傳感器 ? 工業(yè)數(shù)據(jù)記錄

隨著工業(yè)4.0的出現(xiàn)，工廠(chǎng)的智能化和互聯(lián)性正在日益提高。智能工廠(chǎng)中的機(jī)械設(shè)備就能夠采用所連接的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提前預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障，并通知控制系統(tǒng)采取糾正措施，以避免意外的系統(tǒng)停機(jī)。累積的數(shù)據(jù)可以用于改進(jìn)預(yù)測(cè)分析，并實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)器預(yù)防性維護(hù)。這些進(jìn)步旨在提高工廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率，并縮短整體停機(jī)時(shí)間。

工業(yè)4.0的基礎(chǔ) —— 可操作數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了從實(shí)時(shí)傳感到預(yù)測(cè)分析等各種功能。因此，持續(xù)、可靠地記錄數(shù)據(jù)至關(guān)重要，尤其是在發(fā)生故障時(shí)，這是因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)通常是關(guān)鍵信息。此外，需要記錄的數(shù)據(jù)量預(yù)計(jì)將會(huì)繼續(xù)增加。我們不但需要在傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)上進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，還需要在數(shù)千個(gè)連接的傳感器節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，這些傳感器節(jié)點(diǎn)將遍布于未來(lái)智能工廠(chǎng)的各個(gè)角落。

為了克服這些挑戰(zhàn)，下一代工業(yè)系統(tǒng)需要高性能非易失性存儲(chǔ)器確?！皵?shù)據(jù)零風(fēng)險(xiǎn)”和正常運(yùn)行與系統(tǒng)故障期間的可靠數(shù)據(jù)備份。為了保證這一數(shù)據(jù)記錄的可靠性，工業(yè)4.0非易失性存儲(chǔ)器需要支持快速寫(xiě)入、實(shí)時(shí)非易失性以及接近100萬(wàn)億次循環(huán)、近乎無(wú)限的讀/寫(xiě)持久性。

工業(yè)數(shù)據(jù)記錄的挑戰(zhàn)

工業(yè)控制系統(tǒng)包括自動(dòng)化、能源管理、過(guò)程測(cè)量和測(cè)試測(cè)量等各個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都需要高性能非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器。在所有這些細(xì)分市場(chǎng)中，非易失性存儲(chǔ)器被用于連續(xù)記錄實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它們還必須能夠在斷電或系統(tǒng)故障的情況下即時(shí)捕捉實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器需要滿(mǎn)足不同的需求。我們將通過(guò)可編程邏輯控制器和物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)這兩個(gè)例子探討工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的挑戰(zhàn)和獨(dú)特需求。

圖1 可編程邏輯控制器(PLC)模塊圖

用于工業(yè)自動(dòng)化的可編程邏輯控制器(PLC)在工業(yè)控制系統(tǒng)中十分常見(jiàn)。在PLC中，由非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器捕捉的實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)被用于檢測(cè)和修復(fù)故障并且防止未來(lái)發(fā)生故障。此外，非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器捕捉斷電前的最后系統(tǒng)狀態(tài)。該數(shù)據(jù)對(duì)于確保PLC和所有連接的機(jī)器在恢復(fù)供電時(shí)以安全的操作模式重新啟動(dòng)至關(guān)重要。如果不具備這一能力，其他機(jī)器和周邊環(huán)境中的人員都會(huì)面臨潛在風(fēng)險(xiǎn)。

在PLC等下一代工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要減少用于與外部存儲(chǔ)器連接的微控制器引腳數(shù)量。這一需求推動(dòng)了從并行到低引腳數(shù)串行接口存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)換。這就是為什么存儲(chǔ)器制造商要為工業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)低引腳數(shù)存儲(chǔ)器。例如，賽普拉斯的Excelon-Ultra專(zhuān)用于工業(yè)控制系統(tǒng)并提供低引腳數(shù)108-MHz QSPI接口。

由于去除電池而帶來(lái)的高可靠性，非易失性存儲(chǔ)器優(yōu)于工業(yè)控制系統(tǒng)一般使用的電池備份SRAM。此外，非易失性存儲(chǔ)器通過(guò)用單個(gè)芯片取代多組件子系統(tǒng)(SRAM +電池+電源管理控制器)降低物料成本并且避免產(chǎn)生與更換電池所需的相關(guān)成本的維護(hù)。

圖 2 物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)模塊圖

無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于智能工廠(chǎng)的眼睛和耳朵。如上文所述，傳感器節(jié)點(diǎn)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)，然后通知連接的機(jī)器或控制系統(tǒng)在需要時(shí)采取糾正措施。

無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)帶來(lái)了與工業(yè)控制系統(tǒng)不同的挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的外形尺寸很小。此外，它們通常遍布于智能工廠(chǎng)的各處，包括偏遠(yuǎn)或難以進(jìn)入的位置。因此，它們通常由電池或者通過(guò)能量采集供電。

因此，傳感器節(jié)點(diǎn)需要外形尺寸很小的非易失性存儲(chǔ)器來(lái)連續(xù)記錄實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它們必須能夠在傳感器節(jié)點(diǎn)的整個(gè)生命周期內(nèi)可靠地完成這一任務(wù)，并且盡可能降低功耗。例如，賽普拉斯的Excelon-LP采用約10平方毫米GQFN小型封裝，提供多種省電模式，包括休眠、深度節(jié)點(diǎn)和待機(jī)，使開(kāi)發(fā)人員可以最大限度地延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

為了進(jìn)一步減小無(wú)線(xiàn)IoT傳感器節(jié)點(diǎn)的尺寸，可以使用非易失性存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)記錄的單芯片方法。在傳感器節(jié)點(diǎn)中，與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存量相比，測(cè)量和收集數(shù)據(jù)所需的代碼大小通常較小。因此，具有單獨(dú)的代碼存儲(chǔ)器可能會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器使用率不足，而單芯片方法會(huì)更有效。

關(guān)鍵的難點(diǎn)在于，足夠靈活的非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器以根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)進(jìn)行分區(qū)。用于存儲(chǔ)代碼的存儲(chǔ)器必須確保系統(tǒng)不會(huì)意外寫(xiě)入用于執(zhí)行代碼的存儲(chǔ)區(qū)域。因此，為了滿(mǎn)足單芯片工藝的要求，非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器需要具備存儲(chǔ)器保護(hù)功能。例如，塊保護(hù)防止意外寫(xiě)入開(kāi)發(fā)人員定義的一系列地址。這使一個(gè)存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)和保護(hù)代碼的同時(shí)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。

鐵電體技術(shù)

非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器的關(guān)鍵是鐵電技術(shù)。鐵電技術(shù)將RAM的高性能和字節(jié)尋址能力與非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相結(jié)合。用于非易失性存儲(chǔ)器的鐵電技術(shù)帶有使用鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜的存儲(chǔ)單元。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，PZT晶體中的中心原子改變位置。中心原子的兩個(gè)位置作為存儲(chǔ)器的二進(jìn)制狀態(tài)存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)位。當(dāng)電源中斷時(shí)，原子位置被保留，從而保護(hù)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)可靠性也很高，無(wú)需任何備用電源就能安全保存數(shù)據(jù)100年之久。

非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器非常高效。其能耗比串行EEPROM低200倍，比NOR閃存低3000倍。這項(xiàng)技術(shù)還提供高數(shù)據(jù)可靠性，讀/寫(xiě)耐久性達(dá)100萬(wàn)億次(1014)。相比之下，閃存和EEPROM等浮柵技術(shù)最短在106個(gè)周期內(nèi)就會(huì)損壞，因此它們不適合頻繁的系統(tǒng)數(shù)據(jù)捕捉。

非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器還可確保工業(yè)系統(tǒng)“數(shù)據(jù)零風(fēng)險(xiǎn)”運(yùn)行。即時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力可在系統(tǒng)斷電時(shí)保護(hù)系統(tǒng)不丟失數(shù)據(jù)。EEPROM等技術(shù)通常具有5-10毫秒的頁(yè)面寫(xiě)入延遲，從而使重要的最后時(shí)刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。