存和數據吞吐量的高速性能。由于在MPU上需要越來越多的算力,因此處理器內部會在內部集成協處理器,如深度學習、DSP和實時控制內核。處理器要求的通訊總線的速率、實時性、保密性越來越高,因此越來越多地集成工業通訊接口,如千兆以太網、TSN等工業現場所需要的高速通訊內核。

    Sitara AM2x是將傳統MCU和傳統MPU相結合的一款產品。德州儀器 (TI) 中國區嵌入式與DLP?應用技術總監師英介紹,TI將高性能的ARM內核、高性能RAM、高速信號處理、工業通訊高速實時總線接口整合在一起,再加上MCU里常見的功能安全以及信息安全功能和MCU獨有的實時外設,從而設計出了Sitara AM2x系列MCU。相比傳統的基于閃存的MCU產品,工程師可以利用AM2x系列將計算能力提高10倍。

    低功耗MCU實現處理器級性能

    AM243x MCU是AM2x系列器件的首發型號,具有多達四個Arm Cortex?-R5F內核,每個內核運行頻率高達800MHz。這4個R5F的Cortex內核加上內部的一些加速器和協處理器,可以提供高達6000 DMIPS的計算能力。

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    (圖源:TI公司)

    在機器人等工廠設備中,快速計算能力與MCU內部存儲器的高速訪問可同時幫助提高機器人的運動精度和運動速度,從而提高生產率。在典型應用中,AM243x器件可以在消耗不到1W有效功率的情況下達到6000 DMIPS計算性能水平。

    集成化設計實現邊緣端的實時控制與多協議網絡支持

    Sitara AM243x MCU集成了感應和驅動外設,能與處理器配合完成高精度電機控制或快速IO控制任務,使工廠自動化實現了低延遲實時處理和控制。

    AM243x器件擴展了TI對多個千兆工業以太網協議和時間敏感網絡 (TSN) 的支持,可實現下一代工廠網絡。借助AM243x,工程師可以利用經過認證的、TI直接提供的協議棧全面支持EtherNet/IP?、EtherCAT?、PROFINET?和IO-Link主站等工業通信標準,同時可以為工業自動化客戶提供專有支持,定制一套其獨有的基于TSN或基于工業以太網的私有協議。

    滿足SIL3標準,確保安全

    AM243x MCU的片上安全功能支持全新的加密要求,集成功能安全機制、診斷和輔助功能,可幫助系統集成商在其工業設計中達到IEC 61508標準的安全完整性等級(SIL) 3要求,或者是汽車安全完整性等級(ASIL)-D,符合工業和汽車領域所要求的功能安全標準。

    TI將所有的功能和性能都集成在一個芯片上,使得AM2x系列可以在邊緣端實現實時控制工業通訊、分析處理、信息安全和功能安全。同時,為進一步降低設計和開發的復雜性,TI的官網上還提供了很多簡單易用的開發工具,如Sitara AM2x MCU的評估套件AM243x LaunchPad,還有軟件包、SDK等配套的專用軟件;此外,通過MCU+ Academy這個全新的網上資源,工程師可以自己定義要學習的內容和課程進度,完成對處理器及配套工具和SDK的學習,進而幫助工程師加速其產品設計。

    據介紹,目前針對AM243x系列,TI可提供采用17mm × 17mm或11mm × 11mm封裝的預量產版本AM2431、AM2432和AM2434,市場定位在包括工業自動化、PLC、電機控制、機械臂、機器人,或工業多協議等廣泛的高速通訊接口的應用。

    工業應用領域涉及到各種各樣的終端設備,不同的終端設備對電子控制系統的要求不盡相同。TI的Sitara AM2x系列補上了MCU在處理性能上的“短板”,一個芯片即可集成易用性、實時性、高處理運算能力、安全性等,滿足各不同應用場景對高性能的運算、實時控制、實時通信、高集成度和易用性的需求,因此能夠幫客戶拓展設計選項。MCU還是MPU?試試Sitara AM2x MCU!

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