本刊記者 薛士然
自從2011年德國提出工業(yè)4.0的概念之后,智能制造和智能產(chǎn)品成為很多公司下一步的產(chǎn)品策略。工業(yè)4.0既是社會發(fā)展的一個愿景,也是一個正在實施的漸進過程。這其中包含了幾大要素:更多地實現(xiàn)工廠自動化,各行業(yè)間橫向和縱向更深入地相互融合,中央控制向分散智能控制轉(zhuǎn)變,以及大數(shù)據(jù)分析。要實現(xiàn)智能化制造、海量設(shè)備互聯(lián),面臨兩大考驗:數(shù)據(jù)和信息的安全保障,以及最大程度地提高能效。而要解決這些問題,MCU 在其中扮演非常重要的角色。
英飛凌作為工業(yè)4.0項目創(chuàng)始成員中唯一的半導(dǎo)體廠商,對于芯片在工業(yè)4.0中扮演什么角色,擁有自己獨特的理解。英飛凌認為,芯片是整個工業(yè)4.0 架構(gòu)的基礎(chǔ),要解決聯(lián)、感、知的基礎(chǔ)問題和執(zhí)行問題。具體來講,首先,高精度的工業(yè)傳感器是捕獲工業(yè)4.0環(huán)境下有效數(shù)據(jù)的關(guān)鍵;然后,MCU 對這些數(shù)據(jù)進行分析和計算,發(fā)出指令對生產(chǎn)進行智能控制;最后,MCU 再將指令傳達給功率半導(dǎo)體,保障設(shè)備高能效地進行生產(chǎn)。
身為德國公司,又是工業(yè)4.0 的發(fā)起者,英飛凌的XMC系列微控制器與工業(yè)4.0接軌,自然也順理成章。
XMC4800 是XMC4000 系列中面向高端應(yīng)用的產(chǎn)品,非常適合視覺機器人、伺服控制應(yīng)用,對工業(yè)4.0的發(fā)展會起到非常積極的推動作用。
XMC4800基于ARM Cortex-M4內(nèi)核,集成了片上閃存及模擬/混合信號處理和EtherCAT 節(jié)點。EtherCAT作為以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng),為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了標準;同時,降低了現(xiàn)場總線的使用成本。采用EtherCAT 總線,設(shè)備的過程數(shù)據(jù)可以實時提取和實時插入,不僅數(shù)據(jù)傳輸無延遲,而且EtherCAT通過硬件實現(xiàn),占用的MCU 資源非常少,所以在保證實時通信方面具有非常大的優(yōu)勢。
英飛凌科技股份公司工業(yè)和多元化電子市場業(yè)務(wù)部微控制器業(yè)務(wù)高級總監(jiān)Maurizio Skerlj表示,EtherCAT是目前發(fā)展比較快的一種總線系統(tǒng),而且加入EtherCAT協(xié)會是免費的,對于客戶來說,使用這一技術(shù)非常方便。事實上,已經(jīng)有多家公司在MCU 中集成了EtherCAT,而英飛凌XMC4800 的集成度非常高,原來需要MCU+FPGA或者MCU+ASIC 才能實現(xiàn)的EtherCAT,現(xiàn)在僅需一顆XMC4800即可,無需專門配置EtherCAT ASIC或FPGA、外接存儲器及PHY 專用的晶體振蕩器。這樣不僅降低了系統(tǒng)成本、節(jié)省了電路板空間,而且提高了系統(tǒng)的可靠性。此外,XMC4800 還支持在環(huán)境溫度高達125℃的條件下使用EtherCAT,非常符合工業(yè)通信應(yīng)用。
XMC4800配備144 MHz CPU、最高2 MB的嵌入式閃存、352Kb的內(nèi)存,以及適用于霍爾傳感器、編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器的接口單元,豐富的外設(shè)包括4個12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個12位D/A 轉(zhuǎn)換器、4個△-Σ 解調(diào)器模塊、6個捕獲/比較單元和2個定位接口模塊。
XMC1400基 于ARM Cortex-M0 內(nèi) 核,CPU 主 頻 為48 MHz,與96 MHz的數(shù)學(xué)協(xié)處理器配合,能夠提供更強的運算能力,可以節(jié)省高達94%的運算時間,接近Cortex-M3的處理能力。XMC1400擁有更多的通信接口及引腳封裝,集成了MultiCAN 模塊,支持CAN 2.0B,能夠滿足工業(yè)應(yīng)用中對CAN 通信的需求。
工業(yè)4.0時代,機器人會成為工廠的主角,對于設(shè)備的安全性要求十分苛刻。關(guān)于機器人傷人的事件屢有報道,英飛凌表示,公司的安全產(chǎn)品在智能制造過程中,能有效地對發(fā)出指令和接收指令的對象進行身份認證,防止信息被濫用或篡改。在公司內(nèi)部,英飛凌將安全分為兩類:數(shù)據(jù)安全(Security)和功能安全(Safety)。Security能夠保證設(shè)備避免商業(yè)間諜和網(wǎng)絡(luò)攻擊;Safety能夠保證設(shè)備的安全運行。在數(shù)據(jù)安全方面,XMC 所具有的安全下載模式,通過非對稱算法的硬件實施,可以很好地保證數(shù)據(jù)下載的安全性。在功能安全方面,XMC 系列產(chǎn)品不僅在硬件上提供很多安全保證,而且會推出專門的軟件“安全包”,配合客戶在SIL2和SIL3的系統(tǒng)設(shè)計要求,最大程度保證工業(yè)4.0時代機器的安全運行。
工業(yè)4.0將客戶和生產(chǎn)者直接聯(lián)系起來,實現(xiàn)批量生產(chǎn)的生產(chǎn)率和定制生產(chǎn)的個性化結(jié)合。隨著海量的數(shù)據(jù)蜂擁而至,所有工作的協(xié)調(diào)都需要無數(shù)集成MCU 的智能節(jié)點進行處理,由小小的芯片指揮工廠設(shè)備有序生產(chǎn),所以稱MCU 為工業(yè)4.0時代的“心臟”毫不為過。