See artikkel keskendub mikrokontrollerite (MCU) rollile tööstusautomaatikas, uurides täpsemalt, kuidas need pakuvad andurite ja täiturmehhanismide jaoks tegelikke liideseid{0}}. Selles käsitletakse suure jõudlusega -tuumade, nagu ARM®-i Cortex™-M3, integreerimist täpsete ja spetsiaalsete välisseadmetega, nagu Analog Devices ADuCM360 ja EMF32 seeriad. Samuti uurib see selle rakendusdomeeni suhteliselt uusi protokolle, viidates konkreetselt madala kvaliteediga MCU-dele, sealhulgas Infineoni XC800 ja XC16x seeriatele ning Texas Instrumentsi MSP430F2274, aga ka spetsiaalsetele transiiveritele, nagu Maximi MAX14821.
Mikrokontrolleritesse on integreeritud kasvavad hübriid{0}signaali võimalused ja töötlemisvõimsus, kuid muud arendused pikendavad madala hinnaga{1}}mikrokontrollerite eluiga.
Definitsiooni järgi on mikrokontrollerid (MCU) üleliigsed, neil puuduvad otsesed liidesed "pärismaailmaga". Need on loodud toimima sisendite ja väljundite kesksete jaoturitena, täites tingimuslikke vastuseid ning hallades järjestikuseid ja paralleelseid protsesse. Nende roll on määratletud juhtimisega ja nende programmeeritav olemus tähendab, et seda juhtimist juhib loogika. Kuid need on põhimõtteliselt loodud analoogmaailma liidesteks, sõltudes seega suuresti analoog-digitaalmuundamisest{4}}. Tavaliselt juhib juhtimisprotsessi analoogparameetri digitaalne esitus-sageli mingist anduri vormist-, mis pole ilmsem kui automatiseerimisrakenduste puhul.
Täpne jõudlus
Kommertssurve nõuab nende toimimise jaoks oluliste andmekonversiooniprotsesside kulu-tõhusat haldamist-kiibil, mis suurendab segasignaali-integratsiooni. Lisaks toob suurem integratsioon tuumale suurema töötlemiskoormuse.
Nende madal hind ja paindlikkus tähendavad, et MCU-sid kasutatakse sageli vabalt, kuid kõigi tööstusharude tootjad püüavad nüüd kulude, keerukuse või turvalisuse kaalutlustel funktsionaalsust konsolideerida; Kui kunagi võidi kasutada kümneid MCU-sid, võib nüüd piisata ainult ühest.
Seega pole üllatav, et lihtsad 4-bitised seadmed on arenenud väga keerukateks 32-bitisteks töötlusmootoriteks, kusjuures ARM Cortex-M seeriast on saanud paljude tarnijate peamine valik.
Suure jõudlusega{0}}töötlussüdamike segamine täpse ja stabiilse analoogmuundusega ei ole lihtne ülesanne. CMOS on suurepärane-kiire digitaalse kiirusega, kuid tundlike analoogvälisseadmete loomine võib olla keeruline. Üks selles valdkonnas sügavate teadmistega ettevõte on Analog Devices, Inc. Selle täielikult integreeritud andmehõivesüsteemide seeria ADuCM on loodud otseühenduseks täpsete analooganduritega. See lähenemisviis mitte ainult ei vähenda komponentide arvu, vaid säilitab ka täpsuse, välistades analoog- ja/või digitaalsed etapid.
Näiteks ARM Cortex-M3-põhisele ADuCM360-le rakendatud muundur on 24-bitine Sigma Delta ADC, mis moodustab osa seadme analoogallsüsteemist. See hõlmab programmeeritavat voolu ergutusallikat ja eelpinge generaatorit, kuid mis veelgi olulisem, sisemisi filtreid – üks täppismõõtmiste jaoks ja teine kiirete mõõtmiste jaoks, mis sobivad allikasignaali suurte kõikumiste tuvastamiseks.
Sügava une tuvastamine
MCU tootjad tunnistavad andurite kriitilist rolli automatiseerimisel ja on hakanud välja töötama optimeeritud analoogse esiotsaid koos spetsiaalsete liidestega induktiiv-, mahtuvus- ja takistusandurite jaoks.
Mõned neist esiotsadest on loodud isegi autonoomseks töötamiseks, näiteks Energy Micro'i ülimalt{0}}madala võimsusega-MCU-seeria LESENSE (Low Energy Sensor) liides. See sisaldab analoogkomparaatorit, DAC-i (digitaal---analoogmuundurit) ja väikese-võimsusega sekventserit, mis võimaldab seda MCU tuumaga konfigureerida ja seejärel töötada, kuni ülejäänud seade jääb sügavasse unerežiimi.
Sekvenser töötab 32 kHz kellaga ja juhib aktiivsust, samas kui komparaatori väljundit saab konfigureerida genereerima katkestuse CPU äratamiseks. DAC-i saab valida kas võrdlusaluseks või ajami allikaks. LESENSE tehnoloogia sisaldab ka konfigureeritavat dekoodrit, mille saab seadistada katkestusi genereerima ainult siis, kui korraga on täidetud mitu anduri tingimust. Digi-Key pakub Energy Micro'i EFM32 Tiny Gecko stardikomplekti, mis sisaldab LESENSE'i tutvustust. Energy Micro'i Tiny Gecko seeria MCU-d, mis põhinevad ARM Cortex-M3-l ja töötavad sagedustel kuni 32 MHz, on suunatud tööstuslikele automatiseerimisrakendustele, nagu temperatuur, vibratsioon, rõhk ja liikumisandur.
Joonis 1: Energy Micro vähese võimsusega{1}}anduri liides LESENSE pakub paindlikku anduriühendust tööstuslike juhtimis- ja automaatikasüsteemide jaoks.
IO-Link
Uue võimsa anduri ja täiturmehhanismi liidese kasutuselevõtt aitab paljudel tootjatel pikendada 8-bitiste ja 16-bitiste seadmete eluiga tööstusautomaatikas. Selle liidese taga olevat protokolli nimetatakse IO-Linkiks ja see on pälvinud toetust paljudelt tööstusautomaatika liidritelt, eriti MCU tarnijatelt.
IO-Link kasutab 3-juhtmelist varjestamata kaablit, mille maksimaalne pikkus on 20 meetrit, mis muudab selle sobivaks nutikate andurite ja täiturmehhanismide paigaldamiseks olemasolevatesse paigaldustesse. See nõuab mõlemas otsas "intelligentsust", mida tavaliselt rakendatakse MCU-s. Protokolli suhtelise lihtsuse tõttu saab seda siiski mahutada odava-8-bitise MCU-sse – täpselt seda, mida paljud tootjad praegu arendavad.
Protokoll (tuntud ka kui SDCI, mis tähendab Single{0}}Point Digital Communication Interface ja standarditud IEC 61131-9 alusel) töötati välja võrdõigussidelahendusena-to-, mida saab hõlpsasti anduritesse ja täiturmehhanismidesse manustada, andes neile teatud "intelligentsuse". Seetõttu ei ole see mõeldud asendama olemasolevaid sidekihte, nagu väljasiin, Profinet või HART, vaid pigem töötama nendega koos, hõlbustades -odavate MCU-de liidestumist ülitäpsete andurite ja täiturmehhanismidega.
IO{0}}Linki taga olev konsortsium usub, et see võib oluliselt vähendada süsteemi keerukust, juurutades samal ajal kasulikke funktsioone, nagu parameetrite jälgimise kaudu{1}}reaalajas diagnostika. Kui need on integreeritud väljasiini topoloogiatesse lüüside kaudu (mida rakendavad ka MCU-d või PLC-d), saab keerukaid süsteeme tsentraalselt jälgida ja juhtida juhtimisruumist. Andureid saab kaugkonfigureerida, osaliselt seetõttu, et IO-Link-ühilduvad andurid teavad endast rohkem kui "tavalised" andurid.
Esiteks on nende (ja tootja) identiteet manustatud andurisse XML-vormingus, mis on nõudmisel saadaval. See võimaldab süsteemil anduri kohe ära tunda ja mõista selle võimalusi. Veelgi olulisem on see, et IO-Link võimaldab anduritel (ja täiturmehhanismidel) pakkuda kontrollerile pidevaid reaalajas-andmevooge. Tegelikult hõlbustab IO-Link kolme tüüpi andmevahetust: töötlemisandmed, teenuseandmed ja sündmused. Protsessiandmeid edastatakse tsükliliselt, samas kui teenuseandmeid vahetatakse mitte-tsükliliselt ja alati IO-lingi põhiseadme nõudmisel. Teenindusandmeid saab kasutada parameetriandmete lugemiseks ja kirjutamiseks seadmesse/seadmest.
IO-Link pakub MCU-dele lihtsamat viisi nutikate anduritega liidestamiseks, võimaldades süsteemiinseneridel arendada intelligentsemaid tööstusautomaatika lahendusi.
Paljud MCU tarnijad on liitunud IO-Link Consortsiumiga, millest sai hiljuti PI (PROFIBUS ja PROFINET International) tehniline komitee (TC6). Põhimõtteliselt pakub IO-Link kontrolleritele-sh MCU-sid ja PLC-sid-standardiseeritud meetodit seda protokolli kasutavate andurite ja täiturmehhanismide tuvastamiseks, juhtimiseks ja nendega üldiselt suhtlemiseks. Ühilduvaid seadmeid pakkuvate tootjate nimekiri kasvab koos MCU tootjate kasvava toetusega.
Osaliselt pakuvad tuge sellised spetsialistid nagu Saksa disainimaja Mesco Engineering, mis teeb IO-Link lahenduste väljatöötamiseks koostööd mitme pooljuhtide tootjaga. Selle partnerite nimekirja kuuluvad Infineon, STMicroelectronics, Atmel ja Texas Instruments. Näiteks on Infineon teisaldanud Mesco IO-lingi virna oma XC800-le, 8051-ühilduvale 8-bitisele MCU-le, mis edastab luureandmeid lingi seadme (sensor/täitur) otsas. Infineon lubab ka IO-Linki toe oma 16-bitistele seadmetele, sealhulgas XE16x seeriale.
Mesco pinu on teisaldatud ka Texas Instrumentsi väikese{0}}võimsusega MSP430 seeriale-teisele 16-bitisele MCU-le, mis põhineb patenteeritud tuumal. Täpsemalt on see suunatud MSP430F2274-le.
Tootjad arendavad ka erinevaid diskreetseid IO{0}}Link transiivereid, nagu Maximi MAX14821. See transiiver sihib IO-Link-seadmeid ja 24 V kahendandureid/ajamid, mis toimivad andmesidekihi protokolli käitava MCU füüsilise kihi liidesena (joonis 3). Kaks sisemist lineaarset regulaatorit genereerivad anduri ja täiturmehhanismi ühised võimsusnõuded pingetel 5 V ja 3,3 V ning seadet konfigureeritakse ja jälgitakse SPI-liidese kaudu. Sellel on ka IO transiiveri liides, mis on võimeline töötama kuni 36 V pingel.
Joonis: Maximi IO{0}}Link-transiiver pakub füüsilise kihi liidest MCU-dele, mis töötavad andmelingikihi protokolle.
Kuna IO{0}}Link saavutab suurema leviku taseme, näib, et rohkem tootjaid integreerib neid füüsilisi liideseid muude tööstusautomaatika rakenduste jaoks mõeldud MCU-de välisseadmetega.
Tööstusautomaatika on alati tuginenud mõõtmise ja juhtimise integreerimisele. Vaatamata sellele, et viimastel aastatel on võrkude kasutuselevõtt suurenenud, on digitaal- ja analoogdomeeni vaheline liides jäänud suhteliselt muutumatuks. Kuid IO-Linki kasutuselevõtuga töötatakse nüüd välja andureid ja täiturmehhanisme, mis suudavad ühendada MCU-dega keerukamal viisil. Punkt{4}}punkt{5}}ühendused ei paku mitte ainult lihtsamat meetodit juhtelementide liidestamiseks, vaid pakuvad ka tõhusat viisi madalate -MCU-de võimaluste laiendamiseks.