精巧。精確。連線。透過智慧邊緣運算提高生產力

Nov 30, 2021

Other Parts Discussed in Post: AM6442, AM6441, AM6421, AM6412, AM6411

作者：德州儀器 Srik Gurrapu

全世界人口有 78 億，而且仍持續增加，預計到 2050 年將達到 100 億。不斷增加的人口需要安全可靠的基本必需品，例如食物、衣服和不斷提升的舒適度。現今的工業 4.0 技術以及未來的智慧製造、智慧建築和智慧電網的工業 5.0 創新可以滿足這些要求。

工業 4.0 雲端架構中使用的高性能多核心處理引擎從數千個邊緣感測器收集數據，並執行複雜的分析來管理工廠運作。隨著端對端自動化增加，需要管理的感測器和相對應數據數量也呈等比級數增加。智慧工廠可能有超過 50,000 個感測器，每天產生數 PB；即使是標準的辦公大樓也能產生數百 GB 的數據。

國際數據公司估計，到 2022 年，40% 的數據將直接在產生數據「邊緣」儲存、管理、分析和保存。雲端外運算的發展促成對於精巧、精確和連線邊緣設備的要求。這些邊緣設備有三個關鍵要求：即時運算、多通訊協定工業網路能力和可在現場部署的網路服務能力。圖 1 說明工業應用中的這些要求。

TI 的 AM64x 系列 Sitara 即時網路處理器直接滿足這些要求。

圖 1：智慧邊緣運算要求

可運用 AM64x 系列功能的系統包括交流伺服馬達驅動器、工業可程式邏輯控制器 (PLC)、工廠自動化中的運動控制器、物聯網、建築自動化中的閘道、電網自動化中的數據集中器、高精密度數據 - 採集系統、3D 攝影機等等。

交流伺服馬達驅動範例

考量圖 2 所示的伺服驅動器 - 現代自動化的基本要素。伺服驅動器控制從 CNC 機器、機器人、傳送帶、倉庫自動化等等用途的馬達。例如，AM6442 具備四個高性能 Arm® Cortex®-R5F 核心，各個核心的執行頻率高達 800 MHz，提供總計 6,400 個即時 Dhrystone 每秒百萬指令 (DMIPS)，並支援最低 3 µs 的高精密度馬達控制迴路週期時間和極低抖動。

整合工業通訊使同一馬達驅動器可以使用 EtherCAT、Profinet 和乙太網路/IP 等標準與工業 PLC 或運動控制器進行即時通訊，完全不需要額外的可程式設計邏輯閘陣列 (FPGA) 或特定應用積體電路 (ASIC)。您可以使用晶片內建 Cortex-A53 處理核心來執行 Linux® 等高階作業系統 (OS)，並提供遠端診斷、失效監控、震動監控和系統可配置性等智慧服務，藉以實施隨需業務政策。

整合多種功能的處理器比多晶片解決方案縮小 50% 以上，因此驅動系統更精巧。AM64x 採用 16 奈米製程，功耗低於 1 瓦至 2 瓦，具體取決於配置，而且由於精巧的尺寸而簡化散熱設計結果。

圖 2：精巧、精確、連線的伺服驅動器

即時運算能力

AM64x 系列使用 Arm Cortex-R5F 處理核心 (與 Cortex-M7 等其他 Arm 處理核心相反) 為需要可靠性、高可用性和低延遲即時回應的嵌入式系統提供多核心功能。AM6442 和 AM6441 的四個 Cortex-R5F 核心的總性能為 5,300 個即時 DMIPS。Cortex-R5F 包含低延遲中斷技術，可達到較長多週期指令的中斷和重新啟動。

即時多通訊協定工業網路功能

乙太網路逐漸成為現行的工業通訊標準，取代工廠、建築物和電網基礎設施中的序列現場匯流排。不過標準乙太網路也是不確定的網路，現代工廠自動化需要確定操作和時間同步。為了解決這種固有的不相容性而開發的標準需要特殊的 FPGA 或 ASIC，因此增加系統成本和尺寸。

整合式工業連接性是 AM64x 架構的核心。各個設備都具備多個乙太網路連接埠，藉以支援工業交換機實作，例如達到超高速的時間敏感網路 (TSN)，以及 EtherCAT®、PROFINET®、ETHERNET/IP® 等。

AM64x 系列也為這些通訊協定整合完整的軟體堆疊，因此可以輕鬆設計順利連接到工廠基礎設施的邊緣設備。AM64x 通訊協定支援也包括 IO-Link Master，並做為從 IO-Link 到任何工業乙太網路通訊協定和馬達編碼位置 EnDat 2.2 和 HIPERFACE DSL® 的閘道。

可在現場部署的網路服務功能

工業 4.0 的遠端管理設備 (驅動器、感測器和閘道) 可以依據系統中執行的預測性維護演算法，將警示傳送到雲端或基礎設施。AM64x 的晶片內建 Cortex-A53 核心在不中斷服務的情況下執行此任務。

您也可以執行 Linux 等高階作業系統和網路或應用程式伺服器來實作不同的業務模型。兩個以 1 GHz 執行的核心均提供足夠的性能來處理愈來愈多的多種服務，完全不會中斷即時運算和網路流量。Linux 也支援更快速的應用程式開發，並在核心修訂版中不斷新增功能。AM64x 的主線 Linux 支援簡化從一個核心到下一個核心的程式碼庫轉換。

AM64x 系列推出多個針腳相容的裝置，如表 2 所示。您可以從功能較低的裝置開始著手，然後隨著設計要求的發展遷移到性能更高的裝置，同時維持相同的印刷電路板設計。

功能	詳細功能	AM6442	AM6441	AM6421	AM6412	AM6411
即時運算	MCU 核心	4 個 Cortex-R5F	4 個 Cortex-R5F	2 個 Cortex-R5F	1 個 Cortex-R5F	1 個 Cortex-R5F
	頻率 (MHz，各個核心)	800	800	800	800、400	800、400
	DMIPS (總計)：達到 2 DMIPS/Hz 的 Cortex-R5F	6,400	6,400	3,200	1,600	1,600
高階作業系統和服務	MPU 核心	2 個 Cortex-A53s	1 個 Cortex-A53	1 個 Cortex-A53	2 個 Cortex-A53s	1 個 Cortex-A53
	頻率 (MHz，各個核心)	1,000	1,000	1,000	800、1,000	800、1,000
	DMIPS (總計)：達到 3 DMIPS/Hz 的 Cortex-A53	6,000	3,000	3,000	6,000	3,000
系統控制	具備功能隔離的專用微控制器 (MCU) 核心	1 個 Cortex-M4，時脈為 400 MHz	1 個 Cortex-M4，時脈為 400 MHz	1 個 Cortex-M4，時脈為 400 MHz	1 個 Cortex-M4，時脈為 400 MHz	1 個 Cortex-M4，時脈為 400 MHz
連接性	即時工業乙太網路	有	有	有	無	無
連接性	TSN	有	有	有	有	有
防護措施	IP 認證和保護 (保密)、反複製保護、密碼加速器、可信執行環境	有	有	有	有	有
安全	來自主要領域的獨立 Cortex-M4 MCU 通道、錯誤監控	有	有	有	有	有

表 2：針腳相容的 AM64x 系列

結論

TI 的全新 AM64x 裝置系列結合即時運算性能、整合式網路選項以及在小功率範圍內實作可配置網路服務的能力。AM64x 系列推出五款針腳相容裝置，以供您能夠為現代自動化設計新世代精巧、精確和連線邊緣裝置。

其它資源

檢視AM64x 處理入門頁面。
下載下列白皮書：
- 「對於工業0 伺服驅動器運用 Sitara 處理器。」
- 「主線 Linux 確保穩定性和創新。」
參閱應用報告「Sitara 處理器支援的工業通訊協定。」
觀看介紹 Sitara 處理器和 C2000 即時微控制器的展示視訊「分散軸馬達控制」