自動化正在改變我們的日常生活，如果您對這一點還心存疑惑的話，那么西雅圖新開張的 Amazon Go 商店可以讓您打消這種疑惑。與許多其他商店一樣，這家商店主要出售生鮮產(chǎn)品，但兩者存在一個基本差異：客戶無需將產(chǎn)品拿到收銀臺付款。他們只需步入商店，選擇需要的商品，隨后即可揚長而去。

在線零售巨頭亞馬遜表示，該公司花費了四年時間才將 Amazon Go 推進到目前的測試階段，這家商店即將向擁有亞馬遜帳戶并安裝了相關智能手機應用的所有客戶開放?？蛻糁恍柙谶M入商店時掃一下手機屏幕即可。在他們離開商店時，購買款項將自動從亞馬遜賬戶扣取。系統(tǒng)甚至能夠檢測貨架上的商品何時更換。

這種自動化程度在消費零售店是前所未有的，但在短短幾年內(nèi)，它將很可能成為普遍現(xiàn)象。自動化的發(fā)展不會止步于此。

接近邊緣設備

亞馬遜表示，在西雅圖商店里部署的技術源自于目前集成在自主駕駛車輛中的相同技術：深度學習、機器視覺和傳感器融合。

隨著物聯(lián)網(wǎng)延伸到工業(yè)、醫(yī)療、汽車和零售行業(yè)，云的重要性日益凸顯。毫無疑問，大多數(shù)處理都在亞馬遜的云服務中進行，但越來越多的云服務提供商提供了類似的技術。Microsoft 推出了 Azure 平臺，也許他們是亞馬遜在這個領域的最大競爭對手，但還有很多已經(jīng)成功地為工業(yè)提供了云服務的公司，包括自主駕駛汽車制造商。

自動化很可能不斷擴張下去，并有很多方式，將比工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或所謂的工業(yè) 4.0 來得更重要，因為工業(yè)自動化正在簡化許多日用品的制造。

Amazon Go 已經(jīng)因為使用技術代替收銀臺員工而遭受詬病，但殘酷的現(xiàn)實是，他們下一步還很可能使用機器人為貨架補貨。這可能對就業(yè)市場產(chǎn)生更大壓力，它無疑將會迫使勞動力轉移到更加需要技能、不易實現(xiàn)自動化的崗位。這種自動化程度必將給我們的社會帶來轉變，但也需要更高程度的本地處理能力。它會產(chǎn)生對“邊緣處理”的需求，也就是我們現(xiàn)在所說的“霧計算”。

將信息存儲在云中，有一個不可避免的弊端就是它會產(chǎn)生延遲。在物聯(lián)網(wǎng)領域，特別是在自動化方面，延遲通常是個大問題。我們以家庭自動化為例。如果在按下電燈開關與電燈打開之間存在明顯的延遲，消費者就會不太情愿使用。在自動化涉及自主對象的情況下，例如貨架補貨機器人，延遲可能導致使用機器人變得不切實際。

因此，目前實現(xiàn) Amazon Go 和自主駕駛車輛的相同技術將必須也在邊緣設備上實現(xiàn)。就霧計算而言，可以在本地網(wǎng)關中，也可以是在設備本身中。

延遲是因為帶寬限制和處理速度而導致的，因此在接近邊緣設備的位置實現(xiàn)這些技術具有諸多優(yōu)勢。出于這個原因，很多領先的半導體供應商正在積極解決這個問題。

多核控制

嵌入式控制是微控制器數(shù)十年來一直使用的技術，雖然“自動化”的定義在快速演進，但可配置器件一直是它的核心。今天，為響應所有行業(yè)不斷提升的自動化要求，越來越多的高集成度器件也將自動化應用領域作為目標市場。

TMS320F2837xD 系列微控制器是 Texas Instruments’ Delfino? 產(chǎn)品系列的成員，它采用多核架構，在閉環(huán)控制應用中擁有空前強大的性能。閉環(huán)控制是工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)的基本部分，在自動化方面扮演了非常關鍵的角色。它們可以執(zhí)行更加高效的復雜控制算法，建立對系統(tǒng)的更嚴密控制。由于控制對自動化系統(tǒng)至關重要，因此計算性能越強越好。高性能總是有利有弊，因此半導體供應商正在努力開發(fā)在架構級別上提升性能的器件，正如雙核 Delfino 器件那樣。

雖然被稱為雙核微控制器，但稱其為多核器件更加準確。它們基于 TI 的 32 位 C28x 浮點單元，采用雙重實時控制子系統(tǒng)，能夠在 200 MHz 頻率下運行（圖 1 所示為 TMS320F2837xD 框圖）。所有子系統(tǒng)都有獨立的實時 32 位協(xié)處理器，稱為控制律加速器或 CLA。每個 CLA 都能在 200 MHz 頻率下同步執(zhí)行，因為這樣可以有效地將每個子系統(tǒng)的性能提高一倍。這樣還可將時間關鍵型功能轉移到 CLA 上執(zhí)行，而讓主內(nèi)核執(zhí)行其他功能。

圖 1：Texas Instruments 提供的雙核 Delfino 使用創(chuàng)新架構技術，以提高在控制和自動化應用中的實時性能。

每個 CLA 都有自身的總線結構和管線（請參見圖 2），能夠執(zhí)行八個特定任務中的一個。每個任務都按照優(yōu)先級次序完成，完成后再啟動下一個任務。任務可在軟件中觸發(fā)，或由外設觸發(fā)。

圖 2：Delfino 的控制律加速器協(xié)處理器可將每個子系統(tǒng)的性能提高一倍。

每個子系統(tǒng)都采用其他創(chuàng)新架構技術，包括三角數(shù)學單元 (TMU) 和 Virterbi/復雜數(shù)學單元 (VCU-II)。TMU 可加快在變換和扭矩回路計算中使用的三角運算的算法，VCU 則可加快通常在編碼應用中使用的復雜函數(shù)的計算。

該器件集成了 24 個帶增強功能的 PWM 通道和 16 個高分辨率 PWM 通道。這些外設非常適合用于實現(xiàn)三相永磁同步電機的多軸驅(qū)動和傳感 FOC（磁場定向控制）。

作為 TI 的 C2000 微控制器系列的成員，雙核 Delfino 器件受到 controlSUITE? 軟件環(huán)境的支持，該環(huán)境包括用于實現(xiàn)電機控制、數(shù)字電源、太陽能和 LED 照明應用的代碼庫。

實時通信

任何級別上的自動化都要依賴于分布式系統(tǒng)的不同部件之間的高速通信接口。廣泛用于提供通信的接口和協(xié)議是 EtherCAT?，全稱“用于控制自動化技術的以太網(wǎng)”。早在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 興起之前，EtherCAT 就已在 2003 年推出。如今，它卻成了兩者的使能技術。它提供短周期時間、低抖動和精確同步，這些優(yōu)點使得它非常適用于機器人、制造和自動化組裝系統(tǒng)。它采用單主、多從拓撲，旨在保證實時性能，其理論數(shù)據(jù)速率超過 100 MB/s。

當前很多微控制器都集成了 EtherCAT 接口的各方面特性，但只有一個系列產(chǎn)品能夠宣稱率先在基于 ARM? Cortex?-M4 的微控制器上集成了完整 EtherCAT 節(jié)點，也就是 Infineon 提供的 XMC4000 系列。具體來說，EtherCAT 集成在該系列的成員 XMC4300 和 XMC4800 中。

如圖 3 所示，XMC4300 搭載了幾個通信模塊以及 EtherCAT 從接口，包括 Ethernet MAC、USB、CAN 和 UART。它還專門添加了多個外設來支持工業(yè)控制，包括捕獲/比較單元、看門狗定時器、核芯溫度傳感器、實時時鐘模塊和系統(tǒng)控制單元。

XMC4300 能夠并行運行所有主要 EtherCAT 協(xié)議，包括 Standard EtherCAT、Safety over EtherCAT 和 Ethernet over EtherCAT。

圖 3：Infineon 提供的 XMC4300 是業(yè)界首個集成了全 EtherCAT 節(jié)點的微控制器。

與其他競爭器件相比，XMC4300 和 XMC4800 器件的差異在于它們的集成度。具體來說，XMC4300 集成了支持 EtherCAT 所需的全部存儲器和時鐘生成功能，而競爭產(chǎn)品可能需要外部存儲器或石英時鐘生成器，甚至同時兩者都需要。這種高集成度可以顯著降低 BOM 成本、PCB 面積和設計復雜度。Infineon 的 XMC4300 包括混合信號外設，包括兩個 8 通道 12 位 ADC 和一個 2 通道 12 位 DAC。

這款器件的另一大優(yōu)點是高帶寬 32 位總線將 EtherCAT IP 連接到 CPU。與分立式解決方案相比，它具有明顯優(yōu)勢，因為分立式解決方案使用了外部微控制器，從而限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘ㄍǔ?8 位或 16 位接口）。

總結

深度學習、機器視覺、傳感器融合等創(chuàng)新技術在工業(yè)、醫(yī)療、消費和汽車行業(yè)建立了新范式。高度集成的高級微控制器現(xiàn)在能夠針對更廣泛的應用，將該范式的基本控制和自動化功能集成到單個器件中。

霧計算和在邊緣設備處理為基于云的服務提供了進一步補充。像 TI 的雙核 Delfino 系列和 Infineon 的 XMC4300 這樣的器件將會進一步驅(qū)動創(chuàng)新，支持更加廣泛的自動化。