就微控制器在行業(yè)中的設計和應用來說，沒有哪個行業(yè)像工業(yè)自動化和控制領域發(fā)展得如此迅速。由于中國及亞洲其它地區(qū)主要制造工廠自動化程度的提高，新技術被用來提高效率，因此對制造成本以及產品成本有重要的影響。盡管集中控制可以改善任何特定制造工藝的整體可視性，但是可能并不適合那些響應延時和處理延遲會導致故障的一些關鍵應用。

　　本文將介紹這種關鍵應用的幾個實例，對于智能和處理能力增加到接近工藝節(jié)點的應用，會大大的影響效率和可靠性的改善。新的系統(tǒng)級芯片設計提供必要的智能來實現(xiàn)關鍵的加工測量和這些參數(shù)的控制。本文還將討論幾種SoC設計中特殊的改進，解決當今快速增長的工業(yè)領域中設計和選擇微控制器所面臨的設計挑戰(zhàn)以及相關的解決方案。

　　從歷史的角度來看，主要依靠那些具有非常有限制造知識的手工業(yè)者來制造商品的時代并不遙遠，例如鞋、帽子、衣服、器皿以及其它物品。產品的質量和數(shù)量取決于特定手工業(yè)者的技能和這個行業(yè)的人數(shù)。最初的生產線實現(xiàn)了產量的增加，隨之而來的是提高了產品的質量。任何指定產品的制造被分割成簡單的分離步驟，每個步驟由生產線上的一個工人重復地處理，然后這個工人再將半成品轉送到下一個操作者。每一個操作人員僅僅接受針對某個特定步驟有限的培訓，整體的處理流程由領班或主管負責。使用不熟練的或半熟練的勞力就可以確保質量、數(shù)量的快速提高，以及消費產品的可用性。

　　這些手工業(yè)者和早期組裝線操作人員的分離步驟在之后實現(xiàn)了機械化，這實現(xiàn)了從人力資本（人）到控制正在日益中央化的本地機械化工藝流水線的轉移。隨著中央控制的增加，任何特定工藝步驟的可視性（特別是在早期）越來越低，中央控制指令發(fā)布到實際執(zhí)行的延時變得越來越長。某些時候，作為集中控制相關的響應時間延時的產生和影響的函數(shù)，整個工藝的吞吐量的影響比每個單獨的工藝步驟的限制還要大。

　　當前的工藝優(yōu)化策略包括從模擬到數(shù)字I/O（傳感器和驅動器）的轉化、分離工藝步驟的銜接，以及從單一的集中控制拓撲到一個分布式的拓撲結構遷移。由于智能的需求需要更進一步靠近工藝節(jié)點以及每個步驟/任務，大型的通用工作站以及處理器讓位于更專用的解決方案，例如微控制器和FPGA實現(xiàn)。

　　隨著更多的處理和判決的實現(xiàn)脫離本地，以及客戶服務器中央控制模型變成一個類似“對等”的分布式模型，這就需要向更先進的混合信號SoC發(fā)展。像PLC和 I/O模塊、溫度/工藝控制器、CNC機床這樣的設備類型，以及例如流量/高度測量、編碼器/解析器、測量儀/指示器/極限報警、電機保護以及斷路器等其它應用，將成為進一步改進本地智能的主要應用，這些將以單芯片的形式實現(xiàn)，這些單芯片中將集成多通道、混合信號A/D轉換以及專用的h/w處理和輔助的MCU系統(tǒng)管理。

　　利用PLC和I/O模塊、電機驅動控制器和多軸控制器的一個實例是典型的包裝應用，這種應用包括一個用于卷繞材料的退繞輥子、一個用于傳送需要包裝物品的進料裝置，以及一些封口位置和一個完成包裝后移走物品的傳送裝置。

　　當被包裝材料的注冊信息比較差、包裝材料的張力不一致以及封裝較差時，這種系統(tǒng)的開環(huán)控制通常導致低的吞吐量（效率）和較差的質量。最終的結果就是因為額外的QA檢查、監(jiān)控以及產品損壞而增加了單位成本，且不說連續(xù)監(jiān)控所增加的額外人力成本（見圖1）。

　　圖1：工業(yè)控制中的開環(huán)系統(tǒng)示意圖。

　　相同系統(tǒng)的閉環(huán)作業(yè)將增加參數(shù)的監(jiān)控和反饋功能，例如輥子的扭矩、速度和輥子上剩余材料的數(shù)量（長度）、進料和出料傳送裝置的速度/張力、封口輥子的溫度和壓力、待包裝產品的注冊/定位以及任何一個關鍵單元的震動。上面例子中主電機驅動函數(shù)（速度、張力和位置）的控制可以看成是一個伺服系統(tǒng)，可以通過增加像溫度和振動這類的二次測量來實現(xiàn)。

　　在伺服系統(tǒng)中，通過位置、速度/角速度和電流環(huán)實現(xiàn)閉環(huán)操作。

　　位置環(huán)路通過輸出一個帶有由編碼器或解析器提供的旋轉角度反饋信息的速度/角速度命令，使電機的旋轉角度能達到所要求的位置。速度環(huán)路通過環(huán)路中的這一部分來控制由位置環(huán)路所設定的電機旋轉速度，環(huán)路由來自編碼器或解析器的反饋數(shù)據來關閉。速度環(huán)路輸出是電流環(huán)路的輸入，它為