Ovaj rad se fokusira na ulogu mikrokontrolera (MCU-a) u industrijskoj automatizaciji, posebno ispitujući kako oni obezbjeđuju{0}}sučelje u stvarnom svijetu za senzore i aktuatore. U njemu se govori o integraciji jezgri visokih{2}}performansi, kao što je ARM® Cortex™-M3, sa preciznim i specijalizovanim periferijama kao što su serije ADuCM360 i EMF32 kompanije Analog Devices. Takođe ispituje relativno nove protokole za ovu domenu aplikacije, posebno se odnosi na niske{8}}MCU-ove uključujući Infineon XC800 i XC16x serije i Texas Instruments MSP430F2274, kao i namenske primopredajnike kao što je Maximov MAX14821.
Mikrokontroleri integriraju sve veće mogućnosti hibridnog-signala i procesorsku snagu, ali drugi razvoji produžavaju životni ciklus nisko{1}}mikrokontrolera.
Po definiciji, mikrokontroleri (MCU) su redundantni, nemaju direktna sučelja sa "stvarnim svijetom". Oni su dizajnirani da služe kao centralna čvorišta za ulaze i izlaze, izvršavajući uslovne odgovore i upravljajući sekvencijalnim i paralelnim procesima. Njihova uloga je definisana kontrolom, a njihova programibilna priroda znači da se ovom kontrolom upravlja logikom. Međutim, oni su u osnovi dizajnirani kao interfejsi za analogni svijet, pa se u velikoj mjeri oslanjaju na analognu-u-digitalnu konverziju. Obično je digitalna reprezentacija analognog parametra-često iz nekog oblika senzora-koji pokreće proces kontrole, što nije očiglednije nego u aplikacijama za automatizaciju.
Precise Performance
Komercijalni pritisci zahtijevaju da se procesi konverzije podataka koji su kritični za njihov rad rješavaju troškovno-efikasno na-čipu, podstičući više nivoe integracije mješovitog-signala. Nadalje, povećana integracija donosi veća opterećenja obrade jezgru.
Njihova niska cijena i fleksibilnost znače da se MCU-ovi često slobodno koriste, ali proizvođači u različitim industrijama sada nastoje konsolidirati funkcionalnost zbog troškova, složenosti ili sigurnosnih razloga; gdje su se nekada koristile desetine MCU-a, sada je samo jedan dovoljan.
Stoga nije iznenađujuće da su jednostavni 4-bitni uređaji evoluirali u veoma složene 32-bitne procesore, pri čemu je serija ARM Cortex-M postala ključni izbor za mnoge dobavljače.
Kombinacija jezgri za obradu visokih{0}}performansi sa preciznom, stabilnom analognom konverzijom nije jednostavan zadatak. CMOS se ističe u digitalnoj-brzini, ali instanciranje osjetljivih analognih perifernih uređaja može biti izazov. Jedna kompanija sa dubokom ekspertizom u ovoj oblasti je Analog Devices, Inc. Njena ADuCM serija potpuno integrisanih sistema za prikupljanje podataka dizajnirana je za direktno povezivanje sa preciznim analognim senzorima. Ovaj pristup ne samo da minimizira broj komponenti već i čuva preciznost eliminacijom analognih i/ili digitalnih stupnjeva.
Na primjer, pretvarač implementiran na ARM Cortex-M3-baziranom ADuCM360 je 24-bitni Sigma Delta ADC, koji čini dio analognog podsistema uređaja. Ovo uključuje programabilni izvor pobude struje i generator prednapona, ali što je još važnije, interne filtere - jedan za precizna mjerenja i drugi za brza mjerenja pogodna za otkrivanje velikih varijacija u izvornom signalu.
Deep Sleep Sensing
Proizvođači mikrokontrolera prepoznaju kritičnu ulogu senzora u automatizaciji i počeli su da razvijaju optimizovane analogne prednje krajeve sa namenskim interfejsima za induktivne, kapacitivne i otporne senzore.
Neki od ovih prednjih krajeva su čak dizajnirani da rade autonomno, kao što je LESENSE (Low Energy Sensor) interfejs u Energy Micro-ovoj ultra-niskonaponski-seriji MCU. Uključuje analogni komparator, DAC (digitalni-u-analogni pretvarač) i sekvencer niske{5}}napone, omogućavajući da ga konfiguriše jezgro MCU-a i zatim radi dok ostatak uređaja ostaje u režimu dubokog mirovanja.
Sekvenser radi sa taktom od 32 kHz i kontroliše aktivnost, dok se izlaz komparatora može konfigurisati da generiše prekid za buđenje CPU-a. DAC se može odabrati kao referenca za komparator ili kao izvor pogona. LESENSE tehnologija takođe uključuje konfigurabilni dekoder koji se može podesiti da generiše prekide samo kada je istovremeno ispunjeno više uslova senzora. Digi-Key nudi Energy Micro-ov EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, koji uključuje LESENSE demonstraciju. Energy Micro-ova serija mikrokontrolera Tiny Gecko, bazirana na ARM Cortex-M3 i koja radi na frekvencijama do 32 MHz, cilja na aplikacije industrijske automatizacije kao što su temperatura, vibracije, pritisak i detekcija pokreta.
Slika 1: Energy Micro-ov interfejs senzora niske{1}}e snage, LESENSE, pruža fleksibilno povezivanje senzora za industrijske sisteme kontrole i automatizacije.
IO-Link
Uvođenje moćnog novog interfejsa senzora i aktuatora pomaže mnogim proizvođačima da produže vijek trajanja 8-bitnih i 16-bitnih uređaja u industrijskoj automatizaciji. Protokol koji stoji iza ovog interfejsa se zove IO-Link i dobio je podršku brojnih lidera u industrijskoj automatizaciji, posebno MCU dobavljača.
IO-Link koristi 3-neoklopljeni kabl sa maksimalnom dužinom od 20 metara, što ga čini pogodnim za naknadnu ugradnju pametnih senzora i aktuatora u postojeće instalacije. Zahtijeva "inteligenciju" na svakom kraju, obično implementiranu u MCU. Međutim, zbog relativne jednostavnosti protokola, on se može smjestiti u jeftine-8-bitne MCU-ove – upravo ono što mnogi proizvođači sada razvijaju.
Protokol (također poznat kao SDCI, što znači jedno-Digitalni komunikacijski interfejs sa jednom tačkom, i standardiziran prema IEC 61131-9) je razvijen kao ravnomjerno-to-peer komunikaciono rješenje koje se može lako ugraditi u senzore i aktuatore, dajući im stepen moći." Stoga, nije namijenjen za zamjenu postojećih komunikacionih slojeva kao što su fieldbus, Profinet ili HART, već radije raditi zajedno s njima olakšavajući-jeftinskim MCU-ovima da se povezuju sa visoko preciznim senzorima i aktuatorima.
Konzorcij koji stoji iza IO-Link-a vjeruje da može značajno smanjiti složenost sistema uz uvođenje korisnih funkcija kao što je-dijagnostika u stvarnom vremenu putem praćenja parametara. Kada se integrišu u topologije sabirnice polja preko gateway-a (takođe implementiranih od strane MCU-a ili PLC-a), složeni sistemi se mogu centralno nadgledati i upravljati iz kontrolne sobe. Senzori se mogu daljinski konfigurirati, dijelom i zato što senzori kompatibilni sa IO-Link-oblikovanjem znaju više o sebi od "konvencionalnih" senzora.
Prvo, njihov identitet (i proizvođač) je ugrađen u senzor u XML formatu, dostupan na zahtjev. Ovo omogućava sistemu da odmah prepozna senzor i razumije njegove mogućnosti. Što je još važnije, IO-Link omogućava senzorima (i aktuatorima) da obezbjede kontinuirane,-tokove podataka u realnom vremenu do kontrolera. U stvari, IO-Link olakšava tri vrste razmjene podataka: procesni podaci, servisni podaci i događaji. Podaci procesa se prenose ciklički, dok se servisni podaci razmjenjuju ne-ciklički i uvijek na zahtjev IO-Master veze. Servisni podaci se mogu koristiti za čitanje i pisanje parametarskih podataka na/sa uređaja.
IO-Link pruža jednostavniji način za MCU-ove za povezivanje sa pametnim senzorima, omogućavajući sistemskim inženjerima da razviju inteligentnija rješenja industrijske automatizacije.
Brojni dobavljači MCU-a pridružili su se IO-Link konzorcijumu, koji je nedavno postao Tehnički komitet (TC6) unutar PI (PROFIBUS i PROFINET International). U osnovi, IO-Link obezbjeđuje kontrolere-uključujući MCU i PLC-ove-sa standardiziranom metodom za identifikaciju, kontrolu i općenito komunikaciju sa senzorima i aktuatorima koji usvajaju ovaj protokol. Lista proizvođača koji nude kompatibilne uređaje raste, uz sve veću podršku proizvođača MCU-a.
Podrška dijelom dolazi od stručnjaka kao što je njemačka dizajnerska kuća Mesco Engineering, koja sarađuje s više proizvođača poluprovodnika na razvoju IO-Link rješenja. Njegov popis partnera uključuje Infineon, STMicroelectronics, Atmel i Texas Instruments. Na primjer, Infineon je prenio Mesco-ov IO-Link stack na svoj XC800, 8051-kompatibilni 8-bitni MCU koji isporučuje inteligenciju na kraju veze uređaja (senzor/aktuator). Infineon takođe omogućava IO-Link podršku za svoje 16-bitne uređaje, uključujući XE16x seriju.
Mesco-ov stack je također portiran na Texas Instrumentsove niske{0}}MSP430 serije-još jedan 16-bitni MCU baziran na vlasničkom jezgru. Konkretno, cilja na MSP430F2274.
Proizvođači također razvijaju niz diskretnih IO-Link primopredajnika, kao što je Maximov MAX14821. Ovaj primopredajnik cilja IO-Link uređaje i 24 V binarne senzore/aktuatore, koji služe kao interfejs fizičkog sloja za MCU koji pokreće protokol sloja veze podataka (Slika 3). Dva interna linearna regulatora generišu zajedničke zahtjeve za snagom senzora i aktuatora na 5 V i 3,3 V, a uređaj se konfiguriše i nadgleda preko SPI interfejsa. Takođe ima IO primopredajni interfejs koji može da radi na naponima do 36 V.
Slika: Maximov IO-Link primopredajnik pruža interfejs fizičkog sloja za MCU-ove koji pokreću protokole sloja veze podataka.
Kako IO-Link postiže više nivoe penetracije, čini se da sve više proizvođača integriše ove fizičke interfejse sa drugim namjenskim periferijama na MCU-ovima za aplikacije industrijske automatizacije.
Industrijska automatizacija se uvijek oslanjala na integraciju mjerenja i upravljanja. Uprkos sve većem uvođenju umrežavanja poslednjih godina, interfejs između digitalnog i analognog domena ostao je relativno nepromenjen. Međutim, sa uvođenjem IO-Link-a, sada se razvijaju senzori i aktuatori koji se mogu povezati na MCU na sofisticiranije načine. Tačka{4}}to-veze ne samo da pružaju jednostavniju metodu za povezivanje kontrolnih elemenata, već nude i efikasan način za proširenje mogućnosti nisko{6}}MCU-a.