Ovaj se rad usredotočuje na ulogu mikrokontrolera (MCU) u industrijskoj automatizaciji, posebno ispitujući kako oni pružaju sučelja-stvarnog svijeta za senzore i aktuatore. Raspravlja se o integraciji jezgri visokih-performansi, kao što je ARM® Cortex™-M3, s preciznim i specijaliziranim periferijama kao što su ADuCM360 i EMF32 serije Analog Devices. Također ispituje relativno nove protokole za ovu aplikacijsku domenu, posebno referirajući se na -niže razvijene MCU-ove uključujući Infineonove serije XC800 i XC16x i Texas Instrumentsov MSP430F2274, kao i namjenske primopredajnike poput Maximovog MAX14821.
Mikrokontroleri integriraju sve veće hibridne-mogućnosti signala i snagu obrade, a drugi razvoji produžuju životni ciklus ni-mikrokontrolera.
Po definiciji, mikrokontroleri (MCU) su redundantni, nemaju izravna sučelja sa "stvarnim svijetom". Dizajnirani su da služe kao središnja čvorišta za ulaze i izlaze, izvršavajući uvjetne odgovore i upravljajući sekvencijalnim i paralelnim procesima. Njihova je uloga definirana kontrolom, a njihova programabilna priroda znači da ovom kontrolom upravlja logika. Međutim, u osnovi su dizajnirani kao sučelja za analogni svijet, stoga se uvelike oslanjaju na analogno-u-digitalnu pretvorbu. Obično digitalni prikaz analognog parametra-često iz nekog oblika senzora-pokreće kontrolni proces, činjenica koja nije očiglednija nego u aplikacijama za automatizaciju.
Precizna izvedba
Komercijalni pritisci zahtijevaju da se procesi pretvorbe podataka koji su ključni za njihov rad obavljaju troškovno-učinkovito na-čipu, potičući više razine integracije mješovitih-signala. Nadalje, povećana integracija donosi veće opterećenje obrade za jezgru.
Njihova niska cijena i fleksibilnost znače da se MCU-ovi često slobodno koriste, ali proizvođači u svim industrijama sada nastoje konsolidirati funkcionalnost zbog troškova, složenosti ili sigurnosnih razloga; tamo gdje su se nekada mogli koristiti deseci MCU-ova, sada je dovoljan samo jedan.
Stoga nije iznenađujuće da su jednostavni 4-bitni uređaji evoluirali u vrlo složene 32-bitne procesore, pri čemu je serija ARM Cortex-M postala glavni izbor za mnoge dobavljače.
Spajanje procesorskih jezgri-visokih performansi s preciznom, stabilnom analognom pretvorbom nije jednostavan zadatak. CMOS se ističe u -brzinom digitalnom, ali instanciranje osjetljivih analognih perifernih uređaja može biti izazovno. Jedna tvrtka s velikim iskustvom u ovom području je Analog Devices, Inc. Njihova ADuCM serija potpuno integriranih sustava za prikupljanje podataka dizajnirana je za izravno povezivanje s preciznim analognim senzorima. Ovaj pristup ne samo da minimizira broj komponenti, već također čuva točnost eliminacijom analognih i/ili digitalnih stupnjeva.
Na primjer, pretvarač implementiran na ARM Cortex-M3-ADuCM360 je 24-bitni Sigma Delta ADC, koji čini dio analognog podsustava uređaja. To uključuje programabilni strujni izvor pobude i generator prednapona, ali što je još važnije, unutarnje filtre - jedan za precizna mjerenja, a drugi za brza mjerenja prilagođena otkrivanju velikih varijacija u signalu izvora.
Deep Sleep Sensing
Proizvođači mikrokontrolerskih jedinica prepoznaju ključnu ulogu senzora u automatizaciji i započeli su s razvojem optimiziranih analognih prednjih dijelova s namjenskim sučeljima za induktivne, kapacitivne i otporne senzore.
Neki od ovih prednjih dijelova čak su dizajnirani za autonomni rad, poput LESENSE (Low Energy Sensor) sučelja u seriji MCU ultra-niske-napone tvrtke Energy Micro. Uključuje analogni komparator, DAC (digitalni-u-analogni pretvarač) i sekvencer male-napone, što mu omogućuje da ga konfigurira jezgra MCU-a i zatim radi dok ostatak uređaja ostaje u načinu dubokog mirovanja.
Sekvencer radi sa taktom od 32 kHz i kontrolira aktivnost, dok se izlaz komparatora može konfigurirati za generiranje prekida za buđenje CPU-a. DAC se može odabrati ili kao referenca komparatora ili kao izvor pogona. Tehnologija LESENSE također uključuje konfigurabilni dekoder koji se može postaviti da generira prekide samo kada su uvjeti za više senzora istovremeno ispunjeni. Digi-Key nudi Energy Micro EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, koji uključuje LESENSE demonstraciju. Energy Micro's Tiny Gecko serija MCU-ova, temeljena na ARM Cortex-M3 i koja radi na frekvencijama do 32 MHz, cilja na aplikacije industrijske automatizacije kao što su senzori temperature, vibracija, tlaka i pokreta.
Slika 1: Energy Micro sučelje senzora niske-napone, LESENSE, pruža fleksibilno povezivanje senzora za industrijske sustave upravljanja i automatizacije.
IO-Veza
Uvođenje novog moćnog sučelja senzora i aktuatora pomaže mnogim proizvođačima da produže životni vijek 8-bitnih i 16-bitnih uređaja u industrijskoj automatizaciji. Protokol koji stoji iza ovog sučelja zove se IO-Link i dobio je podršku brojnih lidera u industrijskoj automatizaciji, posebice dobavljača MCU-a.
IO-Link koristi 3-žilni neoklopljeni kabel maksimalne duljine od 20 metara, što ga čini prikladnim za naknadnu ugradnju pametnih senzora i aktuatora u postojeće instalacije. Zahtijeva "inteligenciju" na svakom kraju, obično implementiranu u MCU. Međutim, zbog relativne jednostavnosti protokola, može se prilagoditi unutar jeftinih-cijenovnih 8-bitnih MCU-ova - upravo ono što mnogi proizvođači sada razvijaju.
Protokol (također poznat kao SDCI, skraćenica za Single{0}}Point Digital Communication Interface, i standardiziran prema IEC 61131-9) razvijen je kao ravnopravno -to-pravopravno komunikacijsko rješenje koje se može lako ugraditi u senzore i aktuatore, dajući im određeni stupanj "inteligencije". Stoga nije namijenjeno zamjeni postojećih komunikacijskih slojeva kao što su sabirnica polja, Profinet ili HART, već radije zajedno s njima olakšavajući sučelje-cijenovnih MCU-ova s visokopreciznim senzorima i aktuatorima.
Konzorcij koji stoji iza IO-Linka vjeruje da može značajno smanjiti složenost sustava istovremeno uvodeći korisne značajke kao što je-dijagnostika u stvarnom vremenu putem praćenja parametara. Kada se integriraju u topologije sabirnice polja preko pristupnika (također implementiranih putem MCU-ova ili PLC-ova), složeni sustavi mogu se centralno nadzirati i upravljati iz kontrolne sobe. Senzori se mogu daljinski konfigurirati, djelomično zato što senzori usklađeni s IO-Link-znaju više o sebi od "konvencionalnih" senzora.
Prvo, njihov identitet (i proizvođač) ugrađen je u senzor u XML formatu, dostupan na zahtjev. To omogućuje sustavu da odmah prepozna senzor i razumije njegove mogućnosti. Što je još važnije, IO-Link omogućuje senzorima (i aktuatorima) da pružaju kontinuirane tokove podataka u stvarnom-vremenu upravljaču. Zapravo, IO-Link omogućuje tri vrste razmjene podataka: procesne podatke, servisne podatke i događaje. Procesni podaci prenose se ciklički, dok se servisni podaci razmjenjuju ne-ciklički i uvijek na zahtjev IO-Mastera veze. Servisni podaci mogu se koristiti za čitanje i pisanje parametarskih podataka na/iz uređaja.
IO-Link pruža jednostavniji način za sučelje MCU-ova s pametnim senzorima, omogućujući inženjerima sustava da razviju inteligentnija rješenja industrijske automatizacije.
Brojni MCU dobavljači pridružili su se IO-Link konzorciju, koji je nedavno postao tehnički odbor (TC6) unutar PI-ja (PROFIBUS i PROFINET International). U osnovi, IO-Link osigurava kontrolere-uključujući MCU-ove i PLC-ove-sa standardiziranom metodom za prepoznavanje, upravljanje i općenito komuniciranje sa senzorima i aktuatorima koji prihvaćaju ovaj protokol. Popis proizvođača koji nude kompatibilne uređaje raste, uz sve veću podršku proizvođača MCU-a.
Podrška dijelom dolazi od stručnjaka poput njemačke dizajnerske kuće Mesco Engineering, koja surađuje s više proizvođača poluvodiča na razvoju rješenja IO-Link. Njegov popis partnera uključuje Infineon, STMicroelectronics, Atmel i Texas Instruments. Na primjer, Infineon je prenio Mesco IO-Link stack na svoj XC800, 8051-kompatibilan 8-bitni MCU koji isporučuje inteligenciju na kraju veze (senzor/aktuator). Infineon također omogućuje IO-Link podršku za svoje 16-bitne uređaje, uključujući seriju XE16x.
Mescoov skup također je prenesen na Texas Instrumentsovu -seriju MSP430-još jednu 16-bitnu MCU baziranu na vlastitoj jezgri. Točnije, cilja na MSP430F2274.
Proizvođači također razvijaju niz diskretnih IO-Link primopredajnika, kao što je Maximov MAX14821. Ovaj primopredajnik cilja IO-uređaje veze i 24 V binarne senzore/aktuatore, služeći kao sučelje fizičkog sloja za MCU koji pokreće protokol sloja podatkovne veze (Slika 3). Dva unutarnja linearna regulatora generiraju zajedničke zahtjeve za napajanje senzora i aktuatora na 5 V i 3,3 V, a uređaj se konfigurira i nadzire preko SPI sučelja. Također ima IO primopredajno sučelje koje može raditi na naponu do 36 V.
Slika: Maximov IO-Link primopredajnik pruža sučelje fizičkog sloja za MCU-ove koji pokreću protokole sloja podatkovne veze.
Kako IO-Link postiže više razine prodora, čini se da sve više proizvođača integrira ova fizička sučelja s drugim namjenskim periferijama na MCU-ovima za aplikacije industrijske automatizacije.
Industrijska automatizacija uvijek se oslanjala na integraciju mjerenja i upravljanja. Unatoč sve većem uvođenju umrežavanja posljednjih godina, sučelje između digitalne i analogne domene ostalo je relativno nepromijenjeno. Međutim, s uvođenjem IO-Linka, sada se razvijaju senzori i aktuatori koji se mogu povezati s MCU-ovima na sofisticiranije načine. Veze od-to-točke ne samo da pružaju jednostavniju metodu za povezivanje kontrolnih elemenata, već nude i učinkovit način za proširenje mogućnosti nižih-MCU-ova.