Dette papir fokuserer på mikrocontrolleres (MCU'ers) rolle i industriel automation, og undersøger specifikt, hvordan de leverer grænseflader fra den virkelige-verden til sensorer og aktuatorer. Den diskuterer integrationen af-højtydende kerner, såsom ARM®'s Cortex™-M3, med præcision og specialiserede perifere enheder såsom Analog Devices' ADuCM360- og EMF32-serier. Den undersøger også relativt nye protokoller for dette applikationsdomæne, der specifikt refererer til lav--MCU'er, herunder Infineons XC800- og XC16x-serie og Texas Instruments' MSP430F2274, samt dedikerede transceivere som Maxims MAX14821.
Mikrocontrollere integrerer stigende hybrid-signalegenskaber og processorkraft, men andre udviklinger forlænger levetiden for low-mikrocontrollere.
Per definition er mikrocontrollere (MCU'er) redundante og mangler direkte grænseflader til den "virkelige verden." De er designet til at fungere som centrale hubs for input og output, eksekvering af betingede svar og styring af sekventielle og parallelle processer. Deres rolle er defineret af kontrol, og deres programmerbare karakter betyder, at denne kontrol styres af logik. Men de er grundlæggende designet som grænseflader til den analoge verden, og er derfor stærkt afhængige af analog-til-digital konvertering. Typisk er det den digitale repræsentation af en analog parameter-ofte fra en form for sensor-, der driver kontrolprocessen, et faktum, der ikke er mere tydeligt end i automatiseringsapplikationer.
Præcis ydeevne
Kommercielt pres kræver, at datakonverteringsprocesser, der er afgørende for deres drift, håndteres omkostningseffektivt -effektivt på-chippen, hvilket fører til højere niveauer af blandet-signalintegration. Ydermere bringer øget integration større behandlingsbyrder på kernen.
Deres lave omkostninger og fleksibilitet betyder, at MCU'er ofte er frit ansat, men producenter på tværs af brancher stræber nu efter at konsolidere funktionalitet af omkostnings-, kompleksitets- eller sikkerhedsmæssige årsager; hvor dusinvis af MCU'er engang kunne have været brugt, nu kan kun én være tilstrækkelig.
Derfor er det ikke overraskende, at simple 4-bit-enheder har udviklet sig til meget komplekse 32-bit-behandlingsmotorer, hvor ARM Cortex-M-serien er blevet kernevalget for mange leverandører.
Det er ikke nogen nem opgave at blande-højtydende behandlingskerner med præcis, stabil analog konvertering. CMOS udmærker sig ved høj-digital hastighed, men det kan være udfordrende at instantiere følsomme analoge perifere enheder. En virksomhed med dyb ekspertise på dette område er Analog Devices, Inc. Dens ADuCM-serie af fuldt integrerede dataindsamlingssystemer er designet til direkte forbindelse til præcise analoge sensorer. Denne tilgang minimerer ikke kun antallet af komponenter, men bevarer også nøjagtigheden ved at eliminere analoge og/eller digitale trin.
For eksempel er konverteren implementeret på den ARM Cortex-M3-baserede ADuCM360 en 24-bit Sigma Delta ADC, der udgør en del af enhedens analoge undersystem. Dette inkluderer en programmerbar strømexcitationskilde og en forspændingsgenerator, men endnu vigtigere, interne filtre - et til præcisionsmålinger og et andet til hurtige målinger, der er egnet til at detektere store variationer i kildesignalet.
Dyb søvnsensor
MCU-producenter anerkender den kritiske rolle, sensorer spiller i automatisering og er begyndt at udvikle optimerede analoge front-ends med dedikerede grænseflader til induktive, kapacitive og resistive sensorer.
Nogle af disse frontends er endda designet til at fungere autonomt, såsom LESENSE (Low Energy Sensor)-grænsefladen i Energy Micros ultra-lav- MCU-serie. Den indeholder en analog komparator, en DAC (digital-til-analog konverter) og en lav-sequencer, så den kan konfigureres af MCU'ens kerne og derefter fungere, mens resten af enheden forbliver i dyb dvaletilstand.
Sekvenseren opererer fra et 32 kHz ur og styrer aktiviteten, mens komparatorudgangen kan konfigureres til at generere en interrupt for at vække CPU'en. DAC'en kan vælges som enten en komparatorreference eller en drevkilde. LESENSE-teknologien inkorporerer også en konfigurerbar dekoder, der kan indstilles til kun at generere afbrydelser, når flere sensorbetingelser er opfyldt samtidigt. Digi-Key tilbyder Energy Micros EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, som inkluderer en LESENSE-demonstration. Energy Micros Tiny Gecko-serie af MCU'er, baseret på ARM Cortex-M3 og fungerer ved frekvenser op til 32 MHz, er rettet mod industrielle automatiseringsapplikationer såsom temperatur, vibration, tryk og bevægelsesregistrering.
Figur 1: Energy Micros lav-strømsensorgrænseflade, LESENSE, giver fleksibel sensortilslutning til industrielle kontrol- og automationssystemer.
IO-Link
Introduktionen af et kraftfuldt nyt sensor- og aktuatorinterface hjælper mange producenter med at forlænge levetiden for 8-bit- og 16-bit-enheder i industriel automation. Protokollen bag denne grænseflade kaldes IO-Link og har fået støtte fra adskillige ledere inden for industriel automation, især MCU-leverandører.
IO-Link bruger et 3--leder uskærmet kabel med en maksimal længde på 20 meter, hvilket gør det velegnet til eftermontering af smarte sensorer og aktuatorer i eksisterende installationer. Det kræver "intelligens" i hver ende, typisk implementeret i en MCU. På grund af protokollens relative enkelhed kan den dog rummes inden for-lavpris 8-bit MCU'er - præcist hvad mange producenter nu udvikler.
Protokollen (også kendt som SDCI, står for Single-Point Digital Communication Interface, og standardiseret i henhold til IEC 61131-9) blev udviklet som en peer-to-peer-kommunikationsløsning, der nemt kan indlejres i sensorer og aktuatorer, hvilket giver dem en grad af "intelligens." Derfor er det ikke beregnet til at erstatte eksisterende kommunikationslag som fieldbus, Profinet eller HART, men snarere at arbejde sammen med dem ved at gøre det nemmere for billige MCU'er at interface med højpræcisionssensorer og aktuatorer.
Konsortiet bag IO-Link mener, at det kan reducere systemets kompleksitet betydeligt, mens det introducerer nyttige funktioner som f.eks. realtidsdiagnostik gennem parameterovervågning. Når de integreres i feltbustopologier via gateways (også implementeret af MCU'er eller PLC'er), kan komplekse systemer overvåges centralt og styres fra kontrolrummet. Sensorer kan fjernkonfigureres, blandt andet fordi IO-Link-kompatible sensorer ved mere om sig selv end "konventionelle" sensorer.
For det første er deres identitet (og producentens) indlejret i sensoren i XML-format, tilgængeligt efter anmodning. Dette gør det muligt for systemet straks at genkende sensoren og forstå dens muligheder. Endnu vigtigere er det, at IO-Link gør det muligt for sensorer (og aktuatorer) at levere kontinuerlige,-realtidsdatastrømme til controlleren. Faktisk letter IO-Link tre typer dataudveksling: procesdata, servicedata og hændelser. Procesdata transmitteres cyklisk, mens servicedata udveksles ikke-cyklisk og altid efter anmodning fra IO-Link-masteren. Servicedata kan bruges til at læse og skrive parameterdata til/fra enheden.
IO-Link giver MCU'er en enklere måde at interface med smarte sensorer, hvilket gør det muligt for systemingeniører at udvikle mere intelligente industrielle automationsløsninger.
Adskillige MCU-leverandører har tilsluttet sig IO-Link Consortium, som for nylig blev en Technical Committee (TC6) inden for PI (PROFIBUS og PROFINET International). Grundlæggende giver IO-Link controllere-inklusive MCU'er og PLC'er-en standardiseret metode til at identificere, styre og generelt kommunikere med sensorer og aktuatorer, der anvender denne protokol. Listen over producenter, der tilbyder kompatible enheder, vokser sammen med stigende støtte fra MCU-producenter.
Supporten kommer delvist fra specialister som det tyske designhus Mesco Engineering, som samarbejder med flere halvlederproducenter om at udvikle IO-Link-løsninger. Dets partnerliste inkluderer Infineon, STMicroelectronics, Atmel og Texas Instruments. For eksempel har Infineon porteret Mescos IO-Link-stack til sin XC800, en 8051-kompatibel 8-bit MCU, der leverer intelligens ved enheden (sensor/aktuator) ende af linket. Infineon aktiverer også IO-Link-understøttelse for sine 16-bit-enheder, inklusive XE16x-serien.
Mescos stak er også blevet overført til Texas Instruments' lav-strøm MSP430-serie-en anden 16-bit MCU baseret på en proprietær kerne. Specifikt er det rettet mod MSP430F2274.
Producenter udvikler også en række diskrete IO-Link-transceivere, såsom Maxims MAX14821. Denne transceiver er målrettet mod IO-Link-enheder og 24 V binære sensorer/aktuatorer, der fungerer som det fysiske laggrænseflade for en MCU, der kører datalink-lagprotokollen (figur 3). To interne lineære regulatorer genererer de fælles sensor- og aktuatoreffektkrav ved 5 V og 3,3 V, og enheden konfigureres og overvåges via et SPI-interface. Den har også et IO-transceiver-interface, der kan fungere ved spændinger op til 36 V.
Figur: Maxims IO-Link-transceiver giver en fysisk laggrænseflade til MCU'er, der kører datalink-lagprotokoller.
Efterhånden som IO-Link opnår højere niveauer af penetration, ser det ud til, at flere producenter integrerer disse fysiske grænseflader med andre dedikerede perifere enheder på MCU'er til industrielle automationsapplikationer.
Industriel automation har altid været afhængig af integration af måling og kontrol. På trods af den stigende introduktion af netværk i de senere år, er grænsefladen mellem de digitale og analoge domæner forblevet relativt uændret. Men med introduktionen af IO-Link udvikles sensorer og aktuatorer nu, som kan forbindes til MCU'er på mere sofistikerede måder. Punkt-til-punktforbindelser giver ikke kun en enklere metode til grænseflader mellem kontrolelementer, men tilbyder også en effektiv måde at udvide mulighederne for low-MCU'er.