La rivoluzione nelle prestazioni per controllo in tempo reale, networking e analisi con le MCU Sitara AM2x

Autori:

Sahin Okur–Applications Engineer, Texas Instruments

Arnon Friedmann – Systems Engineering Manager, Texas Instruments

 

Non è un segreto che la domanda in termini di automazione abbia avuto un profondo impatto sul mondo, dalle fabbriche automatizzate ai veicoli autonomi.

Uno sguardo d’insieme

Questo documento esamina il modo in cui i microcontroller (MCU) SitaraAM2x di Texas Instruments (TI) risolvono le problematiche prestazionali delle MCU tradizionali andando a rispondere alle esigenze di controllo, networking e analisi in tempo reale.

I pilastri tecnologici dell’automazione industriale

Le maggiori richieste in termini di elaborazione in tempo reale, networking flessibile e veloce e analisi all’edge stanno determinando più che mai la necessità di maggiori prestazioni.

Il ruolo delle MCU ad alte prestazioni nelle fabbriche moderne

La necessità di prestazioni sempre più elevate nelle fabbriche sta portando le capacità delle MCU tradizionali oltre i loro limiti. Le fabbriche moderne richiedono nuovi livelli prestazionali per soddisfare le crescenti richieste in termini di automazione e intelligenza.

Le basi della gamma di MCU Sitara AM2x

Grazie a svariate funzionalità su chip, le MCU Sitara AM2x aiutano i progettisti di sistemi edge in tempo reale a superare i limiti prestazionali senza aggiungere complessità.

I pilastri tecnologici dell’automazione industriale

Come risultato del trend di Industria 4.0 e della notevole crescita dell’automazione industriale, le moderne fabbriche intelligenti sono caratterizzate da un’elaborazione più veloce e distribuita, reti più veloci e flessibili e più intelligenza all’edge. I progettisti di robot industriali, assistenti meccanici e fabbriche connesse stanno aggiungendo funzionalità come comunicazioni industriali, sicurezza funzionale e manutenzione predittiva, che sono rese possibili dall’avanzamento e dalla convergenza dell’elaborazione in tempo reale, del networking onnipresente e dell’edge analytics. La messa in pratica di questi sviluppi richiede una connettività senza soluzione di continuità tra il mondo reale e il cloud per portare la tecnologia su più vettori contemporaneamente. La Figura 1 mostra una fabbrica automatizzata in cui il controllo in tempo reale, il networking industriale e l’edge analytics massimizzano efficienza e produttività.

Figura 1 – La robotica richiede maggiori prestazioni di controllo, comunicazione e analisi

Sono tre i pilastri tecnologici fondamentali dell’automazione industriale.

Controllo in tempo reale

Poiché ogni nanosecondo è importante, i sistemi che richiedono un controllo in tempo reale necessitano sia di potenza di elaborazione grezza che della capacità di controllare i segnali nel momento esatto in cui sono necessari. Un controllo preciso del segnale analogico è fondamentale per far sì che i vantaggi derivanti da algoritmi di controllo migliorati si traducano in azionamenti motore più affidabili e veicoli elettrici più efficienti. I requisiti di elaborazione di questi algoritmi migliorati vanno oltre le capacità di una MCU tradizionale.

Networking industriale

La necessità di diverse tipologie di scambio dati in fabbrica ha portato ad una rapida adozione di diversi standard Ethernet industriali multiprotocollo per consentire alle macchine di comunicare in tempo reale. Questa connettività è diventata indispensabile per ottenere guadagni mirati in termini di prestazioni, sicurezza e affidabilità del sistema. I progettisti di sistemi sono alla ricerca di soluzioni di rete integrate e compatibili con i numerosi e differenti standard di protocollo, che sono in grado di operare a velocità fino a 1 Gbps.

Analisi all’edge

Analogamente a come la connettività a livello di sistema permette una comunicazione in tempo reale, anche i miglioramenti negli algoritmi di machine learning consentono di realizzare ottimizzazioni locali, con le quali ogni macchina o nodo può intraprendere azioni senza attendere una decisione centralizzata. L’elaborazione all’edge riduce significativamente i tempi di risposta, il che si traduce in una collaborazione migliore e più sicura tra uomo e macchina.

Il ruolo delle MCU ad alte prestazioni nelle fabbriche moderne

Una catena è forte quanto il suo anello più debole: lo stesso vale per il collegamento tra il mondo analogico e il mondo digitale. Spesso, in questa catena, un elemento trascurato è la MCU. In molti sistemi industriali, come il controllo motore e la robotica, questo processore senza precedenti sovrintende alla trasformazione da analogico a digitale e viceversa; tuttavia, le esigenze in termini sia di elaborazione che di controllo ad alte prestazioni stanno mettendo sotto notevole pressione le sue capacità. Le MCU Sitara AM2x di TI portano un nuovo livello di prestazioni delle MCU per soddisfare le crescenti esigenze in fabbrica. La gamma unisce l’elaborazione a livello di processore e package semplici ed efficienti dal punto di vista energetico con gli elevati livelli di integrazione tipici delle MCU per applicazioni che richiedono un controllo preciso in tempo reale. Inoltre rende possibili nuove funzionalità come l’edge analytics e il networking multiprotocollo in tempo reale, fondamentali per l’efficienza e l’intelligenza in fabbrica.

La Figura 2 mostra gli elementi costruttivi fondamentali della MCU Sitara AM2x: core di elaborazione, networking, integrazione analogica, funzioni di sicurezza e protezione e accelerazione personalizzata.

Figura 2 – La MCU Sitara AM2x unisce elementi costruttivi fondamentali delle MCU e dei microprocessori tradizionali

Il primo dispositivo della famiglia di MCU Sitara AM2x è l’AM2434, come mostrato in Figura 3. Questo dispositivo include molte delle caratteristiche fondamentali, con un sottosistema di elaborazione quad-R5F, un motore di rete industriale flessibile (il sottosistema di comunicazioni industriali ICSS), periferiche analogiche strettamente accoppiate e un motore di sicurezza che supporta i più recenti standard crittografici.

Figura 3 – Schema a blocchi della MCU Sitara AM2434

Le basi della gamma di MCU Sitara AM2x

La categorizzazione degli elementi costruttivi di una MCU Sitara AM2x in poche categorie distinte mostra come questi dispositivi offrano prestazioni più elevate ai tre pilastri tecnologici fondamentali. La combinazione di questi elementi costruttivi produce un sistema su chip in grado di fornire prestazioni rivoluzionarie con un consumo energetico molto basso.

Elaborazione efficiente dal punto di vista energetica

Il primo blocco costruttivo apre nuove possibilità con un massimo di quattro core MCU Arm® a bassa potenza, ciascuno operante a 800 MHz. Un’elaborazione efficiente dal punto di vista energetico migliora le prestazioni dei sistemi di controllo in tempo reale consentendo l’uso di algoritmi migliorati. Ad esempio, i sistemi di controllo motore possono misurare le vibrazioni per contribuire a prevenire l’usura e la perdita di energia oppure aggiungere il rilevamento di anomalie per rilevare guasti disastrosi imminenti. Queste nuove funzionalità richiedono un forte aumento della potenza di calcolo e le MCU tradizionali non sono riuscite a stare al passo a causa delle loro velocità di clock inferiori.

L’elaborazione multicore ad alte prestazioni è fondamentale per l’architettura delle MCU Sitara AM2x e offre una combinazione di prestazioni, efficienza e flessibilità. Grazie alla flessibilità in termini di scalabilità da single-core a quad-core e con velocità da 400 MHz a 1 GHz è possibile aggiungere funzionalità alle applicazioni senza compromettere la latenza. Con quattro core R5F, ciascuno operante a 800 MHz, l’AM2434 può offrire una capacità di elaborazione fino a 6.400 milioni di istruzioni Dhrystone in tempo reale al secondo per il controllo in tempo reale. L’architettura multicore del dispositivo consente inoltre di distribuire le operazioni su diversi core, semplificando la pianificazione del software in cui diverse funzionalità vengono eseguite a intervalli di tempo differenti.

Separare il controllo in tempo reale dalla rete, ad esempio, riduce il numero di interrupt per un dato core e rende più facile mantenere un controllo preciso di tutte le operazioni.

Networking multiprotocollo

Il networking è diventato un requisito fondamentale per le fabbriche intelligenti di nuova generazione, ma è reso complicato dai numerosi standard attualmente in uso, nonché dalla spinta verso le reti a 1 Gbps. Il networking multiprotocollo offre la più ampia gamma di standard di rete industriale con accelerazione di rete programmabile e integrata. Le MCU tradizionali non sono in grado di interagire con questi diversi protocolli e costringono i progettisti a utilizzare dispositivi di comunicazione esterni che vanno ad aumentare i costi e la potenza dei loro progetti.

Le MCU Sitara AM2x integrano l’ICSS di TI, un motore di networking gigabit programmabile e flessibile. Insieme al kit di strumenti software industriale, l’ICSS consente una connettività pronta all’uso per i protocolli industriali, tra cui Profinet®, EtherNet/IP, EtherCAT® e IO-Link. Questa integrazione elimina la necessità di dispositivi aggiuntivi e aumenta la facilità d’uso nella connettività industriale.

Integrazione analogica avanzata

L’integrazione analogica avanzata è un altro aspetto fondamentale dell’architettura delle MCU Sitara AM2x e offre periferiche analogiche e di controllo specializzate come i modulatori di larghezza di impulso (PWM) ad alta risoluzione e i convertitori analogico/digitale (ADC). Queste periferiche sono fondamentali per ottenere miglioramenti delle prestazioni come una migliore stabilità del motore o una maggiore efficienza energetica. Il nuovo portafoglio sfrutta i progressi nella progettazione analogica di altri prodotti TI in un’unica soluzione integrata. L’integrazione di tali funzionalità semplifica la progettazione del sistema, riducendo la necessità di componenti aggiuntivi, abbassando i costi e abbreviando il time to market. Gli ADC e i PWM integrati migliorano la precisione complessiva del controllo e riducono la latenza, consentendo tempi di ciclo di controllo di soli 3 μs.

Acceleratori di elaborazione

Molte applicazioni hanno requisiti di elaborazione molto specializzati che possono essere realizzati e integrati con moduli di accelerazione personalizzati. Ad esempio, i sistemi di elaborazione radar per l’assistenza alla guida richiedono il calcolo di numerose trasformate di Fourier veloci a pochi microsecondi di distanza e finirebbero per sopraffare qualsiasi core programmabile. I dispositivi costruiti per supportare l’elaborazione radar necessitano di un acceleratore dedicato per delegare questi calcoli.

Un altro esempio viene dal machine learning, dove i motori inferenziali possono essere piuttosto pesanti in termini di calcoli al secondo e possono richiedere anche l’accelerazione per essere supportati. L’aggiunta dell’accelerazione personalizzata offre blocchi di elaborazione specializzati che superano le capacità dei core standard dei microprocessori, andando a migliorare le prestazioni del sistema in queste applicazioni da 10 a 100 volte senza aumenti significativi in termini di costi o di potenza.

Funzioni di sicurezza e protezione integrate

All’aumentare del numero di sistemi connessi, aumenta anche la necessità di una maggiore sicurezza. A livello di sistema, i dispositivi devono essere dotati di protezioni volte a mitigare la possibilità di falle nella sicurezza e per supportare i più recenti standard di crittografia. La MCU Sitara AM2434 è stata progettata da zero con una grande attenzione al design system-on-chip a livello di sistema, che può permettere una maggiore sicurezza e protezione all’interno del sistema, tra cui chiavi di sicurezza programmabili e configurazioni firewall flessibili. A mano a mano che gli standard di sicurezza si evolvono, l’architettura delle MCU Sitara è flessibile e adattabile in modo tale da continuare a supportare anche gli standard più recenti.

Inoltre, un design system-on-chip deve essere conforme alle norme di sicurezza richieste nei settori industriale e automobilistico, come ASIL-D (Automotive Safety Integrity Level) e SIL-3. Supportando soluzioni di sicurezza a livello di sistema, permette agli sviluppatori di utilizzare il core M4F integrato come watchdog per il sistema e offre la possibilità di ripristinare il resto del dispositivo senza interrompere il funzionamento. Le periferiche di rete possono funzionare anche indipendentemente dai processori R5F Arm® Cortex® principali che consentono un riavvio senza soluzione di continuità.

Efficienza energetica

Molti sistemi che richiedono un controllo in tempo reale operano a temperature ambiente molto elevate senza i vantaggi offerti da un flusso d’aria di raffreddamento. In molti sistemi di azionamento motore e veicoli elettrici, la temperatura ambiente può raggiungere gli 85 °C, lasciando poco spazio per la dissipazione termica delle parti elettroniche. Per questo motivo, in tali ambienti occorre essere molto attenti al consumo energetico e all’efficienza dei processori.

La gamma di MCU Sitara AM2x presenta un’elevatissima efficienza energetica, con dispositivi come l’AM2434 che consumano <1 W pur offrendo il massimo in termini di integrazione e prestazioni di elaborazione. Inoltre, è in grado di operare in modo affidabile in condizioni con calore molto elevato, senza la necessità di ventole di raffreddamento o costosi dissipatori di calore.

Conclusione

È chiaro come le tendenze verso una maggiore flessibilità e un aumento delle prestazioni stiano spingendo le odierne MCU oltre i loro limiti. Oltrepassare i limiti prestazionali senza aggiungere complessità è una sfida per la progettazione di sistemi di controllo ed edge in tempo reale. La famiglia di MCU Sitara AM2x sfonda questi limiti prestazionali per rendere possibile la Quarta Rivoluzione Industriale, offrendo una gamma di dispositivi mirati all’ottimizzazione dei sistemi attuali e con la flessibilità necessaria per rispondere alle ignote esigenze dei sistemi futuri.

Risorse

Ulteriori informazioni sulla MCU Sitara™ AM243x

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