微控制器(MCU)相當廣泛的應用於在工業領域，隨著工業應用開始訴求節能省電與更佳的周邊通訊能力，微控制器業者也針對上訴需求推出新一代產品。目標市場包括節能馬達驅動、再生能源、工廠及樓宇自動化等領域。
專為實現工業應用節能解決方案所設計的XMC4000微控制器，具備多項優點，包括可編程周邊、高速嵌入式快閃記憶體技術、高品質標準、產品生命週期長，並能夠支援高達125℃的溫度需求。加上新一代的DAVE 3應用程式，可降低在軟體方面工作負擔，工業系統開發商可以仰賴這個強大的微控制器平台，進行各種工業應用。事實上，包括需求更高能源效率的系統、需求更強化的系統間之連結功能，以及如何降低軟體複雜度的挑戰，這是現今許多工業應用專案面臨的急迫問題。
強化能源效率與連線功能
目前有越來越多的資源投入開發再生能源系統的開發，而要減少二氧化碳排放量的最佳方式便是降低整體的耗電量，其中電動馬達就是一個耗電量的重要關鍵。根據VDE測試機構的一項研究指出，工業及家用電動馬達的耗電量即占總耗電量的50%。該報告指出，功率範圍在1.1～37kW且具備較好效率的三相馬達，能夠提供最佳的節能潛力。
微控制器可從許多方面改善這些問題，例如提高運算效能來加快控制迴路並增進演算法、將周邊設備最佳化，以加快並準確測量類比訊號及更快速且靈活地調整脈衝寬度調變(PWM)產生。
強化工業系統的連線功能，是另一關鍵趨勢，這個趨勢包含兩個方向：即時關鍵網域內的連線能力及對外部網域的連線能力。在即時關鍵網域內，通用異步收發器(UART)、串列周邊介面(SPI)、IO-Link等簡易標準和優先通訊協定都具有普遍性、省成本和可靠的特點。至於更高的頻寬需求，即時乙太網路可能會是一個未來趨勢，但目前的情況是替代選擇眾多，並沒有唯一的標準。
針對外部網域的連線，有兩個主要的方式：手動的程式碼更新或下載，須要透過通用序列匯流排(USB)或SD/MMC介面等高速介面來存取數據卡。至於遠端的流程管理、監控或維護等方面，乙太網路正逐漸成為主要標準。
上述兩種趨勢都會帶動軟體方面的需求。許多產業研究證實，軟體複雜度是嵌入式系統開發其中一項主要問題，尤其對中小型企業而言，其開發團隊規模相對較小，更容易面臨這類問題，特別是在於通訊堆疊、作業系統整合及最佳演算法的重複使用上等關鍵挑戰。
內建高效能核心並可擴充功能
支援數位訊號處理(DSP)指令和浮點單元是工業微控制器捨Cortex-M3核心而選擇Cortex-M4核心的主因。如此一來，相較於16位元微控制器，可提供雙倍的運算效能。
有業者推出的工業微控制器系列可以擴充頻率、記憶體、I/O數量及周邊的類型和可用性。所有的周邊均經過高階軟體編程的最佳化，建構在彈性的硬體區塊上，可針對實際的應用需求進行軟體設定。整個系列產品都具備可擴充性和相容性，能在不同系列間輕鬆轉移。另外，還具備整合解角激磁器(Resolver Exciter)和Sigma-delta解調器等特點，能夠降低物料清單(BOM)、系統成本和系統複雜度。
創新周邊可提高節能效益
也有業者的工業微控制器提供許多創新的周邊，如全新開發的PWM生成計時器單元，可有效控制所有類型的馬達和變頻器。且微控制器內建工業用的強化計時器模組，主要優勢包括由許多相同的「擷取/比對單元」組成，能夠輕鬆串接。暫存器集和硬體對稱(Hardware Symmetry)可在不同的單元內使用高階的資料指令或重新定位程式碼。相同重複性的硬體指令，讓不同的計時器單元可重複使用軟體。
這類工業微控制器採用解析度為150ps的高解析度PWM單元。這個專屬的周邊可讓電源供應器或太陽能變頻器的電源轉換擁有最高的能源效率。此外，此類工業微控制器最多可使用兩個定位介面模組，以支援轉向編碼器、霍爾感測器或多頻道定位資訊。
在須要高精度或電氣隔離ADC測量的情況下，此類工業微控制器可提供最多四個Delta-Sigma介面，以調變並過濾最多四個資料串流。擁有這項最佳化的ADC功能，讓此類微控制器能夠適用於電動馬達變頻器控制或再生能源等廣泛的應用。
變頻器控制最佳化
以XMC4000工業微控制器來說，其針對電動馬達和再生能源系統內的變頻器控制進行最佳化(圖1)。若要改善變頻器的效率，必須同時測量三個相位電流，另外再同時測量輸入電流或其他的環境參數。
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| 圖1 XMC4000工業微控制器係針對電動驅動裝置和再生能源系統內的變頻器控制進行最佳化。 |
為了解決這個需求，XMC4000微控制器最多可使用四個平行12位元ADC。每秒取樣率高達350萬，ADC不只速度極快，還能使用數位濾波器來後製資料，例如在硬體內執行超取樣演算法。一方面可減輕處理器的負擔，另一方面則能改善即時效能，因為周邊設備能夠在不讓任何軟體過載的情況下運作。
此外，電氣隔離的電流測量可透過整合式Delta-sigma調解器實現，此概念在使用外部隔離的Delta-sigma ADC時可降低系統成本，相對於目前的設計，能夠減少對額外介面IC的需求。
除高速的12位元ADC外，工業微控制器PWM單元和計時器，可提升驅動裝置的效率。尤其對電動馬達控制，更是一大關鍵功能，因為能大幅減少處理器的中斷負載，並縮短反應時間。
可多元連線並具完整工具鏈
為符合連線功能的重大趨勢，工業微控制器須支援多種通訊標準(圖2)，包括管理層和維護層的連線是透過USB On-The-Go(OTG)、乙太網路和SD/MMC周邊設備來建立。USB為各系列提供不同選項，包括High-Speed/Full-Speed、主機/裝置。乙太網路內含IEEE 1588時間戳記功能，可即時執行乙太網路軟體。內嵌系統內部還可建立更多連線，包括最多三個MultiCAN節點和最多六個通用序列埠介面通道。這兩個硬體模組都同樣具備高彈性，還可透過預先過濾訊息或訊息緩衝區來大幅減輕中央處理器(CPU)負載。通用序列埠介面通道可透過軟體自由定義，以執行UART、SPI、Quad-SPI、IIC、IIS、LIN其中一個標準，如此可大幅提高軟體和硬體設計人員的設計彈性，實現長期的可擴充平台解決方案。針對外部記憶體和記憶體對映的I/O裝置，XMC4000則提供高速平行的外部匯流排介面。
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| 圖2 工業微控制器通常須支援多種通訊標準。 |
除了許多商用的第三方開發工具外，業者還提供DAVE 3工業微控制器開發工具。其為一套免費的Eclipse軟體框架，內含免費的工具鏈和可擴充的自動程式碼產生器，能夠使用預先定義的軟體元件，透過圖形予以選取及結合。這項全新方法並未使用最新的程式庫和程式碼範例，而是使用更高的軟體抽象、簡化整合及維護。
DAVE商店可將使用者與持續擴大中的開發人員社群連結，經過測試的低階驅動程式、即時作業系統(RTOS)、軟體堆疊和較高階的應用程式，都可從此下載並分享。雖然DAVE 3的重點在於免費的軟體元件，但它也能整合商用的第三方軟體元件。除了免費的編譯器、連結器、除錯程式和快閃記憶體載入器外，還有許多商用工具廠商提供的外掛程式，讓使用者能夠繼續使用偏好的整合型開發環境(IDE)，同時又能夠完整利用DAVE 3的自動程式碼產生功能，透過此概念為使用者帶來完整的優勢。
透過軟體發工具，以及效能更加提升的微控制器硬體，未來開發各種工業應用時，相關業者將可透過新的工業微控制器打造兼具節能且高效能的應用系統。
(本文作者任職於英飛凌)