В этой статье основное внимание уделяется роли микроконтроллеров (MCU) в промышленной автоматизации, в частности рассматривается, как они обеспечивают реальные-интерфейсы для датчиков и исполнительных механизмов. В нем обсуждается интеграция высокопроизводительных-ядер, таких как ARM® Cortex™-M3, с прецизионными и специализированными периферийными устройствами, такими как серии ADuCM360 и EMF32 от Analog Devices. В нем также рассматриваются относительно новые протоколы для этой области приложений, в частности, речь идет о микроконтроллерах начального уровня-, включая серии XC800 и XC16x от Infineon и MSP430F2274 от Texas Instruments, а также специализированные трансиверы, такие как MAX14821 от Maxim.
Микроконтроллеры объединяют в себе растущие возможности гибридного-сигнала и вычислительную мощность, однако другие разработки продлевают жизненный цикл микроконтроллеров-бюджетного уровня.
По определению, микроконтроллеры (MCU) являются избыточными и не имеют прямого интерфейса с «реальным миром». Они предназначены для использования в качестве центральных узлов ввода и вывода, выполнения условных ответов и управления последовательными и параллельными процессами. Их роль определяется контролем, а их программируемый характер означает, что этот контроль управляется логикой. Однако по своей сути они спроектированы как интерфейсы к аналоговому миру, поэтому в значительной степени зависят от аналого--в-цифрового преобразования. Как правило, это цифровое представление аналогового параметра,-часто исходящего от какого-либо датчика-, который управляет процессом управления, и этот факт не более очевиден, чем в приложениях автоматизации.
Точная производительность
Коммерческие требования требуют, чтобы процессы преобразования данных, критически важные для их работы, выполнялись экономично-на-чипе, что обеспечивает более высокий уровень интеграции смешанных-сигналов. Более того, усиление интеграции увеличивает нагрузку на ядро.
Их низкая стоимость и гибкость означают, что микроконтроллеры часто используются свободно, но производители в разных отраслях теперь стремятся консолидировать функциональность по соображениям стоимости, сложности или безопасности; там, где когда-то могли использоваться десятки микроконтроллеров, теперь может быть достаточно только одного.
Поэтому неудивительно, что простые 4-разрядные устройства превратились в очень сложные 32-разрядные процессоры, а серия ARM Cortex-M стала основным выбором для многих поставщиков.
Сочетание высокопроизводительных-ядер обработки с точным и стабильным аналоговым преобразованием — непростая задача. КМОП превосходно справляется с высокоскоростными цифровыми технологиями, но создание чувствительных аналоговых периферийных устройств может оказаться сложной задачей. Одной из компаний с глубоким опытом в этой области является Analog Devices, Inc. Ее серия полностью интегрированных систем сбора данных ADuCM предназначена для прямого подключения к прецизионным аналоговым датчикам. Такой подход не только сводит к минимуму количество компонентов, но и сохраняет точность за счет исключения аналоговых и/или цифровых каскадов.
Например, преобразователь, реализованный на базе ADuCM360 на базе ARM Cortex-M3-, представляет собой 24-битный сигма-дельта-АЦП, входящий в состав аналоговой подсистемы устройства. Он включает в себя программируемый источник возбуждения тока и генератор напряжения смещения, но, что более важно, внутренние фильтры: один для прецизионных измерений, а другой для быстрых измерений, пригодных для обнаружения больших изменений исходного сигнала.
Обнаружение глубокого сна
Производители микроконтроллеров осознают решающую роль датчиков в автоматизации и начали разработку оптимизированных аналоговых интерфейсов со специальными интерфейсами для индуктивных, емкостных и резистивных датчиков.
Некоторые из этих интерфейсов даже предназначены для автономной работы, например интерфейс LESENSE (Low Energy Sensor) в серии микроконтроллеров Energy Micro со сверх-низким-энергопотреблением. Он включает в себя аналоговый компаратор, ЦАП (цифро----аналоговый преобразователь) и секвенсор малой-мощности, что позволяет настраивать его с помощью ядра микроконтроллера и затем работать, пока остальная часть устройства остается в режиме глубокого сна.
Секвенсор работает с тактовой частотой 32 кГц и контролирует активность, а выход компаратора можно настроить на генерацию прерывания для пробуждения ЦП. ЦАП можно выбрать либо в качестве опорного компаратора, либо в качестве источника возбуждения. Технология LESENSE также включает в себя настраиваемый декодер, который можно настроить на генерацию прерываний только при одновременном выполнении условий нескольких датчиков. Digi-Key предлагает стартовый комплект EFM32 Tiny Gecko от Energy Micro, который включает демонстрацию LESENSE. Серия микроконтроллеров Tiny Gecko компании Energy Micro, основанная на процессоре ARM Cortex-M3 и работающая на частотах до 32 МГц, предназначена для приложений промышленной автоматизации, таких как измерение температуры, вибрации, давления и движения.
Рис. 1. Интерфейс датчиков LESENSE с низким энергопотреблением от Energy Micro обеспечивает гибкое подключение датчиков к промышленным системам управления и автоматизации.
IO-Ссылка
Внедрение нового мощного интерфейса датчиков и исполнительных механизмов помогает многим производителям продлить срок службы 8-- и 16-битных устройств промышленной автоматизации. Протокол этого интерфейса называется IO-Link и получил поддержку многих лидеров промышленной автоматизации, в частности поставщиков микроконтроллеров.
В IO-Link используется 3-жильный неэкранированный кабель максимальной длиной 20 метров, что делает его пригодным для модернизации интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов в существующих установках. Это требует «интеллекта» на каждом конце, обычно реализованного в микроконтроллере. Однако из-за относительной простоты протокола его можно использовать в недорогих-8-битных микроконтроллерах — именно это сейчас разрабатывают многие производители.
Протокол (также известный как SDCI, что означает «одноточечный интерфейс цифровой связи» и стандартизированный в соответствии с IEC 61131-9) был разработан как решение для одноранговой--одноранговой связи, которое можно легко встроить в датчики и исполнительные механизмы, что придает им определенную степень «интеллектуальности». Таким образом, он не предназначен для замены существующих уровней связи, таких как полевая шина, Profinet или HART, а скорее для совместной работы с ними, упрощая взаимодействие недорогих-микроконтроллеров с высокоточными датчиками и исполнительными механизмами.
Консорциум IO-Link считает, что это может значительно снизить сложность системы, добавив полезные функции, такие как диагностика-в режиме реального времени посредством мониторинга параметров. При интеграции в топологии полевой шины через шлюзы (также реализованные с помощью микроконтроллеров или ПЛК) сложные системы могут контролироваться централизованно и управляться из диспетчерской. Датчики можно настраивать удаленно, отчасти потому, что датчики, совместимые с IO-Link-, знают о себе больше, чем «обычные» датчики.
Во-первых, их идентификационные данные (и данные производителя) встроены в датчик в формате XML, доступном по запросу. Это позволяет системе сразу распознать датчик и понять его возможности. Что еще более важно, IO-Link позволяет датчикам (и исполнительным механизмам) обеспечивать непрерывные-потоки данных в реальном времени на контроллер. Фактически IO-Link обеспечивает три типа обмена данными: данные процесса, данные обслуживания и события. Данные процесса передаются циклически, а служебные данные передаются не-нециклически и всегда по запросу от мастера IO-Link. Служебные данные можно использовать для чтения и записи данных параметров в/из устройства.
IO-Link обеспечивает более простой способ взаимодействия микроконтроллеров с интеллектуальными датчиками, что позволяет системным инженерам разрабатывать более интеллектуальные решения промышленной автоматизации.
Многочисленные поставщики микроконтроллеров присоединились к консорциуму IO-Link, который недавно стал техническим комитетом (TC6) внутри PI (PROFIBUS и PROFINET International). По сути, IO-Link предоставляет контроллерам,-включая микроконтроллеры и ПЛК-стандартизованный метод идентификации, управления и общей связи с датчиками и исполнительными механизмами, использующими этот протокол. Список производителей, предлагающих совместимые устройства, растет вместе с растущей поддержкой со стороны производителей микроконтроллеров.
Частично поддержку оказывают такие специалисты, как немецкий дизайнерский дом Mesco Engineering, который сотрудничает с несколькими производителями полупроводников для разработки решений IO-Link. В список его партнеров входят Infineon, STMicroelectronics, Atmel и Texas Instruments. Например, компания Infineon перенесла стек IO-Link Mesco на свой XC800, 8051-совместимый 8-битный микроконтроллер, который обеспечивает интеллектуальную работу на стороне устройства (датчик/исполнительный механизм) канала. Infineon также включает поддержку IO-Link для своих 16-битных устройств, включая серию XE16x.
Стек Mesco также был портирован на -серию MSP430 с низким энергопотреблением-еще один 16-разрядный микроконтроллер Texas Instruments на базе собственного ядра. В частности, он нацелен на MSP430F2274.
Производители также разрабатывают ряд трансиверов дискретного ввода-вывода-Link, например Maxim MAX14821. Этот приемопередатчик предназначен для устройств IO-Link и двоичных датчиков/исполнительных устройств с напряжением 24 В и служит интерфейсом физического уровня для микроконтроллера, работающего по протоколу канального уровня (рис. 3). Два внутренних линейных регулятора генерируют общие требования к питанию датчиков и исполнительных устройств при напряжении 5 В и 3,3 В, а устройство настраивается и контролируется через интерфейс SPI. Он также оснащен интерфейсом приемопередатчика ввода-вывода, способным работать при напряжении до 36 В.
Рисунок: Приемопередатчик IO-Link компании Maxim обеспечивает интерфейс физического уровня для микроконтроллеров, использующих протоколы канального уровня.
Поскольку IO-Link достигает более высокого уровня проникновения, похоже, что все больше производителей интегрируют эти физические интерфейсы с другими специализированными периферийными устройствами на микроконтроллерах для приложений промышленной автоматизации.
Промышленная автоматизация всегда опиралась на интеграцию измерений и управления. Несмотря на все более широкое внедрение сетевых технологий в последние годы, интерфейс между цифровой и аналоговой областями остался относительно неизменным. Однако с появлением IO-Link сейчас разрабатываются датчики и исполнительные механизмы, которые могут подключаться к микроконтроллерам более сложными способами. Соединения «точка----точка» не только обеспечивают более простой метод взаимодействия элементов управления, но также предлагают эффективный способ расширения возможностей микроконтроллеров нижнего-моделирования.