Ta članek se osredotoča na vlogo mikrokrmilnikov (MCU) v industrijski avtomatizaciji in posebej preučuje, kako zagotavljajo vmesnike-resničnega sveta za senzorje in aktuatorje. Obravnava integracijo visoko{2}}zmogljivih jeder, kot je Cortex™-M3 ARM®, z natančnimi in specializiranimi zunanjimi napravami, kot sta seriji ADuCM360 in EMF32 Analog Devices. Preučuje tudi razmeroma nove protokole za to aplikacijsko domeno, pri čemer se posebej nanaša na -mikrokontrolne enote nižjega cenovnega razreda, vključno s serijama XC800 in XC16x družbe Infineon ter MSP430F2274 podjetja Texas Instruments, kot tudi na namenske sprejemnike in sprejemnike, kot je Maximov MAX14821.
Mikrokrmilniki združujejo vse večje hibridne-zmožnosti signala in procesorsko moč, drugi razvojni dogodki pa podaljšujejo življenjski cikel nizkocenovnih mikrokrmilnikov.
Po definiciji so mikrokontrolerji (MCU) redundantni, saj nimajo neposrednih vmesnikov do "resničnega sveta". Zasnovani so tako, da služijo kot osrednja vozlišča za vhode in izhode, izvajanje pogojnih odzivov ter upravljanje zaporednih in vzporednih procesov. Njihova vloga je opredeljena s krmiljenjem, njihova programabilna narava pa pomeni, da se ta nadzor upravlja z logiko. Vendar pa so v osnovi zasnovani kot vmesniki za analogni svet, zato so močno odvisni od analogne-v-digitalne pretvorbe. Običajno je digitalna predstavitev analognega parametra-pogosto iz neke oblike senzorja-tista, ki poganja postopek krmiljenja, kar ni bolj očitno kot pri aplikacijah za avtomatizacijo.
Natančna izvedba
Komercialni pritiski zahtevajo, da se procesi pretvorbe podatkov, ki so ključni za njihovo delovanje, izvajajo stroškovno{0}}učinkovito na-čipu, kar spodbuja višje ravni integracije mešanih-signalov. Poleg tega povečana integracija prinaša večje procesne obremenitve za jedro.
Njihovi nizki stroški in prilagodljivost pomenijo, da se MCU-ji pogosto prosto uporabljajo, vendar si proizvajalci v različnih panogah zdaj prizadevajo konsolidirati funkcionalnost zaradi stroškov, kompleksnosti ali varnostnih razlogov; kjer je bilo nekoč morda uporabljenih na desetine MCU-jev, zdaj morda zadostuje le eden.
Zato ni presenetljivo, da so se preproste 4-bitne naprave razvile v zelo zapletene 32-bitne procesne mehanizme, pri čemer je serija ARM Cortex-M postala glavna izbira za številne dobavitelje.
Združevanje visoko{0}}zmogljivih procesorskih jeder z natančno in stabilno analogno pretvorbo ni preprosta naloga. CMOS se odlikuje z-hitrostjo digitalnega, vendar je ustvarjanje občutljivih analognih zunanjih naprav lahko izziv. Eno podjetje z globokim strokovnim znanjem na tem področju je Analog Devices, Inc. Njegova serija popolnoma integriranih sistemov za zajemanje podatkov ADuCM je zasnovana za neposredno povezavo z natančnimi analognimi senzorji. Ta pristop ne samo zmanjša število komponent, ampak tudi ohranja natančnost z odpravo analognih in/ali digitalnih stopenj.
Na primer, pretvornik, implementiran na ARM Cortex-M3-ADuCM360, je 24-bitni Sigma Delta ADC, ki tvori del analognega podsistema naprave. To vključuje programabilni tokovni vir vzbujanja in generator prednapetosti, še pomembneje pa notranje filtre - enega za natančne meritve in drugega za hitre meritve, primerne za zaznavanje velikih variacij v izvornem signalu.
Zaznavanje globokega spanca
Proizvajalci MCU priznavajo ključno vlogo, ki jo imajo senzorji pri avtomatizaciji, in so začeli razvijati optimizirane analogne vmesnike z namenskimi vmesniki za induktivne, kapacitivne in uporovne senzorje.
Nekateri od teh vhodnih koncev so zasnovani celo za samostojno delovanje, kot je vmesnik LESENSE (Low Energy Sensor) v serijah MCU z ultra-nizko-porabo energije podjetja Energy Micro. Vključuje analogni primerjalnik, DAC (digitalni-v-analogni pretvornik) in nizko{5}}sekvencer moči, kar omogoča, da ga konfigurira jedro MCU in nato deluje, medtem ko preostala naprava ostane v načinu globokega spanja.
Sekvencer deluje z uro 32 kHz in nadzoruje dejavnost, medtem ko je izhod primerjalnika mogoče konfigurirati tako, da ustvari prekinitev za prebujanje CPE. DAC je mogoče izbrati kot referenco primerjalnika ali vir pogona. Tehnologija LESENSE vključuje tudi nastavljiv dekoder, ki ga je mogoče nastaviti tako, da generira prekinitve le, ko je hkrati izpolnjenih pogojev več senzorjev. Digi-Key ponuja Energy Micro EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, ki vključuje predstavitev LESENSE. Serija mikrokontrolerjev Tiny Gecko družbe Energy Micro, ki temelji na ARM Cortex-M3 in deluje pri frekvencah do 32 MHz, cilja na aplikacije industrijske avtomatizacije, kot so zaznavanje temperature, vibracij, tlaka in gibanja.
Slika 1: Vmesnik senzorja nizke-porabe energije podjetja Energy Micro, LESENSE, zagotavlja prilagodljivo povezljivost senzorjev za sisteme industrijskega nadzora in avtomatizacije.
IO-povezava
Uvedba novega zmogljivega senzorskega in aktuatorskega vmesnika mnogim proizvajalcem pomaga podaljšati življenjsko dobo 8-bitnih in 16-bitnih naprav v industrijski avtomatizaciji. Protokol za tem vmesnikom se imenuje IO-Link in je pridobil podporo številnih vodilnih v industrijski avtomatizaciji, zlasti dobaviteljev MCU.
IO-Link uporablja 3-žilni neoklopljen kabel z največjo dolžino 20 metrov, zaradi česar je primeren za naknadno vgradnjo pametnih senzorjev in aktuatorjev v obstoječe instalacije. Zahteva "inteligenco" na vsakem koncu, običajno implementirano v MCU. Zaradi relativne preprostosti protokola pa ga je mogoče vključiti v poceni-cenovne 8-bitne mikrokontrolerje – točno to, kar zdaj razvijajo številni proizvajalci.
Protokol (znan tudi kot SDCI, kar pomeni Single{0}}Point Digital Communication Interface in standardiziran v skladu z IEC 61131-9) je bil razvit kot komunikacijska rešitev--peer{3}}to-peer, ki jo je mogoče enostavno vgraditi v senzorje in aktuatorje, kar jim daje določeno stopnjo »inteligence«. Zato ni namenjena zamenjavi obstoječih komunikacijskih plasti, kot so fieldbus, Profinet ali HART, temveč delovanju skupaj z njimi, tako da nizko{6}}cenovnim mikrokontrolerjem olajša povezovanje z visoko natančnimi senzorji in aktuatorji.
Konzorcij, ki stoji za IO-Link, verjame, da lahko znatno zmanjša kompleksnost sistema, hkrati pa uvaja uporabne funkcije, kot je-diagnostika v realnem času s spremljanjem parametrov. Ko so integrirani v topologije fieldbus prek prehodov (ki jih izvajajo tudi MCU-ji ali PLC-ji), je mogoče kompleksne sisteme centralno nadzorovati in upravljati iz nadzorne sobe. Senzorje je mogoče konfigurirati na daljavo, deloma zato, ker senzorji, skladni z IO-Link-, vedo več o sebi kot "konvencionalni" senzorji.
Prvič, njihova identiteta (in proizvajalčeva) je vdelana v senzor v formatu XML, ki je na voljo na zahtevo. To omogoča sistemu, da takoj prepozna senzor in razume njegove zmogljivosti. Še pomembneje pa je, da povezava IO-Link omogoča senzorjem (in aktuatorjem), da krmilniku zagotavljajo neprekinjene tokove-podatkov v realnem času. Pravzaprav IO-Link omogoča tri vrste izmenjave podatkov: procesni podatki, storitveni podatki in dogodki. Procesni podatki se prenašajo ciklično, servisni podatki pa se izmenjujejo ne-ciklično in vedno na zahtevo IO-Master povezave. Storitveni podatki se lahko uporabljajo za branje in pisanje podatkov parametrov v/iz naprave.
IO-Link omogoča enostavnejši način povezovanja mikrokontrolerjev s pametnimi senzorji, kar sistemskim inženirjem omogoča razvoj inteligentnejših rešitev za industrijsko avtomatizacijo.
Številni dobavitelji MCU so se pridružili konzorciju IO-Link, ki je nedavno postal tehnični odbor (TC6) znotraj PI (PROFIBUS in PROFINET International). IO-Link v osnovi zagotavlja krmilnike-vključno z MCU-ji in PLC-ji-s standardizirano metodo za identifikacijo, krmiljenje in splošno komunikacijo s senzorji in aktuatorji, ki sprejmejo ta protokol. Seznam proizvajalcev, ki ponujajo združljive naprave, se povečuje, poleg vse večje podpore proizvajalcev MCU.
Podporo deloma zagotavljajo strokovnjaki, kot je nemška oblikovalska hiša Mesco Engineering, ki sodeluje z več proizvajalci polprevodnikov pri razvoju rešitev IO-Link. Njegov seznam partnerjev vključuje Infineon, STMicroelectronics, Atmel in Texas Instruments. Infineon je na primer prenesel sklad IO-Link družbe Mesco na svoj XC800, 8051-združljiv 8-bitni MCU, ki zagotavlja inteligenco na koncu povezave (senzor/aktuator). Infineon prav tako omogoča podporo za IO-Link za svoje 16-bitne naprave, vključno s serijo XE16x.
Mescov sklad je bil prav tako prenesen v nizko{0}}serijo MSP430 družbe Texas Instruments-drug 16-bitni MCU, ki temelji na lastniškem jedru. Natančneje, cilja na MSP430F2274.
Proizvajalci prav tako razvijajo vrsto ločenih sprejemno-sprejemnikov IO-Link, kot je Maximov MAX14821. Ta oddajnik-sprejemnik cilja na naprave IO-Link in 24-voltne binarne senzorje/aktuatorje, ki služijo kot vmesnik fizične plasti za MCU, ki izvaja protokol sloja podatkovne povezave (slika 3). Dva notranja linearna regulatorja ustvarjata skupne zahteve za napajanje senzorja in aktuatorja pri 5 V in 3,3 V, naprava pa je konfigurirana in nadzorovana prek vmesnika SPI. Vsebuje tudi IO sprejemno-sprejemni vmesnik, ki lahko deluje pri napetostih do 36 V.
Slika: Maximov IO-Link oddajnik-sprejemnik zagotavlja vmesnik fizične plasti za mikrokontrolerje, ki izvajajo protokole plasti podatkovne povezave.
Ker IO-Link dosega višje stopnje prodora, se zdi, da več proizvajalcev integrira te fizične vmesnike z drugimi namenskimi zunanjimi napravami na mikrokontrolerjih za aplikacije industrijske avtomatizacije.
Industrijska avtomatizacija je vedno temeljila na integraciji merjenja in nadzora. Kljub vse pogostejšemu uvajanju omrežij v zadnjih letih je vmesnik med digitalno in analogno domeno ostal relativno nespremenjen. Vendar pa se z uvedbo povezave IO-Link zdaj razvijajo senzorji in aktuatorji, ki se lahko povežejo z enotami MCU na bolj izpopolnjene načine. Povezave od točke-do-točke ne zagotavljajo le enostavnejše metode za povezovanje kontrolnih elementov, ampak nudijo tudi učinkovit način za razširitev zmogljivosti nižjih-modelov MCU.