自动化新变革：雅特力AT32 MCU与智慧共生

物联网所谈论的议题是一个大方向，往应用细分又可分为智慧城市、智慧交通、智慧医疗、工业物联网(IIoT)等，而工业物联网和工业4.0的概念是密不可分的，着重于互联性、自动化、机器学习及实时数据等多方面。工业物联网是现今除了消费性应用以外，对于实现物联生活使用范围最广的，涵盖领域包含整个工业应用。

工厂自动化带来生产效率和产品质量的提升，并有效解决了有限人力的困境。从产线自动化到无人车搬运系统，再加上机器人、机械手臂助力，驱动工业物联网快速发展。然而要实现真正的智能工厂，对于很多企业来说都是任重而道远。在传统工厂尚未进行数字化转型前，仅能依照第一线员工分散记录生产状况，制作表格整理数据，管理者凭借过去经验和假设做出决策判断。这样耗时耗力地组织整理报告、等待管理者决策，往往耽误了排除问题的最佳时机。

传统工厂升级为智能工厂首要任务，将老旧的机器设备进行可程序化逻辑控制器(PLC)和传感器(Sensor)对接，利用Sensor前端采集资料，可视化的设备进行数据分析，通过通讯设备将资料传输至控制器做实时监控，最后回传到云端管理，形成完整的工业联网。然而要做到这样的技术，必须在现有的设备上安装嵌入式或非嵌入式的联网设备，利用MCU的高运算、小体积、低成本优势，执行硬设备的通讯、边缘运算、实时反应和电机控制等功能，加速推动传统工厂转型。IIoT特性在于拥有灵活高速的通讯网络、快速的分散式运算能力以及有助提高分析的边缘运算技术。这些技术能力缺一不可，用于信号撷取和驱动控制的PLC，与协助工厂设备运作的电机控制系统，在对系统处理的要求上与日俱增，传统8-bit MCU已无法满足制造商的需求，因此采用32-bit MCU才能达到更好的性能要求(图1)。

图1. AT32 MCU导入IIoT设备应用

目前Arm®处理器内核作为工业和汽车系统中高集成、低成本MCU的行业标准，特别是ARM® Cortex®-M4 32-bit MCU，除了继承Cortex-M3内核优势，内建数位信号处理器(DSP)，可选择附加单精度浮点单元(FPU)，让Cortex-M4拥有高精度复杂的运算能力，且具有可访问性的优势，易于开发人员易编写软件。

Cortex-M4 32-bit MCU能有效改善低延迟、精确度及电力管理等问题，将传统MCU功能简化集中至单一芯片，并提供大容量内存，灵活弹性运用，优化系统成本。同时提供开发软件平台便于工程设计人员开发，带来高效处理、实时控制、网络通讯、数据分析和安全控制等功能。雅特力专注于32位微控制器研发与创新，采用ARM® Cortex®-M4高效能或M0+低功耗内核，在运算效能和精度上实现技术上的突破，超越市场上同级芯片，AT32 MCU在工业自动化运用中崭露头角，表现出一定的优势。

实时反应和控制

为确保工厂设备安全和机器的连续运作，精确的类比信号控制至为关键，必须在规范的时间内控制信号，通过快速处理大量的数据，做出实时反应和控制。特别是在数十万转的电机驱动应用上，因电机转速快电流频率高、电机线圈电感小，需要提供高频、高解析的PWM电压，方能使电机高效稳定运转。例如，雅特力推出的AT32F435/437系列MCU，采用最高主频288MHz，支援FPU浮点运算，内建超大容量4032KB Flash和高达512KB SRAM，让CPU能以零等待周期访问(读/写)(图2)。且内嵌自动时钟校准(ACC)模块，ACC可校准高速内部时钟HICK 48 MHz，并保证HICK在芯片可操作温度范围内的最佳准确度，满足各种运动控制和智能控制对高运算力、高精度的需求。

图2. 零等待Flash映射区块简化设计降低系统复杂性

AT32 MCU将丰富的外设如CAN总线、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定时器等外围元件整合成单片机系统，通过高阶软件编程进行最优化设计，建立在弹性的硬件区块上，针对不同应用需求进行软件设定，具备可扩充性和系统兼容性，降低系统复杂度。除上述多元接口外，还包含双DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太网络和USB OTG等，提高资料传输效率和可靠性;并建立完整的系统生态链，包含开发环境、实时作业系统(RTOS)以及通过雅特力验证的第三方软件资源，并符合国际电工委员会(IEC)制定的IEC-60730国际安全标准规范，如此强大丰富的资源及便利性，有助于产品快速开发上市。

大容量内存提升灵活性

AT32 MCU可搭配标准规格的扩充板，适用于快闪存储器编程和运行控制的内置调试接口，快闪存储器(QSPI)具备高读取频宽，加速高效能嵌入式系统的资料存取及编辑，完成系统的快速编程执行，通过先进制程技术，集成更大容量SRAM进行数据缓存，执行复杂的系统代码与弹性应用。AT32F403A/407系列及AT32F435/437系列，提供256~4032KB Flash、96~512KB SRAM超大存储器选用，灵活应用于各种工业自动化控制领域，如化工、塑料、纺织、包装、印刷、中央空调、环保设备等生产机械设备(图3)。

图3. AT32 M4/M0+ MCU FAMILY提高能源效率

未来工业化的设备将增加更多控制程序和传感器来提升安全性，这些都需要大量的计算能力。例如，设备上增加异常检测功能，在即将发生灾难性的故障前，提前进行预防保养，确保设备发生故障时工厂仍能安全地运作，减少工厂停机时间，并增加多种通讯方式。或是在工厂自动化升级中，实现无线抄表和数据传送功能的低功耗电磁流量计与电流表，节省人力资源和提升效率。AT32WB415系列采用低功耗(BLE)蓝牙5.0，集成蓝牙射频(RF)收发器与基带(baseband)功能所组成的无线通讯型MCU，作为工厂建设首选;由于工厂设备需随时处在联网情况下，能源管理为一大挑战，须解决低运行功耗和低待机功耗等问题，AT32L021系列将于2022下半年推出，主频采用72MHz，片上集成了丰富的外设外围，且扩展了1个采样率高达2 Msps的12位ADC，几乎所有的I/O接口可容忍5V输入讯号，适用于高速数据采集、工业及电机控制，且芯片于待机模式下可达约1uA，深度睡眠模式约20uA的优异功耗表现。

根据Market Research Future分析报告预测，从现在到2023年，物联网微控制器市场的复合年增长率(CAGR)将达到12%，届时年收入将达到近40亿美元。工业物联网的应用多偏重工厂环境设备与大量远距离传感器的连接，因此需要高速的资料传输和数据处理能力同时保持低功耗的电力，也是雅特力MCU一直为之努力的方向。