Tässä artikkelissa keskitytään mikro-ohjainten (MCU) rooliin teollisuusautomaatiossa ja tutkitaan erityisesti, kuinka ne tarjoavat todellisia{0}}rajapintoja antureille ja toimilaitteille. Siinä käsitellään korkean -suorituskykyisten ytimien, kuten ARM®:n Cortex™-M3:n, integrointia tarkkojen ja erikoistuneiden oheislaitteiden, kuten Analog Devicesin ADuCM360- ja EMF32-sarjojen, kanssa. Se tutkii myös suhteellisen uusia protokollia tälle sovellusalueelle ja viittaa erityisesti matalan luokan MCU:ihin, mukaan lukien Infineonin XC800- ja XC16x-sarjat ja Texas Instrumentsin MSP430F2274, sekä erityisiin lähetin-vastaanottimiin, kuten Maximin MAX14821.
Mikro-ohjaimet integroivat kasvavat hybridi{0}}signaaliominaisuudet ja prosessointiteho, mutta muut kehitystyöt pidentävät alhaisen luokan mikro-ohjainten elinkaarta.
Määritelmän mukaan mikro-ohjaimet (MCU) ovat redundantteja, ja niiltä puuttuu suorat rajapinnat "todelliseen maailmaan". Ne on suunniteltu toimimaan keskeisinä keskittimina tuloille ja lähdöille, jotka suorittavat ehdollisia vastauksia ja hallitsevat peräkkäisiä ja rinnakkaisia prosesseja. Niiden rooli määritellään ohjauksella, ja niiden ohjelmoitava luonne tarkoittaa, että tätä ohjausta hallitaan logiikan avulla. Ne on kuitenkin pohjimmiltaan suunniteltu liitäntöiksi analogiseen maailmaan, joten ne ovat vahvasti riippuvaisia analogisesta-digitaaliseksi muuntamisesta{4}}. Tyypillisesti ohjausprosessia ohjaa analogisen parametrin digitaalinen esitys-usein jostain anturista-, mikä ei ole selvempää kuin automaatiosovelluksia.
Tarkka suorituskyky
Kaupalliset paineet vaativat, että niiden toiminnan kannalta kriittisiä tietojen muunnosprosesseja käsitellään kustannus-tehokkaasti-sirulla, mikä lisää sekasignaalien-integraatiota. Lisäksi lisääntynyt integraatio lisää ytimen käsittelytaakkaa.
Niiden alhaiset kustannukset ja joustavuus tarkoittavat, että MCU:ita käytetään usein vapaasti, mutta eri toimialojen valmistajat pyrkivät nyt yhdistämään toimintoja kustannus-, monimutkaisuus- tai turvallisuussyistä. jos joskus on käytetty kymmeniä MCU:ita, nyt vain yksi voi riittää.
Näin ollen ei ole yllättävää, että yksinkertaisista 4-bittisistä laitteista on kehittynyt erittäin monimutkaisia 32-bittisiä prosessointimoottoreita, ja ARM Cortex-M -sarjasta on tulossa monien toimittajien ydinvaihtoehto.
Suorituskykyisten{0}}prosessointiytimien yhdistäminen tarkan, vakaan analogisen muunnoksen kanssa ei ole yksinkertainen tehtävä. CMOS on huippunopea-digitaalinen, mutta herkkien analogisten oheislaitteiden luominen voi olla haastavaa. Analog Devices, Inc. on yksi yritys, jolla on syvää asiantuntemusta tällä alalla. Sen ADuCM-sarjan täysin integroidut tiedonkeruujärjestelmät on suunniteltu liitettäviksi suoraan tarkkoihin analogisiin antureihin. Tämä lähestymistapa ei ainoastaan minimoi komponenttien määrää, vaan myös säilyttää tarkkuuden eliminoimalla analogiset ja/tai digitaaliset vaiheet.
Esimerkiksi ARM Cortex-M3--pohjaiseen ADuCM360-muunnin on 24-bittinen Sigma Delta ADC, joka on osa laitteen analogista alijärjestelmää. Tämä sisältää ohjelmoitavan virityslähteen ja bias-jännitegeneraattorin, mutta mikä vielä tärkeämpää, sisäiset suodattimet - yksi tarkkuusmittauksia varten ja toinen nopeita mittauksia varten, jotka sopivat havaitsemaan suuria vaihteluita lähdesignaalissa.
Syvän unen tunnistus
MCU-valmistajat tunnustavat antureiden kriittisen roolin automaatiossa ja ovat alkaneet kehittää optimoituja analogisia etuosia, joissa on omat liitännät induktiivisille, kapasitiivisille ja resistiivisille antureille.
Jotkut näistä käyttöliitännöistä on suunniteltu jopa toimimaan itsenäisesti, kuten LESENSE (Low Energy Sensor) -liitäntä Energy Micron ultra-low-power MCU-sarjassa. Se sisältää analogisen komparaattorin, DAC:n (digitaali-analogiamuunnin-) ja pienitehoisen-sekvensserin, jonka avulla MCU:n ydin voi määrittää sen ja sitten toimia, kun muu laite pysyy syvässä lepotilassa.
Sekvensseri toimii 32 kHz:n kellosta ja ohjaa toimintaa, kun taas vertailulaitteen lähtö voidaan konfiguroida luomaan keskeytys CPU:n herättämiseksi. DAC voidaan valita joko vertailureferenssiksi tai taajuusmuuttajan lähteeksi. LESENSE-tekniikka sisältää myös konfiguroitavan dekooderin, joka voidaan asettaa tuottamaan keskeytyksiä vain, kun useat anturiehdot täyttyvät samanaikaisesti. Digi-Key tarjoaa Energy Micron EFM32 Tiny Gecko -aloitussarjan, joka sisältää LESENSE-esittelyn. Energy Micron Tiny Gecko -sarjan MCU-sarjat, jotka perustuvat ARM Cortex-M3:een ja toimivat jopa 32 MHz:n taajuuksilla, on tarkoitettu teollisuusautomaation sovelluksiin, kuten lämpötilan, tärinän, paineen ja liikkeen tunnistukseen.
Kuva 1: Energy Micron pienitehoinen-anturiliitäntä LESENSE tarjoaa joustavat anturiliitännät teollisuuden ohjaus- ja automaatiojärjestelmiin.
IO-Linkki
Tehokkaan uuden anturi- ja toimilaitteen käyttöliittymän käyttöönotto auttaa monia valmistajia pidentämään 8-- ja 16-bittisten laitteiden käyttöikää teollisuusautomaatiossa. Tämän rajapinnan takana oleva protokolla on nimeltään IO-Link, ja se on saanut tukea lukuisilta teollisuusautomaation johtajilta, erityisesti MCU-toimittajilta.
IO-Link käyttää 3-johtimista suojaamatonta kaapelia, jonka enimmäispituus on 20 metriä, joten se soveltuu älykkäiden antureiden ja toimilaitteiden jälkiasennukseen olemassa oleviin asennuksiin. Se vaatii "älyä" molemmissa päissä, tyypillisesti toteutettu MCU:ssa. Protokollan suhteellisen yksinkertaisuuden vuoksi se voidaan kuitenkin majoittaa edullisiin-8-bittisiin MCU:ihin – juuri sitä, mitä monet valmistajat nyt kehittävät.
Protokolla (tunnetaan myös nimellä SDCI, joka tarkoittaa Single{0}}Point Digital Communication Interface ja standardoitu IEC 61131-9:n mukaan) kehitettiin vertais-to-vertaisviestintäratkaisuksi, joka voidaan helposti upottaa antureisiin ja toimilaitteisiin, mikä antaa niille tietyn tason "älykkyyttä". Siksi sitä ei ole tarkoitettu korvaamaan olemassa olevia tietoliikennekerroksia, kuten kenttäväylä, Profinet tai HART, vaan toimimaan niiden rinnalla helpottamalla-kustannuksiltaan edullisien MCU:iden liittämistä erittäin tarkkojen antureiden ja toimilaitteiden kanssa.
IO{0}}Linkin takana oleva konsortio uskoo, että se voi merkittävästi vähentää järjestelmän monimutkaisuutta ja ottaa käyttöön hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten reaaliaikaisen-diagnosiikan parametrien valvonnan avulla. Kun monimutkaisia järjestelmiä on integroitu kenttäväylätopologioihin yhdyskäytävien kautta (myös MCU:iden tai PLC:iden avulla), niitä voidaan valvoa ja hallita keskitetysti valvomosta käsin. Anturit voidaan määrittää etäältä, osittain siksi, että IO-Link--yhteensopivat anturit tietävät itsestään enemmän kuin "tavanomaiset" anturit.
Ensinnäkin niiden (ja valmistajan) tunniste on upotettu anturiin XML-muodossa, joka on saatavilla pyynnöstä. Näin järjestelmä tunnistaa anturin välittömästi ja ymmärtää sen ominaisuudet. Vielä tärkeämpää on, että IO-Linkin avulla anturit (ja toimilaitteet) voivat tarjota jatkuvaa, reaaliaikaista-tietovirtaa ohjaimelle. Itse asiassa IO-Link mahdollistaa kolmen tyyppisen tiedonvaihdon: prosessitiedot, palvelutiedot ja tapahtumat. Prosessitiedot siirretään syklisesti, kun taas palvelutiedot vaihdetaan ei--syklisesti ja aina IO-Link-masterin pyynnöstä. Palveludatan avulla voidaan lukea ja kirjoittaa parametritietoja laitteeseen/laitteesta.
IO-Link tarjoaa MCU:ille yksinkertaisemman tavan liittää älykkäitä antureita, jolloin järjestelmäsuunnittelijat voivat kehittää älykkäämpiä teollisuusautomaatioratkaisuja.
Lukuisat MCU-toimittajat ovat liittyneet IO-Link Consortiumiin, josta tuli äskettäin tekninen komitea (TC6) PI:ssä (PROFIBUS ja PROFINET International). Pohjimmiltaan IO-Link tarjoaa ohjaimille-mukaan lukien MCU:t ja PLC:t-standardoidun menetelmän tunnistaa, ohjata ja yleisesti kommunikoida tämän protokollan käyttävien antureiden ja toimilaitteiden kanssa. Luettelo yhteensopivia laitteita tarjoavista valmistajista kasvaa MCU-valmistajien kasvavan tuen myötä.
Tukea saavat osittain asiantuntijat, kuten saksalainen suunnittelutalo Mesco Engineering, joka tekee yhteistyötä useiden puolijohdevalmistajien kanssa IO-Link-ratkaisujen kehittämiseksi. Sen kumppaniluetteloon kuuluvat Infineon, STMicroelectronics, Atmel ja Texas Instruments. Esimerkiksi Infineon on siirtänyt Mescon IO-Link-pinon XC800:aan, 8051--yhteensopivaan 8-bittiseen MCU:han, joka toimittaa älykkyyttä linkin laitteen (anturi/toimilaite) -päähän. Infineon mahdollistaa myös IO-Link-tuen 16-bittisille laitteilleen, mukaan lukien XE16x-sarja.
Mescon pino on myös siirretty Texas Instrumentsin pienitehoiseen-MSP430-sarjaan-toiseen 16-bittiseen MCU:hun, joka perustuu patentoituun ytimeen. Tarkemmin sanottuna se kohdistuu MSP430F2274:ään.
Valmistajat kehittävät myös erilaisia erillisiä IO-Link-lähetin-vastaanottimia, kuten Maximin MAX14821. Tämä lähetin-vastaanotin kohdistaa IO-Link-laitteet ja 24 V:n binaariset anturit/toimilaitteet, jotka toimivat tietolinkkikerroksen protokollaa käyttävän MCU:n fyysisen kerroksen liitäntänä (kuva 3). Kaksi sisäistä lineaarista säädintä muodostavat yhteiset anturin ja toimilaitteen tehovaatimukset 5 V:lla ja 3,3 V:lla, ja laite konfiguroidaan ja sitä valvotaan SPI-liitännän kautta. Siinä on myös IO-lähetin-vastaanotinliitäntä, joka pystyy toimimaan jopa 36 V:n jännitteillä.
Kuva: Maximin IO-Link-lähetin-vastaanotin tarjoaa fyysisen kerroksen rajapinnan MCU:ille, jotka käyttävät datalinkkikerroksen protokollia.
Koska IO-Linkin levinneisyysaste on korkeampi, näyttää siltä, että useammat valmistajat integroivat nämä fyysiset liitännät muihin teollisuusautomaatiosovelluksia varten tarkoitettuihin MCU-oheislaitteisiin.
Teollisuusautomaatio on aina tukeutunut mittauksen ja ohjauksen integrointiin. Huolimatta verkottumisen lisääntyvästä käyttöönotosta viime vuosina, digitaalisen ja analogisen verkkoalueen välinen rajapinta on pysynyt suhteellisen ennallaan. IO-Linkin käyttöönoton myötä kuitenkin kehitetään nyt antureita ja toimilaitteita, jotka voivat liittää MCU:ihin entistä kehittyneemmillä tavoilla. Piste{4}}to{5}}-yhteydet tarjoavat yksinkertaisemman tavan liittää ohjauselementtejä, mutta tarjoavat myös tehokkaan tavan laajentaa matalan luokan MCU:iden ominaisuuksia.