Denne artikkelen fokuserer på rollen til mikrokontrollere (MCUer) i industriell automasjon, og undersøker spesifikt hvordan de gir virkelige-verdensgrensesnitt for sensorer og aktuatorer. Den diskuterer integrering av kjerner med høy-ytelse, som ARM®s Cortex™-M3, med presisjon og spesialisert periferiutstyr som Analog Devices' ADuCM360- og EMF32-serier. Den undersøker også relativt nye protokoller for dette applikasjonsdomenet, spesifikt refererer til lav-MCU-er inkludert Infineons XC800- og XC16x-serie og Texas Instruments' MSP430F2274, samt dedikerte transceivere som Maxims MAX14821.
Mikrokontrollere integrerer økende hybrid-signalfunksjoner og prosessorkraft, men andre utviklinger forlenger livssyklusen til lav-mikrokontrollere.
Per definisjon er mikrokontrollere (MCUer) overflødige, og mangler direkte grensesnitt til den "virkelige verden." De er designet for å tjene som sentrale knutepunkter for innganger og utganger, utføre betingede svar og administrere sekvensielle og parallelle prosesser. Deres rolle er definert av kontroll, og deres programmerbare natur betyr at denne kontrollen styres av logikk. Imidlertid er de grunnleggende designet som grensesnitt til den analoge verdenen, og er derfor sterkt avhengig av analog-til-digital konvertering. Vanligvis er det den digitale representasjonen av en analog parameter-ofte fra en eller annen form for sensor-som driver kontrollprosessen, noe som ikke er tydeligere enn i automatiseringsapplikasjoner.
Nøyaktig ytelse
Kommersielt press krever at datakonverteringsprosesser som er kritiske for driften deres, håndteres kostnadseffektivt -effektivt på-brikken, noe som fører til høyere nivåer av blandet-signalintegrasjon. Videre bringer økt integrasjon større prosesseringsbyrder på kjernen.
Deres lave kostnader og fleksibilitet betyr at MCU-er ofte brukes fritt, men produsenter på tvers av bransjer streber nå etter å konsolidere funksjonalitet av kostnads-, kompleksitets- eller sikkerhetsgrunner; der dusinvis av MCU-er en gang kunne ha blitt brukt, er det nå bare én tilstrekkelig.
Derfor er det ikke overraskende at enkle 4-bitsenheter har utviklet seg til svært komplekse 32-bits prosesseringsmotorer, der ARM Cortex-M-serien har blitt kjernevalget for mange leverandører.
Det er ingen enkel oppgave å blande prosesseringskjerner med høy-ytelse med presis, stabil analog konvertering. CMOS utmerker seg ved høy-digital hastighet, men å instansiere sensitive analoge periferiutstyr kan være utfordrende. Et selskap med dyp ekspertise på dette domenet er Analog Devices, Inc. ADuCM-serien med fullt integrerte datainnsamlingssystemer er designet for direkte tilkobling til analoge presisjonssensorer. Denne tilnærmingen minimerer ikke bare antallet komponenter, men bevarer også nøyaktigheten ved å eliminere analoge og/eller digitale trinn.
For eksempel er omformeren implementert på den ARM Cortex-M3-baserte ADuCM360 en 24-bits Sigma Delta ADC, som utgjør en del av enhetens analoge delsystem. Dette inkluderer en programmerbar strømeksitasjonskilde og en forspenningsgenerator, men enda viktigere, interne filtre – ett for presisjonsmålinger og et annet for raske målinger som er egnet til å oppdage store variasjoner i kildesignalet.
Dyp søvnsensor
MCU-produsenter anerkjenner den kritiske rollen sensorer spiller i automatisering og har begynt å utvikle optimaliserte analoge frontender med dedikerte grensesnitt for induktive, kapasitive og resistive sensorer.
Noen av disse grensesnittene er til og med designet for å fungere autonomt, for eksempel LESENSE-grensesnittet (Low Energy Sensor) i Energy Micros ultra-lav- MCU-serie. Den inneholder en analog komparator, en DAC (digital-til-analog-omformer) og en lav-sekvenser, som gjør at den kan konfigureres av MCU-kjernen og deretter operere mens resten av enheten forblir i dyp hvilemodus.
Sekvenseren opererer fra en 32 kHz klokke og kontrollerer aktiviteten, mens komparatorutgangen kan konfigureres til å generere et avbrudd for å vekke CPUen. DAC-en kan velges som enten en komparatorreferanse eller en drivkilde. LESENSE-teknologien inkluderer også en konfigurerbar dekoder som kan settes til å generere avbrudd kun når flere sensorbetingelser er oppfylt samtidig. Digi-Key tilbyr Energy Micros EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, som inkluderer en LESENSE-demonstrasjon. Energy Micros Tiny Gecko-serie med MCU-er, basert på ARM Cortex-M3 og opererer ved frekvenser opptil 32 MHz, retter seg mot industrielle automatiseringsapplikasjoner som temperatur, vibrasjon, trykk og bevegelsesføling.
Figur 1: Energy Micros sensorgrensesnitt med lav-effekt, LESENSE, gir fleksibel sensortilkobling for industrielle kontroll- og automasjonssystemer.
IO-Link
Introduksjonen av et kraftig nytt sensor- og aktuatorgrensesnitt hjelper mange produsenter med å forlenge levetiden til 8-bits og 16-bits enheter innen industriell automasjon. Protokollen bak dette grensesnittet kalles IO-Link og har fått støtte fra en rekke ledere innen industriell automasjon, spesielt MCU-leverandører.
IO-Link bruker en 3-uskjermet kabel med en maksimal lengde på 20 meter, noe som gjør den egnet for ettermontering av smarte sensorer og aktuatorer i eksisterende installasjoner. Det krever "intelligens" i hver ende, vanligvis implementert i en MCU. På grunn av protokollens relative enkelhet kan den imidlertid tilpasses innen rimelige 8-biters MCU-er – akkurat det mange produsenter nå utvikler.
Protokollen (også kjent som SDCI, står for Single-Point Digital Communication Interface, og standardisert under IEC 61131-9) ble utviklet som en peer-til-nodekommunikasjonsløsning som enkelt kan bygges inn i sensorer og aktuatorer, og gir dem en grad av "intelligens". Derfor er det ikke ment å erstatte eksisterende kommunikasjonslag som feltbuss, Profinet eller HART, men snarere å jobbe sammen med dem ved å gjøre det enklere for lav-MCU-er å kommunisere med høypresisjonssensorer og aktuatorer.
Konsortiet bak IO-Link mener det kan redusere systemkompleksiteten betraktelig samtidig som det introduserer nyttige funksjoner som sanntidsdiagnostikk gjennom parameterovervåking. Når integrert i feltbusstopologier via gatewayer (også implementert av MCUer eller PLSer), kan komplekse systemer overvåkes sentralt og administreres fra kontrollrommet. Sensorer kan fjernkonfigureres, delvis fordi IO-Link-kompatible sensorer vet mer om seg selv enn "konvensjonelle" sensorer.
For det første er deres identitet (og produsentens) innebygd i sensoren i XML-format, tilgjengelig på forespørsel. Dette gjør at systemet umiddelbart kan gjenkjenne sensoren og forstå dens evner. Enda viktigere, IO-Link gjør det mulig for sensorer (og aktuatorer) å gi kontinuerlige, sanntidsdatastrømmer til kontrolleren. Faktisk letter IO-Link tre typer datautveksling: prosessdata, tjenestedata og hendelser. Prosessdata overføres syklisk, mens tjenestedata utveksles ikke-syklisk og alltid på forespørsel fra IO-Link-masteren. Tjenestedata kan brukes til å lese og skrive parameterdata til/fra enheten.
IO-Link gir en enklere måte for MCU-er å kommunisere med smarte sensorer, noe som gjør det mulig for systemingeniører å utvikle mer intelligente industrielle automasjonsløsninger.
Tallrike MCU-leverandører har sluttet seg til IO-Link Consortium, som nylig ble en Technical Committee (TC6) innen PI (PROFIBUS og PROFINET International). I utgangspunktet gir IO-Link kontrollere-inkludert MCU-er og PLS-er-en standardisert metode for å identifisere, kontrollere og generelt kommunisere med sensorer og aktuatorer som bruker denne protokollen. Listen over produsenter som tilbyr kompatible enheter vokser, sammen med økende støtte fra MCU-produsenter.
Støtten kommer delvis fra spesialister som det tyske designhuset Mesco Engineering, som samarbeider med flere halvlederprodusenter for å utvikle IO-Link-løsninger. Partnerlisten inkluderer Infineon, STMicroelectronics, Atmel og Texas Instruments. For eksempel har Infineon portert Mescos IO-Link-stack til XC800, en 8051-kompatibel 8-bits MCU som leverer intelligens ved enheten (sensor/aktuator) enden av koblingen. Infineon aktiverer også IO-Link-støtte for sine 16-bits enheter, inkludert XE16x-serien.
Mescos stabel har også blitt portert til Texas Instruments' lav- MSP430-serie-en annen 16-bits MCU basert på en proprietær kjerne. Spesielt retter den seg mot MSP430F2274.
Produsenter utvikler også en rekke diskrete IO-Link-transceivere, for eksempel Maxims MAX14821. Denne transceiveren retter seg mot IO-Link-enheter og 24 V binære sensorer/aktuatorer, og fungerer som det fysiske laggrensesnittet for en MCU som kjører datalinklagprotokollen (figur 3). To interne lineære regulatorer genererer de vanlige sensor- og aktuatoreffektkravene ved 5 V og 3,3 V, og enheten konfigureres og overvåkes via et SPI-grensesnitt. Den har også et IO-transceiver-grensesnitt som er i stand til å operere ved spenninger på opptil 36 V.
Figur: Maxims IO-Link-transceiver gir et fysisk laggrensesnitt for MCU-er som kjører datalinklagsprotokoller.
Ettersom IO-Link oppnår høyere nivåer av penetrasjon, ser det ut til at flere produsenter integrerer disse fysiske grensesnittene med andre dedikerte perifere enheter på MCU-er for industrielle automasjonsapplikasjoner.
Industriell automatisering har alltid vært avhengig av integrasjon av måling og kontroll. Til tross for den økende introduksjonen av nettverk de siste årene, har grensesnittet mellom de digitale og analoge domenene holdt seg relativt uendret. Men med introduksjonen av IO-Link utvikles nå sensorer og aktuatorer som kan kobles til MCU-er på mer sofistikerte måter. Punkt-til-punktforbindelser gir ikke bare en enklere metode for grensesnitt mellom kontrollelementer, men tilbyr også en effektiv måte å utvide mulighetene til lav-MCU-er.