就微控制器的 應用而言，沒有任何一種產業像工業自動化與控制市場一樣發展得如此迅速。由於亞洲及中國等主要製造工廠自動化程度的提高，新技術被用來提高效率，對製造及 產品成本有著重要影響。儘管集中式控制可改善任何特定製造製程的整體可視性，但可能並不適合那些響應延遲和處理延遲會導致故障的關鍵應用。
本文將介紹這種關鍵應用的實例，這些實例在製程中接近節點的部份增加了智慧和處理能力，將大幅改善效率和可靠性。新的系統單晶片(SoC)設計提供必要的智慧來實現關鍵的加工測量與參數控制。本文還將討論幾種SoC設計中的特殊改良，以解決目前快速成長的工業領域中，設計和選擇微控制器所面臨的挑戰及相關解決方案。
從歷史角度來看，仰賴僅具備有限製造知識的手工業者以製造商品的時代並不遙遠，如鞋、帽子、衣服、器皿以其它物品等。產品的品質與數量取決 於特定手工業者的技能和該產業的從業人數。最初的生產線增加了產量，隨之而來的是產品品質的提升。任何指定產品的製造被分割成簡單的分離式步驟，每個步驟 由生產線上的一個工人重複地處理，然後這個工人再將半成品轉送到下一個作業員。每一個作業人員僅接受針對某個特定步驟的有限培訓，整體處理流程由領班或主 管負責。使用不熟練或半熟練的勞力就可確保快速提升品質與數量，以及消費產品的可用性。
這些手工業者和早期組裝線作業人員的分離式步驟在之後實現了機械化，這實現了從人力資本(人)到集中式本地機械化製程的轉移。隨著集中式 控制的增加，任何特定製程步驟的可視性(特別是在早期)越來越低，中央控制指令從發佈到實際執行的延遲變得越來越長。某些時候，與集中式控制相關的更多函 數與響應時間延遲，對整體製程生產量的影響會比每個單獨製程步驟的限制大。
目前的製程最佳化策略包括從類比到數位I/O(感測器和驅動器)的轉換、分離製程步驟的銜接，以及從單一集中式控制拓樸到一個分散式的拓 樸結構轉移。隨著對智慧功能的需求進一步趨向製程節點與每個獨立的步驟/任務，更專用的解決方案，如微控制器與FPGA，正逐步取代大型通用工作站與處理 器。
就未來的發展而言，混合訊號SoC設計將需要更多處理能力，以使其卸載本地任務，而‘主從式架構’(client-server)的集中 式控制模型則將成為類似‘點對點’(peer to peer)的分散式模型。像PLC和I/O模組、溫度/製程控制器、CNC機床等設備類型，以及如流量/位準測量、編碼器/解析器、測量儀/指示器/極限 警報、馬達保護以及斷路器等其它應用，將成為進一步改進本地智慧的主要應用，這些應用將以單晶片形式實現，這些單晶片中將整合多通道、混合訊號A/D轉換 以及專用的h/w處理和輔助的MCU系統管理。
利用PLC和I/O模組、馬達驅動控制器和多軸控制器的實例之一是典型的封裝應用，這種應用包括一個用於捲繞材料的退繞滾輪、一個用於傳送需要封裝物品的進料裝置，以及一些封口位置和一個完成封裝後移走物品的傳送裝置。
當被封裝材料的登記資訊不足、封裝材料張力不一致及密封情況不良時，這種系統的開放迴路控制通常會導致低的生產量和較差的品質。最終結果就是因為額外的QA檢查、監控以及產品損壞而增加了單位成本，這還不包括連續監控所增加的額外人力成本(見圖1)。
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圖1：工業控制中的開放迴路系統示意圖。
相同系統的封閉迴路作業將提升參數的監控和反饋功能，如滾輪的扭矩、速度和滾輪上剩餘材料的數量(長度)、進料和出料傳送裝置的速度/張力、封口滾 輪的溫度和壓力、待封裝產品的登記/定位以及任何關鍵單元的震動。上述例子中主馬達驅動函數(速度、張力和位置)的控制可視為一個伺服系統，可透過增加像 溫度和振動這類的二次測量來實現。
在伺服系統中，可透過位置、速度/角速度和電流環實現封閉迴路作業(見圖2)。
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圖2：在伺服系統中，透過位置、速度/角速度和電流環實現封閉迴路作業。
位置迴路透過輸出一個具有由編碼器或解析器提供之旋轉角度反饋資訊的速度/角速度命令，使馬達的旋轉角度能達到所要求的位置。速度迴路透過迴路中的 此部份來控制由位置迴路所設定的馬達旋轉速度，迴路由來自編碼器或解析器的反饋數據來關閉。速度迴路輸出是電流迴路的輸入，它為馬達提供實現指定位置和速 度的電流。馬達電流值被反饋到電流迴路，將命令和響應值之間的差值盡可能減少到零。Teridian公司獲得專利的單轉換器技術架構，及其用於測量單相或 多相功率測量之能量測量元件71M651x系列中的技術，相當適合這類應用所要求的高精密度電流測量。
一種作為斷路器和繼電器保護的漏電跳閘器的新元件─71M6403也 非常適合上述封裝應用中的馬達保護。利用Teridian公司的專利單轉換器技術，71M6403整合了22位元的Δ-Σ ADC、6個主要與1個二次電流感測器輸入、數位溫度補償、精確的電壓基準、32位元可編程運算引擎、定時器、即時時脈(RTC)、兩個UART和一個單 週期執行的8位元MCU。
採用內建的數位di/dt積分器，這種可編程元件針對任何輸入通道支援電流變換器或Rogowski線圈，並提供瞬態和延遲的過電流、地 泄漏、接地故障、電弧故障保護功能。此外，元件還能被配置，以支援數量任意的、適合現場特定負載的傳統和慣用保護演算法。可編程32位元運算引擎(CE) 接收和處理來自22位元A/D轉換器的所有感測器數據，並獨立於8位元MCU之外執行，8位元MCU負責處理更高系統層級的管理和通訊任務。這種混合訊號 測量子系統的分離與管理可提供高速、高可靠性和優異的動態範圍，沒有外部中斷或不必要的處理開銷。
在22位元Δ-Σ A/D轉換器中整合多工輸入，可實現低成本方案，並改善增益與偏移的一致性、降低串擾並提升設計靈活性。此外，Teridian公司的71M8100測量 控制器元件採用相同架構，可提供多種共享功能，此外，該元件還有三個輸入可用於感測和控制二級參數，如溫度、振動、流程、壓力和濕度等。
整體而言，透過利用專用SoC解決方案來實現封閉迴路系統，將可降低延遲時間，同時製程流程的智慧和控制功能也能從集中模式轉移到分散式模式，不僅提高了效率和品質，還降低了單位成本。這提供了進一步提高工業自動化、保護和控制的創新機會，並可採用相同的基本晶片級架構。
作者：Tom Kapucija
銷售總監
Teridian Semiconductor
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