Den här artikeln fokuserar på mikrokontrollers (MCU) roll i industriell automation, och undersöker specifikt hur de tillhandahåller verkliga-världsgränssnitt för sensorer och ställdon. Den diskuterar integrationen av-högpresterande kärnor, som ARM®s Cortex™-M3, med precision och specialiserad kringutrustning som Analog Devices ADuCM360- och EMF32-serier. Den undersöker också relativt nya protokoll för den här applikationsdomänen, och refererar specifikt till låg-MCU:er inklusive Infineons XC800- och XC16x-serier och Texas Instruments MSP430F2274, såväl som dedikerade sändtagare som Maxims MAX14821.
Mikrokontroller integrerar ökande hybrid-signalfunktioner och processorkraft, men andra utvecklingar förlänger livscykeln för mikrokontroller med låg-del.
Per definition är mikrokontroller (MCU) redundanta och saknar direkta gränssnitt till den "verkliga världen". De är designade för att fungera som centrala nav för in- och utdata, exekvera villkorade svar och hantera sekventiella och parallella processer. Deras roll definieras av kontroll, och deras programmerbara natur innebär att denna kontroll hanteras av logik. Men de är i grunden utformade som gränssnitt till den analoga världen, och är därför starkt beroende av analog-till-digital konvertering. Vanligtvis är det den digitala representationen av en analog parameter-ofta från någon form av sensor-som driver kontrollprocessen, ett faktum som inte är mer uppenbart än i automationsapplikationer.
Exakt prestanda
Kommersiellt tryck kräver att datakonverteringsprocesser som är avgörande för deras drift hanteras kostnads-effektivt på-chip, vilket leder till högre nivåer av blandad-signalintegrering. Dessutom medför ökad integration större bearbetningsbördor på kärnan.
Deras låga kostnad och flexibilitet innebär att MCU:er ofta används fritt, men tillverkare inom olika branscher strävar nu efter att konsolidera funktionalitet av kostnads-, komplexitets- eller säkerhetsskäl; där dussintals MCU:er en gång kan ha använts, nu kan bara en räcka.
Därför är det föga förvånande att enkla 4-bitarsenheter har utvecklats till mycket komplexa 32-bitars bearbetningsmotorer, där ARM Cortex-M-serien har blivit kärnvalet för många leverantörer.
Att blanda högpresterande bearbetningskärnor med exakt, stabil analog konvertering är ingen enkel uppgift. CMOS utmärker sig vid hög-digital hastighet, men att instansiera känslig analog kringutrustning kan vara en utmaning. Ett företag med djup expertis inom detta område är Analog Devices, Inc. Dess ADuCM-serie av helt integrerade datainsamlingssystem är designade för direkt anslutning till analoga precisionssensorer. Detta tillvägagångssätt minimerar inte bara antalet komponenter utan bevarar också noggrannheten genom att eliminera analoga och/eller digitala steg.
Till exempel är omvandlaren implementerad på den ARM Cortex-M3-baserade ADuCM360 en 24-bitars Sigma Delta ADC, som utgör en del av enhetens analoga delsystem. Detta inkluderar en programmerbar strömexciteringskälla och en förspänningsgenerator, men ännu viktigare, interna filter - ett för precisionsmätningar och ett annat för snabba mätningar lämpade för att detektera stora variationer i källsignalen.
Djup sömnavkänning
MCU-tillverkare inser den kritiska rollen som sensorer spelar inom automatisering och har börjat utveckla optimerade analoga frontends med dedikerade gränssnitt för induktiva, kapacitiva och resistiva sensorer.
Vissa av dessa gränssnitt är till och med utformade för att fungera autonomt, som gränssnittet LESENSE (Low Energy Sensor) i Energy Micros ultra-låg-MCU-serie. Den innehåller en analog komparator, en DAC (digital-till-analogomvandlare) och en sekvenserare med låg-effekt, vilket gör att den kan konfigureras av MCU:ns kärna och sedan fungera medan resten av enheten förblir i djupt viloläge.
Sekvenseraren arbetar från en 32 kHz klocka och styr aktiviteten, medan komparatorutgången kan konfigureras för att generera ett avbrott för att väcka CPU:n. DAC kan väljas som antingen en komparatorreferens eller en drivkälla. LESENSE-tekniken innehåller också en konfigurerbar avkodare som kan ställas in för att generera avbrott endast när flera sensorvillkor uppfylls samtidigt. Digi-Key erbjuder Energy Micros EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, som inkluderar en LESENSE-demonstration. Energy Micros Tiny Gecko-serie av MCU:er, baserade på ARM Cortex-M3 och fungerar vid frekvenser upp till 32 MHz, riktar sig till industriella automationsapplikationer som temperatur, vibration, tryck och rörelseavkänning.
Figur 1: Energy Micros sensorgränssnitt för låg-effekt, LESENSE, ger flexibel sensoranslutning för industriella styr- och automationssystem.
IO-Länk
Introduktionen av ett kraftfullt nytt gränssnitt för sensor och ställdon hjälper många tillverkare att förlänga livslängden för 8-bitars och 16-bitars enheter inom industriell automation. Protokollet bakom detta gränssnitt kallas IO-Link och har fått stöd från många ledare inom industriell automation, särskilt MCU-leverantörer.
IO-Link använder en oskärmad 3-kabel med en maximal längd på 20 meter, vilket gör den lämplig för eftermontering av smarta sensorer och ställdon i befintliga installationer. Det kräver "intelligens" i varje ände, vanligtvis implementerad i en MCU. På grund av protokollets relativa enkelhet kan det dock rymmas inom lågkostnads-8-bitars MCU:er – precis vad många tillverkare nu utvecklar.
Protokollet (även känt som SDCI, står för Single-Point Digital Communication Interface, och standardiserat under IEC 61131-9) utvecklades som en peer-to-peer-kommunikationslösning som enkelt kan bäddas in i sensorer och ställdon, vilket ger dem en grad av "intelligens". Därför är det inte avsett att ersätta befintliga kommunikationslager som fältbuss, Profinet eller HART, utan snarare att arbeta tillsammans med dem genom att göra det lättare för låg-kostnads MCU:er att samverka med högprecisionssensorer och ställdon.
Konsortiet bakom IO-Link tror att det kan minska systemets komplexitet avsevärt samtidigt som det introducerar användbara funktioner som realtidsdiagnostik genom parameterövervakning. När de integreras i fältbusstopologier via gateways (även implementerade av MCU eller PLC), kan komplexa system övervakas centralt och hanteras från kontrollrummet. Sensorer kan fjärrkonfigureras, delvis eftersom IO-Link-kompatibla sensorer vet mer om sig själva än "konventionella" sensorer.
För det första är deras identitet (och tillverkarens) inbäddad i sensorn i XML-format, tillgängligt på begäran. Detta gör att systemet omedelbart kan känna igen sensorn och förstå dess kapacitet. Ännu viktigare är att IO-Link gör det möjligt för sensorer (och ställdon) att tillhandahålla kontinuerliga-realtidsdataströmmar till styrenheten. Faktum är att IO-Link underlättar tre typer av datautbyte: processdata, tjänstedata och händelser. Processdata överförs cykliskt, medan tjänstdata utbyts icke-cykliskt och alltid på begäran från IO-länkmastern. Servicedata kan användas för att läsa och skriva parameterdata till/från enheten.
IO-Link ger ett enklare sätt för MCU:er att samverka med smarta sensorer, vilket gör det möjligt för systemingenjörer att utveckla mer intelligenta industriella automationslösningar.
Många MCU-leverantörer har anslutit sig till IO-Link Consortium, som nyligen blev en teknisk kommitté (TC6) inom PI (PROFIBUS och PROFINET International). I grunden förser IO-Link styrenheter-inklusive MCU:er och PLC:er-med en standardiserad metod för att identifiera, styra och allmänt kommunicera med sensorer och ställdon som använder detta protokoll. Listan över tillverkare som erbjuder kompatibla enheter växer, tillsammans med ökat stöd från MCU-tillverkare.
Supporten kommer delvis från specialister som det tyska designhuset Mesco Engineering, som samarbetar med flera halvledartillverkare för att utveckla IO-länklösningar. Dess partnerlista inkluderar Infineon, STMicroelectronics, Atmel och Texas Instruments. Till exempel har Infineon portat Mescos IO-länkstack till sin XC800, en 8051-kompatibel 8-bitars MCU som levererar intelligens vid enhetens (sensor/aktuator) ände av länken. Infineon möjliggör också IO-Link-stöd för sina 16-bitarsenheter, inklusive XE16x-serien.
Mescos stack har också porterats till Texas Instruments låg- MSP430-serie-en annan 16-bitars MCU baserad på en proprietär kärna. Specifikt riktar den sig mot MSP430F2274.
Tillverkare utvecklar också en rad diskreta IO-Link-sändtagare, som Maxims MAX14821. Denna transceiver riktar sig till IO-länkenheter och 24 V binära sensorer/ställdon, som fungerar som det fysiska lagrets gränssnitt för en MCU som kör datalänkslagerprotokollet (Figur 3). Två interna linjära regulatorer genererar de gemensamma strömkraven för sensor och ställdon vid 5 V och 3,3 V, och enheten konfigureras och övervakas via ett SPI-gränssnitt. Den har också ett IO-transceivergränssnitt som kan arbeta vid spänningar upp till 36 V.
Figur: Maxims IO-länksändtagare tillhandahåller ett fysiskt lagergränssnitt för MCU:er som kör datalänkslagerprotokoll.
Eftersom IO-Link uppnår högre penetrationsnivåer verkar det som om fler tillverkare integrerar dessa fysiska gränssnitt med annan dedikerad kringutrustning på MCU:er för industriella automationsapplikationer.
Industriell automation har alltid förlitat sig på integration av mätning och styrning. Trots det ökande introduktionen av nätverk de senaste åren har gränssnittet mellan de digitala och analoga domänerna varit relativt oförändrat. Men med introduktionen av IO-Link utvecklas nu sensorer och ställdon som kan ansluta till MCU:er på mer sofistikerade sätt. Punkt-till-punkt-anslutningar ger inte bara en enklare metod för gränssnitt mellan kontrollelement utan erbjuder också ett effektivt sätt att utöka kapaciteten hos låg-MCU:er.