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从四家合作伙伴看STM32 MCU生态优势

2023-07-18 11:43:07 赵明灿 阅读:
EDN电子技术设计对ST四家合作伙伴进行采访,让我们来看看它们在对STM32 MCU的支持方面都有哪些具体举措。

今年,意法半导体(ST)的STM32峰会以边缘AI、连接和安全三大方向为主题。另一方面,ST也在联合其合作伙伴向着这些方向做大做强。EDN电子技术设计接受邀请,对ST四家合作伙伴进行了采访,让我们来看看它们在对STM32 MCU的支持方面都有哪些具体举措。lQpednc

MathWorks:基于模型的设计(MBD)应对开发电机控制方案的挑战

据MathWorks中国通信、电子和半导体行业市场经理陈晓挺介绍,电机控制方案的开发是一个复杂的过程,存在以下几个难点:lQpednc

  1. 系统建模:电机控制系统需要进行精确的建模,以便进行仿真和控制算法的设计。建模的难点在于需要考虑到电机的物理特性、控制电路的特性、传感器的精度等多个因素,同时需要对系统进行多维度的建模,以便准确地预测系统的行为。
  2. 控制算法设计:电机控制系统需要设计出适用于特定应用场景的控制算法。算法设计的难点在于需要综合考虑系统的特性、控制要求以及实际应用环境等多个因素,同时需要对算法进行多层次的优化和测试,以确保算法的稳定性和可靠性。
  3. 硬件设计:电机控制系统的硬件设计需要考虑到电路的复杂性、功率损耗、EMI等多个因素,同时需要保证硬件的可靠性和稳定性,以确保系统的长期运行。
  4. 调试和测试:电机控制系统的调试和测试需要进行多个环节的验证,包括模拟仿真、实验测试、系统集成等多个环节,需要投入大量的时间和精力,以确保系统的稳定性和性能。

对此,MATLAB提供了基于模型的电机控制工作流程,包括如下主要步骤:lQpednc

  1. 校准相电流的ADC偏移值,校准位置传感器与转子之间的角度偏移值;
  2. 估算电机本体参数;
  3. 建立被控对象——逆变器和电机本体的模型;
  4. 开发完整的FOC控制模型,进行闭环仿真;
  5. 部署到硬件上做测试验证。

他指出,基于模型设计的电机控制方案对开发工程师来说有以下几个优势:lQpednc

  1. 提高开发效率:MBD可以帮助开发工程师更快速地进行电机控制算法的设计、仿真和测试,从而提高开发效率。通过使用基于模型的设计工具,开发工程师可以更加直观地设计和测试算法,减少开发周期和成本。
  2. 提高代码质量:MBD可以帮助开发工程师更好地管理代码,提高代码质量。通过使用模型验证和测试工具,开发工程师可以更好地检测算法中的错误和缺陷,从而提高代码质量和可靠性。
  3. 提高系统性能:MBD可以帮助开发工程师更优化地设计电机控制算法,从而提高系统性能。通过使用模型优化工具,开发工程师可以更好地优化算法参数和控制策略,从而提高系统响应速度和精度。
  4. 降低开发风险:MBD可以帮助开发工程师更好地管理开发风险。通过使用模型验证和测试工具,开发工程师可以更好地识别和解决潜在的问题和风险,从而降低开发风险和成本。

综上,基于模型设计的电机控制方案可以帮助开发工程师提高开发效率、代码质量和系统性能,同时降低开发风险和成本。lQpednc

在和ST的合作方面,他指出,包括ST的工程师也大量用MATLAB设计、验证、开发芯片以及支持客户。换个角度,从双方的共同用户来看,MATLAB和STM32都有非常广泛的市场和应用,两家公司之间的合作能为用户带来更加完善的解决方案,推动相关领域的技术创新和发展。lQpednc

目前除了电机控制,MATLAB和STM32已经在音频、电力电子等领域开展合作,用户可以通过下载最新的STM32支持包查看开发例程Embedded Coder Support Package for STMicroelectronics STM32 Processors。lQpednc

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此外,双方还有很多合作机会,例如高端消费电子中的电池管理、语音信号处理、AI,工业控制领域中的传感器信号处理、5G工业物联网、预测性维护,数字能源的电力电子系统设计、智能能源预测与控制。还有汽车,电子、通信、医疗设备等很多需要硬件+软件集成的应用领域。lQpednc

据介绍,MATLAB每年2次版本更新,每个版本都会增加新的工具箱和功能,MathWorks也会积极地与ST合作集成最新的STM32CubeMX软件版本,以支持最新的芯片硬件。这些支持版本包括开发工作以及与整个MathWorks工具系列的广泛测试和集成。这项工作的持续时间取决于新芯片的复杂程度和不同程度,以及它如何优先获得支持。lQpednc

“在某些情况下,对于一个重要的芯片,在芯片样本可用后可能需要18-24个月才能提供初始支持。然而,对于一个与以前支持的芯片没有显著差异的非常重要的芯片,最快可能在芯片样本可用后12-18个月提供支持。相对于一款工业芯片的生命周期来说,软件提供支持的速度是很挺快的。”陈晓挺补充说。如果用户自研了基于STM32的电路板,MATLAB也支持用户自定义板级支持包的工作流。lQpednc

那么,是如何将MATLAB设计的电机控制算法和AI算法部署到STM32等嵌入式处理器的呢?“背后是MathWorks有几十年汽车、军工等行业产品应用历史的自动化代码生成能力,我们有一个独特的代码生成框架,可以在任何地方部署在MATLAB或Simulink中开发的模型。”陈晓挺说,“拿STM32来说,Embedded Coder将能将MATLAB和Simulink算法转换为C/C++代码,并针对STM32的处理器优化代码,替换掉标准C代码。自动代码生成消除了编码错误,对任何采用它的组织来说都是一个巨大的价值驱动因素。”lQpednc

“把AI算法部署到STM32是类似的流程。众所周知,深度学习网络参数很多,运算量很大,在部署到嵌入式CPU之前,最重要的是选择一种最适合您的应用的尽量轻量化的AI模型。然后对已选择的AI算法做网络剪枝(修剪或移除深层神经网络突触和神经元),量化(对int8数据类型的激活、权重和偏差的量化),MATLAB提供方便易用的工具来压缩AI 模型,以在资源受限的硬件上进行推断。”lQpednc

凡亿教育(Fanyi:与ST合作《嵌入式系统设计工程师》专业人才认证中级课程

凡亿教育专家级讲师、高级硬件工程师、上市公司研发顾问陈俊祥认为,单片机近年来的发展非常迅速。如果要拿现在与十年前相比,其中的差别主要有几个方面:lQpednc

第一是应用层,现在的产品和十几年前比,产品得越来越趋于智能化。产品的智能化,对于主控要求会越来越高。那我们在做单片机培训时,对单片机芯片选型就会根据现有的产品需求而做出一些改变。比如我们可能会选择性能更好、内置配置及功能模块更丰富的单片机型号。比如STM32系列芯片,其内置的电路模块就非常丰富,同时其算力也能够适合大部分的产品。学员在学习了这个课程之后,就可以更好的应用在产品研发上。lQpednc

除了应用层面,还可以从开发环境对比。“我以前开始学习STM32时,第一个例程是点亮一个LED,接触过STM32的同学会知道,以前刚开始学LED程序时要花很多的时间去配置I/O口,这个过程对初学者是很烦琐的。但是,现在的开发环境越来越完善。比如ST开发出的STM32CubeMX,对于单片机小白来说,现在如果想要点亮一个LED灯,只要在电脑上点几下鼠标,软件就可以自动帮我们配置好对应的单片机资源,这大大地提高了同学们的学习效率,这样我们就可以把更多的培训时间花在应用层面上。这样前后做对比就会发现,假设我们在教一名同学学习单片机,如果一节课是十分钟,那在十年前,我们可能需要在前面五分钟要教他怎么配置I/O口,后面五分钟才会跟他讲应用。但是现在,我们就只需要花两分钟教他去配置I/O口就够了,后面八分钟我们都会讲应用。所以现在的教学相对会更贴近实际应用。”陈俊祥谈到。lQpednc

除了开发环境之外,近年来随着互联网的发展,我们的教学模式也有了很大的变化。“以前我们学一些对应知识点,大部分是从课堂上或者书本上。网上的学习环境主要是论坛,或者就是加一个QQ好友,然后去网吧线上交互一下,那时候的环境在大部分的条件下都只能够进行一个基础交流。但换作现在,我们的交流、授课方式就更多样化了。比如可以通过直播的方式进行线上答疑;或者通过远程控制一对一的方式,进行针对性培训;还有线上的交流群、协同学习平台也会更实时。总体来说,现在的教学方式是逐步趋向于智能化、实时化,这样同学们的学习效率就会高很多。”陈俊祥表示。lQpednc

意法半导体中国区微控制器和数字IC产品部(MDG)总监曹锦东补充说,智能化、实时化,客户的应用需求越来越复杂,从MCU工艺上看提供的工具也越来越齐全,对于培训来说,如果像适应性的培训客户也不会再买单了,因为这些东西基本上MCU原厂就能提供了。lQpednc

据了解,ST近年来推出了《嵌入式系统设计工程师》专业人才认证。据曹锦东介绍,这个嵌入式课程是2019-2020年开始启动,在2019-2020年做项目规划,在2021年和电子学会一起制定,联合一些企业和高校的想法,来探讨潜在的需求,制定了这个框架。初级课程是老师帮忙做这些课程,中级课程ST就在找合作伙伴,比如像凡亿这样的合作伙伴帮忙做。lQpednc

“初级课程已经在去年上线。2021年底开始试运行,2022年全年做运营,但那个时候是初级课程。”曹锦东说,“过去一年ST寻找了一些合作伙伴帮助我们做中级课程。初级课程解决的是学生基本理解、最小系统的要求和标准动手操作,中级课程是基于一些具体项目,平台根据具体项目的形式,让学员知道项目过程中的要点,这就是我们需要找一些合作伙伴,像凡亿,他们有自己功能设计的背景,知道项目要做什么,让他们帮我们一起开发中级课程。”lQpednc

中级课程有四个不同的方向——有基于MCU的硬件设计,有基于MCU的裸机软件设计,有基于MCU的实时操作系统方向,还有基于MPU的Linux方向。“所以,我们有不同细分方向。这背后有电子学会、高校和企业,所以这也是一个比较大的项目,我们是一步步往前推进,一步步进化的项目。”lQpednc

陈俊祥并透露,现在中级课程已经上线,只有最后一部分调试课程正在抓紧录制,马上就可以上线了。lQpednc

“我们跟合作伙伴的模式,有一些课程是放在线上上线,让学生可以免费看的。如果他们需要一些更全面、更深入的参与培训,还有一些收费课程,未来还有针对这些学生就业推荐的支持和服务。所以,就像新东方一样,我们的培训不仅是知识传递和能力培训,同时对他们的就业也有进一步的支持。同时对ST来讲也是社会责任,我们积极承担社会责任,希望中国的工程师进入社会开始工作,能够更快的适应社会的要求,而不是让企业客户花三到六个月甚至一年去做培训,我们想缩短他们的时间,也可以提高他们的效率。”曹锦东补充说。lQpednc

“第二,因为ST的产品有非常宽的供应范围,我们希望在这中间,能够把ST更多的器件、传感器、工艺器件、还有其他的都能够有所接触和了解。因为中国的教育会和产业需求有脱节,所以,我们愿意在这方面有一些投入,和合作伙伴做这样一个桥梁,能够帮助学校的培养体系和企业需求缩小差距。”lQpednc

奇格半导体(ChirkerSTSAFE去识别烧录座是否为主机所认可

作为一家对ST生产制造提供支持的合作伙伴,奇格从原来的烧录器服务扩充到了从物料管控到用户编程数量的管理。lQpednc

奇格半导体总经理周亚兴认为,工业互联网在制造业中存在着很多的基础数据,它有两个特点:基础数据交互量很大、数据安全,同时,应对不同的行业有不同的应用领域,就变得数据零碎化,还有传输速度安全性,在这两方面有很大的制约。lQpednc

在工业互联网上,通过ST的STSAFE芯片稳定性和可靠性,建立了基础数据传输。数据传输可以达到工业领域运用场景,让整个场景,包括FI技术,在整个生产环节中的人机料法起到数据安全高效传输速率的情况下,打通整个生产过程中的QCDS关键环节,实现整个生产过程中的效率、良率的全面提升,实现各个制造环节中的IT、OT互通互联。“目前基于跟ST长期合作的基础上,把我们的产品基于ST芯片和工业互联网模块化产品应用到整个产品中来。”周亚兴说。lQpednc

同时,工业物联网还有另外一个挑战,就是需要安全。对于奇格来讲有一个业务,编程器是需要烧录座子的,这个座子和他们系统是匹配的,只有他们自己设计的座子才能更好的实行烧录的效率,如果不是用自己的座子可能会有一些问题,曹锦东补充说。他们怎么确保用户购买他们自己的座子,他们在里面放了一个ST的安全芯片。这个安全芯片用来识别这个座子和系统是否匹配,而不是买的其他仿造的,因为只有匹配的,效率和可靠性才能满足他们的质量体系。lQpednc

所以,怎么实现用STSAFE去识别当下烧录座是不是主机所认可的,这是一个典型的应用案例。lQpednc

据意法半导体MMS市场及应用部市场经理高丽介绍,在奇格的工业物联网的方案中,不但使用了ST的STSAFE芯片,也使用了ST的NFC芯片。NFC和RFID技术作为物联网的感知层之一,充当了感知外界信息的‘触手’,进行数据的采集和传输。ST提供了从标签到读头芯片全系列的产品。由于稳定的产品性能,ST NFC产品更适合于工业物联网上,因为在工业环境下、产线的工作环境是非常恶劣的,无论无读距,噪声干扰还是机械振动,都对产品的性能有一定要求,只有性能稳定的产品,才可以让整个系统统计出来的数据是正确的,安全的。lQpednc

如果将NFC这种标签产品嵌入到产品里,整个工业物联网的自动化率和效率也会提高很多,因为这样产线都可以变成自动控制的。在工业物联网的大环境下,感知层感知到信息之后,会需要通过连接层传输到云端,ST的4G、5G的eSIM产品作为连接层重要技术,提供了实现物理层到云端数据安全连接的通道。在任何一个连接过程中,数据的安全尤为重要,而现实中无论从产品端还是从传输端都有可能导致数据泄露和不安全。奇格的烧录器方案中使用的STSafe产品是颗金融级EAL5+的加密安全芯片,支持安全传输协议(TLS)以及私有证书的校验。通过校验芯片内部存储的基于非对称加密体系生成的证书,实现安全鉴权,以保护,烧录器的硬件不被抄袭,以及软件的代码不被篡改,从而保护传输到云端的数据的安全以防止在云端传输过程中有非法设备介入到设备中,提供传输的安全层的保护。lQpednc

在智慧工厂方面,周亚兴就奇格半导体工业物联网RFID数据接入的进展,向EDN电子技术设计介绍了一个案例。“所有的作业员有一个RFID识别卡,STSAFE芯片,NFC在机台上植入,刷录之后会自动感应,5米范围内接收到作业员所有信息后,人员排产这里会自动识别。发料员、工单状况、姓名、烧录方式、封装,人机料法所有信息全部汇总到这里,有一个系统化的智能排产,柔性生产、智能排产。具体界面客户也能看到,它的订单完成状况,所有的人机料法环全部能够看见,我们搭建一个云平台跨区域、跨省、跨平台,做数据整合,把以前的信息孤岛、整个产业链集合在一起。每个客户有账号,可以看到比如SA芯片在哪个机器生产的,哪个人做的,整个排产计划云端系统直接植入。”周亚兴说。lQpednc

盟通科技(MotrotechEtherCAT主站协议栈STM32提供适配

据北京盟通科技技术总监张晓朋介绍,盟通科技专注工业领域已有10年时间,见证了整个中国自动化行业发展的历程。在中国的自动化行业发展过程中,数字化和自动化在近几年刚刚开始向成体系、成建制的方向转变。国内自动化行业还有很长的网络化和数字化转型的路要走,对厂家或现场状态来讲,可能最近三五年甚至更长的时间,网络化和数字化的转型还是一个主旋律(至少对于大部分的企业是这样的,不可能完全都概括进去)。还有一些比较高端的工厂已经进入了网络智能化阶段,从设计到生产,整个柔性制造都在转型,但这只是行业中金字塔最顶尖的一点点。对大部分厂商来讲,还在走从传统类型设备和产线向数字化方式转变的路程。我们预计五年左右的时间,并不会完成整个转型,但未来的发展方向是以智能化和柔性化制造方式为主的,包括4.0的方式。但是,如果真的能做到柔性化和智能化,还需要多学科配合,并不是单一的网络配置的改变就能达到最终目标,有可能像基础的数学和物理科学,要达到一定的高度以后,才能慢慢向那个方向发展。lQpednc

“我们公司成立有10年了,在此之前,几个创始人的大部分时间都集中在现场总线上,最长的有15年甚至更长的时间都聚焦在CANopen的协议,因为当时工业以太网、工业实时现场总线还没有出来,出来的也只是一个概念性的东西。当时我们大部分的经历都和欧洲企业有联系,所以当时是从CANopen开始起步的,一直到现在,CANopen也是我们主要业务之一。随着2010-2012年这段时间,以太网工业实时总线成熟之后,我们从CANopen的现场总线继续扩展到工业实时以太网,顺理成章地从CANopen衔接到EtherCAT上。之后从2014年、2015年时,工业4.0的概念开始慢慢完善,当整个框架完善之后,我们引入了OPC UA。大部分的经历集中在工业以太网和工业现场总线通信协议的知识层面来进行完善的。”张晓朋表示。lQpednc

“我们主要是一家偏向于研发型的公司,对接的大部分客户也是研发型工程师,我们聚焦的是国内企业在研发过程中需要的一些中间软件、协助或技术支持,这是我们比较侧重的方面。所以,我们提供大量开发过程中需要的工具,还有开发过程中需要的软硬件的支持,从这种角度来putting一些场景和服务。”lQpednc

据意法半导体微处理器产品市场经理霍笋介绍,基于STM32 MCU开发的从站很多客户在用,ST的MCU是通用微控制器,通常的作法是外面加一个从站协议的芯片,现在大批量量产的方案就有很多是用ST的MCU做主控,外面加EtherCAT从站控制器去实现的,这样会更加灵活并且成本可控。lQpednc

“对于从站方案,ST的STM32 MCU和MPU集成的MAC是标准的MAC,因此单MCU/MPU芯片适用于标准以太网以及不需要专用硬件控制器的工业以太网,对于需要专用硬件控制器的工业以太网比如EtherCAT从站方案,可以使用MCU外加一个EtherCAT从站芯片实现。 而对于主站方案,主栈是不依赖于专用以太网控制器的,它有一个标准通用的MAC就可以了,所以,要使用哪家工业以太网主站协议就去运行相应的软件协议栈,盟通的EtherCAT主站协议栈已经很好适配了STM32 MPU和高性能MCU,在工业PLC、工业通信、控制等领域很受客户欢迎。”lQpednc

最后,张晓朋总结说,盟通科技从2014年开始,在国内推广EtherCAT并进行客户支持,由此有了第一个客户案例。“到现在,盟通在国内的客户超过100家,市面上大部分机器人行业里面的国内龙头企业,用的就是我们提供的EtherCAT主栈。通过这么多年的积累,最终目标是尽量协助更多的国内企业完成从零到一的转化过程,提供一个真正能够落地的软件方法,这是目前我们的状态。”lQpednc

“刚刚解释了我们的协议栈已经有了100多家的客户案例和经验积累。对于未来的发展方向,目前来看,这两年产业发展机遇和芯片新能源投资等领域变化还是比较多的,这种变化也让我们和ST有更多的合作机会,当前或者未来一段时间,主要的优化方向是支持更多的新上市芯片,比如今年ST量产的MP13,今年初刚刚做完了新的适配,未来两年ST还有一些新的芯片上市,我们需要持续为这些通用芯片做一些专用的驱动和操作系统优化。我们的软件架构就决定了每遇一颗新上市的芯片,都需要针对其做一个专业优化,这不会一劳永逸。所以,未来的优化方向还是针对新的芯片,不停地去优化和适配新的芯片系列。”lQpednc

责编:Franklin
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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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