این مقاله بر روی نقش میکروکنترلرها (MCU) در اتوماسیون صنعتی تمرکز میکند، بهویژه بررسی نحوه ارائه اینترفیسهای واقعی{0}}جهانی برای حسگرها و محرکها. در مورد ادغام هستههای-با عملکرد بالا، مانند Cortex™-M3 ARM، با تجهیزات جانبی دقیق و تخصصی مانند سری ADuCM360 و EMF32 دستگاههای آنالوگ بحث میشود. همچنین پروتکلهای نسبتاً جدیدی را برای این دامنه کاربردی بررسی میکند، بهویژه به MCUهای{8}پایین از جمله سری XC800 و XC16x Infineon و MSP430F2274 تگزاس اینسترومنت، و همچنین فرستندههای گیرنده اختصاصی مانند MAX14821 Maxim اشاره میکند.
میکروکنترلرها قابلیتهای سیگنال هیبریدی و قدرت پردازش فزاینده را یکپارچه میکنند، اما پیشرفتهای دیگر چرخه عمر میکروکنترلرهای-پایین را افزایش میدهند.
طبق تعریف، میکروکنترلرها (MCU) اضافی هستند و فاقد رابط مستقیم با "دنیای واقعی" هستند. آنها طراحی شده اند تا به عنوان هاب مرکزی برای ورودی ها و خروجی ها، اجرای پاسخ های شرطی و مدیریت فرآیندهای متوالی و موازی عمل کنند. نقش آنها با کنترل تعریف می شود و ماهیت قابل برنامه ریزی آنها به این معنی است که این کنترل توسط منطق مدیریت می شود. با این حال، آنها اساساً به عنوان رابطی برای دنیای آنالوگ طراحی شده اند، بنابراین به شدت به تبدیل-به-آنالوگ به دیجیتال وابسته هستند. به طور معمول، این نمایش دیجیتالی یک پارامتر آنالوگ-اغلب از نوعی حسگر{7}} است که فرآیند کنترل را هدایت میکند، واقعیتی که بیشتر از کاربردهای اتوماسیون مشهود نیست.
عملکرد دقیق
فشارهای تجاری ایجاب میکند که فرآیندهای تبدیل دادهها که برای عملکردشان حیاتی هستند، هزینه{0}}بهطور مؤثری بر روی-تراشه مدیریت شود و سطوح بالاتری از یکپارچهسازی سیگنالهای مختلط- را افزایش دهد. علاوه بر این، افزایش یکپارچگی، بار پردازشی بیشتری را بر روی هسته وارد میکند.
هزینه کم و انعطاف پذیری آنها به این معنی است که MCU ها اغلب آزادانه به کار می روند، اما سازندگان در سراسر صنایع اکنون در تلاش هستند تا عملکردها را به دلایل هزینه، پیچیدگی یا امنیتی یکپارچه کنند. جایی که ممکن است زمانی ده ها MCU مورد استفاده قرار می گرفت، اکنون فقط یک دستگاه کافی است.
بنابراین، جای تعجب نیست که دستگاههای ساده 4-بیتی به موتورهای پردازشی بسیار پیچیده 32 بیتی تبدیل شدهاند و سری ARM Cortex-M به انتخاب اصلی بسیاری از تأمینکنندگان تبدیل شده است.
ترکیب هستههای پردازش{0} با عملکرد بالا با تبدیل آنالوگ دقیق و پایدار کار سادهای نیست. CMOS در دیجیتالی{2}}سرعت بالا برتری دارد، اما نمونهبرداری از تجهیزات جانبی آنالوگ حساس میتواند چالشبرانگیز باشد. یک شرکت با تخصص عمیق در این حوزه، Analog Devices, Inc است. سری ADuCM از سیستمهای جمعآوری داده کاملاً یکپارچه آن برای اتصال مستقیم به حسگرهای آنالوگ دقیق طراحی شدهاند. این رویکرد نه تنها تعداد اجزا را به حداقل می رساند، بلکه با حذف مراحل آنالوگ و/یا دیجیتال، دقت را نیز حفظ می کند.
به عنوان مثال، مبدل اجرا شده بر روی ADuCM360 مبتنی بر ARM Cortex-M3{- یک سیگما دلتا ADC 24 بیتی است که بخشی از زیرسیستم آنالوگ دستگاه را تشکیل میدهد. این شامل یک منبع تحریک جریان قابل برنامه ریزی و یک ژنراتور ولتاژ بایاس است، اما مهمتر از آن، فیلترهای داخلی - یکی برای اندازه گیری های دقیق و دیگری برای اندازه گیری های سریع مناسب برای تشخیص تغییرات زیاد در سیگنال منبع.
Deep Sleep Sensing
سازندگان MCU نقش حیاتی سنسورها در اتوماسیون را تشخیص می دهند و شروع به توسعه قسمت های جلویی آنالوگ بهینه شده با رابط های اختصاصی برای حسگرهای القایی، خازنی و مقاومتی کرده اند.
برخی از این قسمتهای جلویی حتی برای عملکرد مستقل طراحی شدهاند، مانند رابط LESENSE (حسگر انرژی کم) در سری MCU فوقالعاده-کم- Energy Micro. این دستگاه دارای یک مقایسهکننده آنالوگ، یک DAC (مبدل-دیجیتال به-آنالوگ) و یک ترتیبدهنده کم-قدرت است که به آن اجازه میدهد توسط هسته MCU پیکربندی شود و سپس در حالی که بقیه دستگاه در حالت خواب عمیق باقی میماند، کار کند.
ترتیبدهنده از یک ساعت 32 کیلوهرتز کار میکند و فعالیت را کنترل میکند، در حالی که خروجی مقایسهکننده را میتوان برای ایجاد یک وقفه برای بیدار کردن CPU پیکربندی کرد. DAC می تواند به عنوان مرجع مقایسه یا منبع درایو انتخاب شود. فناوری LESENSE همچنین دارای یک رمزگشای قابل تنظیم است که می تواند برای ایجاد وقفه تنها زمانی تنظیم شود که چندین شرایط سنسور به طور همزمان برآورده شوند. Digi{4}}Key کیت شروع EFM32 Tiny Gecko از Energy Micro را ارائه میکند که شامل نمایش LESENSE است. سری MCU های Tiny Gecko Energy Micro، مبتنی بر ARM Cortex-M3 و در فرکانس های تا 32 مگاهرتز کار می کند، برنامه های اتوماسیون صنعتی مانند دما، لرزش، فشار و سنجش حرکت را هدف قرار می دهد.
شکل 1: رابط حسگر کم انرژی Energy Micro، LESENSE، اتصال حسگر انعطاف پذیر را برای سیستم های کنترل صنعتی و اتوماسیون فراهم می کند.
IO-پیوند
معرفی یک رابط حسگر و محرک جدید قدرتمند به بسیاری از سازندگان کمک می کند تا طول عمر دستگاه های 8-بیتی و 16 بیتی را در اتوماسیون صنعتی افزایش دهند. پروتکل پشت این رابط IO-Link نامیده می شود و از طرفداران متعددی در اتوماسیون صنعتی، به ویژه تامین کنندگان MCU پشتیبانی شده است.
IO{0}}Link از یک کابل 3-سیمی بدون محافظ با حداکثر طول 20 متر استفاده میکند که آن را برای بهسازی سنسورها و محرکهای هوشمند در تاسیسات موجود مناسب میسازد. این نیاز به "هوش" در هر انتها دارد که معمولاً در یک MCU پیاده سازی می شود. با این حال، به دلیل سادگی نسبی پروتکل، میتوان آن را در MCUهای 8 بیتی کمهزینه- جای داد - دقیقاً همان چیزی که بسیاری از سازندگان اکنون در حال توسعه هستند.
این پروتکل (همچنین به عنوان SDCI، مخفف یک-رابط ارتباط دیجیتال نقطهای، و استاندارد شده تحت استاندارد IEC 61131-9) به عنوان یک راهحل ارتباط همتا به{5} توسعه داده شده است که میتواند به راحتی در حسگرها و محرکها جاسازی شود و به آنها درجهای از "اطلاعات" را میدهد. بنابراین، قرار نیست لایههای ارتباطی موجود مانند باس فیلد باس، Profinet یا HART جایگزین شود، بلکه قرار است در کنار آنها کار کند و با آسانتر کردن{6}}MCUهای کمهزینه با حسگرها و محرکهای با دقت بالا ارتباط برقرار کند.
کنسرسیوم پشت IO{0}}لینک معتقد است که میتواند پیچیدگی سیستم را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و در عین حال ویژگیهای مفیدی مانند-تشخیص زمان واقعی را از طریق نظارت بر پارامترها معرفی کند. هنگامی که از طریق دروازهها در توپولوژیهای فیلدباس ادغام میشوند (همچنین توسط MCU یا PLC پیادهسازی میشوند)، سیستمهای پیچیده را میتوان به صورت مرکزی از اتاق کنترل کنترل و مدیریت کرد. سنسورها را میتوان از راه دور پیکربندی کرد، تا حدی به این دلیل که حسگرهای سازگار با IO-Link-بیشتر از حسگرهای "معمولی" درباره خود میدانند.
اول، هویت آنها (و سازنده) در قالب XML در حسگر تعبیه شده است که در صورت درخواست در دسترس است. این به سیستم اجازه می دهد تا فورا حسگر را تشخیص دهد و توانایی های آن را درک کند. مهمتر از آن، IO{2}}پیوند، حسگرها (و محرک ها) را قادر می سازد تا جریان های مداوم و واقعی-داده را به کنترل کننده ارائه دهند. در واقع، IO{5}}لینک سه نوع تبادل داده را تسهیل میکند: دادههای پردازش، دادههای سرویس، و رویدادها. دادههای فرآیند بهصورت چرخهای منتقل میشوند، در حالی که دادههای سرویس بهصورت غیر چرخهای و همیشه بر اساس درخواست از IO-مستر پیوند مبادله میشوند. داده های سرویس را می توان برای خواندن و نوشتن داده های پارامتر در/از دستگاه استفاده کرد.
IO{0}}لینک راه سادهتری را برای رابطهای MCU با حسگرهای هوشمند فراهم میکند و مهندسین سیستم را قادر میسازد تا راهحلهای اتوماسیون صنعتی هوشمندتر را توسعه دهند.
بسیاری از تامین کنندگان MCU به کنسرسیوم IO-پیوند پیوسته اند، که اخیراً به یک کمیته فنی (TC6) در PI (PROFIBUS و PROFINET International) تبدیل شده است. اساساً، IO{3}}لینک به کنترلکنندههایی-از جمله MCU و PLC-روش استانداردی برای شناسایی، کنترل و به طور کلی ارتباط با حسگرها و محرکهایی که این پروتکل را میپذیرند، ارائه میدهد. فهرست تولیدکنندگانی که دستگاههای سازگار را ارائه میکنند، در کنار افزایش پشتیبانی تولیدکنندگان MCU، در حال افزایش است.
پشتیبانی تا حدی از جانب متخصصانی مانند خانه طراحی آلمانی Mesco Engineering است که با چند تولیدکننده نیمه هادی برای توسعه راه حل های IO-لینک همکاری می کند. فهرست شرکای آن شامل Infineon، STMicroelectronics، Atmel و Texas Instruments است. به عنوان مثال، Infineon IO{3}}پشته پیوند Mesco را به XC800 خود، یک MCU 8 بیتی سازگار با 8051- که اطلاعات را در دستگاه (حسگر/محرک) انتهای پیوند ارائه میکند، منتقل کرده است. Infineon همچنین پشتیبانی IO-Link را برای دستگاه های 16 بیتی خود از جمله سری XE16x فعال می کند.
پشته Mesco همچنین به -سری MSP430 کم مصرف تگزاس اینسترومنتز-دیگر MCU 16 بیتی مبتنی بر یک هسته اختصاصی منتقل شده است. به طور خاص، MSP430F2274 را هدف قرار می دهد.
سازندگان همچنین در حال توسعه طیف وسیعی از گیرندههای IO-لینک مجزا هستند، مانند MAX14821 Maxim. این فرستنده گیرنده دستگاههای IO- و حسگرها / محرکهای باینری 24 ولت را هدف قرار میدهد که به عنوان رابط لایه فیزیکی برای MCU که پروتکل لایه پیوند داده را اجرا میکند، عمل میکند (شکل 3). دو رگولاتور خطی داخلی نیازهای برق مشترک سنسور و محرک را در 5 ولت و 3.3 ولت تولید می کنند و دستگاه از طریق یک رابط SPI پیکربندی و نظارت می شود. همچنین دارای یک رابط فرستنده گیرنده IO است که قادر به کار در ولتاژ تا 36 ولت است.
شکل: فرستنده و گیرنده IO Maxim{0}لینک یک رابط لایه فیزیکی برای MCUهایی که پروتکل های لایه پیوند داده را اجرا می کنند، فراهم می کند.
از آنجایی که IO{0}}Link به سطوح بالاتری از نفوذ دست می یابد، به نظر می رسد که تولیدکنندگان بیشتری در حال ادغام این رابط های فیزیکی با سایر لوازم جانبی اختصاصی در MCU برای برنامه های اتوماسیون صنعتی هستند.
اتوماسیون صنعتی همیشه بر ادغام اندازه گیری و کنترل متکی بوده است. علیرغم معرفی روزافزون شبکه در سالهای اخیر، رابط بین دامنه دیجیتال و آنالوگ نسبتاً بدون تغییر باقی مانده است. با این حال، با معرفی IO-لینک، سنسورها و محرکهایی در حال توسعه هستند که میتوانند به روشهای پیچیدهتری به MCU متصل شوند. اتصالات{4}به{5}نقطه نه تنها روش سادهتری را برای اتصال عناصر کنترلی فراهم میکند، بلکه روشی مؤثر برای گسترش قابلیتهای-MCUهای پایین ارائه میدهد.