Această lucrare se concentrează pe rolul microcontrolerelor (MCU) în automatizarea industrială, examinând în mod special modul în care acestea oferă interfețe-lumii reale pentru senzori și actuatori. Se discută despre integrarea nucleelor-de înaltă performanță, cum ar fi Cortex™-M3 de la ARM®, cu periferice de precizie și specializate, cum ar fi seria ADuCM360 și EMF32 de la Analog Devices. De asemenea, examinează protocoale relativ noi pentru acest domeniu de aplicație, făcând referire în special la MCU-uri de gamă joasă-, inclusiv seriile XC800 și XC16x de la Infineon și MSP430F2274 de la Texas Instruments, precum și transceiver-uri dedicate precum Maxim's MAX14821.
Microcontrolerele integrează capacități de semnal-hibride în creștere și putere de procesare, dar alte dezvoltări prelungesc ciclul de viață al microcontrolerelor-low-end.
Prin definiție, microcontrolerele (MCU) sunt redundante, lipsind interfețele directe cu „lumea reală”. Ele sunt proiectate să servească drept hub-uri centrale pentru intrări și ieșiri, executând răspunsuri condiționate și gestionând procese secvențiale și paralele. Rolul lor este definit de control, iar natura lor programabilă înseamnă că acest control este gestionat prin logică. Cu toate acestea, ele sunt concepute în mod fundamental ca interfețe către lumea analogică, deci se bazează în mare măsură pe conversia analog-în-digitală. De obicei, reprezentarea digitală a unui parametru analogic-de multe ori de la o anumită formă de senzor-este cea care conduce procesul de control, fapt care nu este mai evident decât în aplicațiile de automatizare.
Performanță precisă
Presiunile comerciale impun ca procesele de conversie a datelor esențiale pentru funcționarea lor să fie gestionate în mod eficient din punct de vedere al costurilor pe-cip, conducând la niveluri mai ridicate de integrare a semnalului mixt-. În plus, integrarea sporită aduce sarcini de procesare mai mari asupra nucleului.
Costul redus și flexibilitatea lor înseamnă că MCU-urile sunt adesea folosite liber, dar producătorii din industrii se străduiesc acum să consolideze funcționalitatea din motive de cost, complexitate sau securitate; unde zeci de MCU ar fi putut fi folosite cândva, acum doar unul poate fi suficient.
Prin urmare, nu este surprinzător că dispozitivele simple pe 4-biți au evoluat în motoare de procesare foarte complexe pe 32 de biți, seria ARM Cortex-M devenind alegerea de bază pentru mulți furnizori.
Combinarea nucleelor de procesare de-înaltă performanță cu o conversie analogică precisă și stabilă nu este o sarcină simplă. CMOS excelează la viteză mare-digitală, dar instanțiarea unor periferice analogice sensibile poate fi o provocare. O companie cu experiență profundă în acest domeniu este Analog Devices, Inc. Seria sa ADuCM de sisteme de achiziție de date complet integrate sunt proiectate pentru conectarea directă la senzori analogici de precizie. Această abordare nu numai că minimizează numărul de componente, dar și păstrează acuratețea prin eliminarea etapelor analogice și/sau digitale.
De exemplu, convertorul implementat pe ADuCM360 bazat pe ARM Cortex-M3-este un ADC Sigma Delta pe 24 de biți, care face parte din subsistemul analogic al dispozitivului. Aceasta include o sursă de excitație de curent programabilă și un generator de tensiune de polarizare, dar mai important, filtre interne - unul pentru măsurători de precizie și altul pentru măsurători rapide, potrivite pentru detectarea variațiilor mari ale semnalului sursei.
Sensarea somnului profund
Producătorii de MCU recunosc rolul critic pe care îl joacă senzorii în automatizare și au început să dezvolte front-end-uri analogice optimizate cu interfețe dedicate pentru senzori inductivi, capacitivi și rezistivi.
Unele dintre aceste front-end-uri sunt chiar proiectate pentru a funcționa autonom, cum ar fi interfața LESENSE (Senzor de energie scăzută) din seria MCU de putere ultra-scăzută- Energy Micro. Încorporează un comparator analog, un DAC (convertor digital-la-analogic) și un secvențior de putere redusă{-, permițându-i să fie configurat de nucleul MCU și apoi să funcționeze în timp ce restul dispozitivului rămâne în modul de repaus profund.
Sequencerul funcționează de la un ceas de 32 kHz și controlează activitatea, în timp ce ieșirea comparatorului poate fi configurată pentru a genera o întrerupere pentru a trezi procesorul. DAC-ul poate fi selectat fie ca referință de comparator, fie ca sursă de unitate. Tehnologia LESENSE încorporează, de asemenea, un decodor configurabil care poate fi setat să genereze întreruperi numai atunci când sunt îndeplinite simultan mai multe condiții de senzor. Digi-Key oferă setul de pornire EFM32 Tiny Gecko de la Energy Micro, care include o demonstrație LESENSE. Seria de MCU Tiny Gecko de la Energy Micro, bazată pe ARM Cortex-M3 și care funcționează la frecvențe de până la 32 MHz, vizează aplicații de automatizare industrială, cum ar fi senzorul de temperatură, vibrații, presiune și mișcare.
Figura 1: Interfața cu senzori de putere redusă-Energy Micro, LESENSE, oferă conectivitate flexibilă a senzorilor pentru sistemele industriale de control și automatizare.
IO-Link
Introducerea unei noi interfețe puternice de senzor și actuator ajută mulți producători să prelungească durata de viață a dispozitivelor pe 8-biți și pe 16 biți în automatizarea industrială. Protocolul din spatele acestei interfețe se numește IO-Link și a câștigat sprijin de la numeroși lideri în automatizarea industrială, în special furnizorii de MCU.
IO-Link utilizează un cablu neecranat cu 3-fire cu o lungime maximă de 20 de metri, ceea ce îl face potrivit pentru adaptarea ulterioară a senzorilor și actuatoarelor inteligente în instalațiile existente. Necesită „inteligență” la fiecare capăt, implementată de obicei într-un MCU. Cu toate acestea, datorită simplității relative a protocolului, acesta poate fi găzduit în MCU-uri de 8 biți cu cost redus-- exact ceea ce mulți producători dezvoltă acum.
Protocolul (cunoscut și sub numele de SDCI, care înseamnă Single-Point Digital Communication Interface și standardizat în conformitate cu IEC 61131-9) a fost dezvoltat ca o soluție de comunicare peer-to-peer-to-peer communication care poate fi încorporată cu ușurință în senzori și actuatori, oferindu-le un grad de „inteligență”. Prin urmare, nu este intenționat să înlocuiască straturile de comunicație existente, cum ar fi fieldbus, Profinet sau HART, ci mai degrabă să lucreze alături de acestea, facilitând interfața MCU-urilor cu cost redus-cu senzori și actuatori de înaltă precizie.
Consorțiul din spatele IO-Link consideră că poate reduce semnificativ complexitatea sistemului, introducând în același timp funcții utile precum diagnosticarea-în timp real prin monitorizarea parametrilor. Atunci când sunt integrate în topologiile fieldbus prin gateway-uri (implementate și de MCU-uri sau PLC-uri), sistemele complexe pot fi monitorizate și gestionate central din camera de control. Senzorii pot fi configurați de la distanță, parțial pentru că senzorii conformi cu IO-Link-știu mai multe despre ei înșiși decât senzorii „convenționali”.
În primul rând, identitatea lor (și a producătorului) este încorporată în senzor în format XML, disponibil la cerere. Acest lucru permite sistemului să recunoască imediat senzorul și să înțeleagă capacitățile acestuia. Mai important, IO-Link permite senzorilor (și actuatorilor) să furnizeze fluxuri de date continue,-în timp real către controler. De fapt, IO-Link facilitează trei tipuri de schimb de date: date de proces, date de serviciu și evenimente. Datele de proces sunt transmise ciclic, în timp ce datele de serviciu sunt schimbate non-ciclic și întotdeauna la cererea IO-Link master. Datele de service pot fi folosite pentru a citi și scrie date parametrilor pe/de pe dispozitiv.
IO-Link oferă o modalitate mai simplă pentru MCU de a interfața cu senzori inteligenți, permițând inginerilor de sistem să dezvolte soluții de automatizare industrială mai inteligente.
Numeroși furnizori de MCU s-au alăturat Consorțiului IO-Link, care a devenit recent un comitet tehnic (TC6) în cadrul PI (PROFIBUS și PROFINET International). În mod fundamental, IO-Link oferă controlerelor-inclusiv MCU-uri și PLC-uri-o metodă standardizată pentru identificarea, controlul și, în general, comunicarea cu senzorii și actuatorii care adoptă acest protocol. Lista producătorilor care oferă dispozitive compatibile crește, alături de creșterea suportului din partea producătorilor de MCU.
Asistența vine în parte de la specialiști precum casa germană de design Mesco Engineering, care colaborează cu mai mulți producători de semiconductori pentru a dezvolta soluții IO-Link. Lista de parteneri include Infineon, STMicroelectronics, Atmel și Texas Instruments. De exemplu, Infineon a portat stiva de legături IO-Mesco la XC800, un MCU de 8 biți compatibil cu 8051-care oferă inteligență la capătul conexiunii dispozitivului (senzor/actuator). Infineon permite, de asemenea, suportul IO-Link pentru dispozitivele sale pe 16 biți, inclusiv seria XE16x.
Stack-ul Mesco a fost, de asemenea, portat pe un alt MCU de 16 biți din seria-de putere redusă MSP430- Texas Instruments bazat pe un nucleu proprietar. În mod specific, vizează MSP430F2274.
Producătorii dezvoltă, de asemenea, o gamă de transceiver IO-Link discrete, cum ar fi Maxim's MAX14821. Acest transceiver vizează dispozitivele IO-Link și senzori/actuatori binari de 24 V, care servesc drept interfață de nivel fizic pentru un MCU care rulează protocolul de nivel de legătură de date (Figura 3). Două regulatoare liniare interne generează cerințele comune de putere pentru senzor și actuator la 5 V și 3,3 V, iar dispozitivul este configurat și monitorizat printr-o interfață SPI. Dispune, de asemenea, de o interfață transceiver IO capabilă să funcționeze la tensiuni de până la 36 V.
Figura: Transceiver-ul Maxim's IO-Link oferă o interfață de nivel fizic pentru MCU-urile care rulează protocoale de nivel de legătură de date.
Pe măsură ce IO-Link atinge niveluri mai mari de penetrare, se pare că mai mulți producători integrează aceste interfețe fizice cu alte periferice dedicate pe MCU-uri pentru aplicații de automatizare industrială.
Automatizarea industrială s-a bazat întotdeauna pe integrarea măsurării și controlului. În ciuda introducerii în creștere a rețelelor în ultimii ani, interfața dintre domeniul digital și cel analog a rămas relativ neschimbată. Cu toate acestea, odată cu introducerea IO-Link, acum sunt dezvoltați senzori și actuatoare care se pot conecta la MCU-uri în moduri mai sofisticate. Conexiunile punct-la-punct-la-punct nu oferă doar o metodă mai simplă pentru interfațarea elementelor de control, dar oferă și o modalitate eficientă de a extinde capacitățile MCU-urilor-low-end.