Aquest article se centra en el paper dels microcontroladors (MCU) en l'automatització industrial, examinant específicament com proporcionen interfícies del món real-per a sensors i actuadors. Es parla de la integració de nuclis-d'alt rendiment, com ara Cortex™-M3 d'ARM®, amb perifèrics de precisió i especialitzats com ara les sèries ADuCM360 i EMF32 d'Analog Devices. També examina protocols relativament nous per a aquest domini d'aplicació, concretament fent referència a MCU de gamma baixa-incloses les sèries XC800 i XC16x d'Infineon i MSP430F2274 de Texas Instruments, així com transceptors dedicats com el MAX14821 de Maxim.
Els microcontroladors integren capacitats de senyal híbrid-creixents i potència de processament, però altres desenvolupaments estan ampliant el cicle de vida dels microcontroladors-de gamma baixa.
Per definició, els microcontroladors (MCU) són redundants i no tenen interfícies directes amb el "món real". Estan dissenyats per servir com a centres centrals per a les entrades i sortides, executant respostes condicionals i gestionant processos seqüencials i paral·lels. El seu paper està definit pel control, i la seva naturalesa programable fa que aquest control estigui gestionat per lògica. Tanmateix, estan dissenyats fonamentalment com a interfícies per al món analògic i, per tant, depenen molt de la conversió analògica-a-digital. Normalment, és la representació digital d'un paràmetre analògic-sovint d'alguna forma de sensor- la que impulsa el procés de control, un fet no més evident que en les aplicacions d'automatització.
Rendiment precís
Les pressions comercials exigeixen que els processos de conversió de dades crítics per al seu funcionament es gestionen de manera rendible al-xip-, la qual cosa condueix a nivells més alts d'integració de senyals mixtes-. A més, una major integració comporta més càrregues de processament al nucli.
El seu baix cost i flexibilitat fan que les MCU sovint s'utilitzin lliurement, però els fabricants de totes les indústries ara s'esforcen per consolidar la funcionalitat per motius de cost, complexitat o seguretat; on abans es podrien haver utilitzat desenes de MCU, ara només n'hi hauria prou amb un.
Per tant, no és d'estranyar que els dispositius senzills de 4-bits hagin evolucionat cap a motors de processament de 32 bits molt complexos, i la sèrie ARM Cortex-M s'ha convertit en l'opció bàsica per a molts proveïdors.
Combinar nuclis de processament d'alt rendiment-amb una conversió analògica precisa i estable no és una tasca senzilla. CMOS excel·leix a l'alta-velocitat digital, però crear una instancia de perifèrics analògics sensibles pot ser un repte. Una empresa amb una gran experiència en aquest domini és Analog Devices, Inc. La seva sèrie ADuCM de sistemes d'adquisició de dades totalment integrats estan dissenyades per a la connexió directa amb sensors analògics de precisió. Aquest enfocament no només minimitza el recompte de components, sinó que també preserva la precisió eliminant les etapes analògiques i/o digitals.
Per exemple, el convertidor implementat a l'ADuCM360 basat en ARM Cortex-M3- és un ADC Sigma Delta de 24 bits, que forma part del subsistema analògic del dispositiu. Això inclou una font d'excitació de corrent programable i un generador de voltatge de polarització, però el que és més important, filtres interns, un per a mesures de precisió i un altre per a mesures ràpides, adequats per detectar grans variacions en el senyal de la font.
Detecció de son profund
Els fabricants de MCU reconeixen el paper crític que tenen els sensors en l'automatització i han començat a desenvolupar front ends analògics optimitzats amb interfícies dedicades per a sensors inductius, capacitius i resistius.
Alguns d'aquests fronts fins i tot estan dissenyats per funcionar de manera autònoma, com ara la interfície LESENSE (sensor de baixa energia) de la sèrie MCU d'ultra-baixa-potència d'Energy Micro. Incorpora un comparador analògic, un DAC (convertidor digital-a-analògic) i un seqüenciador de baixa-potència, que permet que sigui configurat pel nucli de l'MCU i després funcioni mentre la resta del dispositiu roman en mode de repòs profund.
El seqüenciador funciona des d'un rellotge de 32 kHz i controla l'activitat, mentre que la sortida del comparador es pot configurar per generar una interrupció per despertar la CPU. El DAC es pot seleccionar com a referència de comparació o com a font d'accionament. La tecnologia LESENSE també incorpora un descodificador configurable que es pot configurar per generar interrupcions només quan es compleixen múltiples condicions de sensor simultàniament. Digi-Key ofereix el kit d'inici Tiny Gecko EFM32 d'Energy Micro, que inclou una demostració de LESENSE. La sèrie de MCU Tiny Gecko d'Energy Micro, basada en l'ARM Cortex-M3 i que funciona a freqüències de fins a 32 MHz, està orientada a aplicacions d'automatització industrial com ara la detecció de temperatura, vibració, pressió i moviment.
Figura 1: la interfície del sensor de baixa potència-d'Energy Micro, LESENSE, proporciona connectivitat de sensor flexible per a sistemes de control i automatització industrials.
IO-Enllaç
La introducció d'una nova interfície de sensor i actuador potent està ajudant a molts fabricants a allargar la vida útil dels dispositius de 8-bits i 16 bits en l'automatització industrial. El protocol d'aquesta interfície s'anomena IO-Link i ha obtingut el suport de nombrosos líders en automatització industrial, especialment proveïdors de MCU.
IO-Link utilitza un cable no apantallat de 3-fils amb una longitud màxima de 20 metres, el que el fa adequat per adaptar sensors i actuadors intel·ligents a instal·lacions existents. Requereix "intel·ligència" a cada extrem, normalment implementada en un MCU. Tanmateix, a causa de la relativa simplicitat del protocol, es pot allotjar en MCU de 8 bits de -baix cost, precisament el que ara estan desenvolupant molts fabricants.
El protocol (també conegut com a SDCI, que significa Single-Point Digital Communication Interface i estandarditzat segons IEC 61131-9) es va desenvolupar com una solució de comunicació entre iguals-a-que es pot integrar fàcilment als sensors i actuadors, atorgant-los un grau d'"intel·ligència". Per tant, no es pretén substituir les capes de comunicació existents com el bus de camp, Profinet o HART, sinó treballar al seu costat facilitant que les MCU de baix-cost puguin interactuar amb sensors i actuadors d'alta precisió.
El consorci que hi ha darrere d'IO-Link creu que pot reduir significativament la complexitat del sistema alhora que introdueix funcions útils com ara el diagnòstic-en temps real mitjançant la supervisió de paràmetres. Quan s'integren en topologies de bus de camp mitjançant passarel·les (també implementades per MCU o PLC), els sistemes complexos es poden controlar i gestionar de manera centralitzada des de la sala de control. Els sensors es poden configurar de forma remota, en part perquè els sensors compatibles amb IO-Link-coneixen més sobre ells mateixos que els sensors "convencionals".
En primer lloc, la seva identitat (i la del fabricant) està incrustada dins del sensor en format XML, disponible a petició. Això permet que el sistema reconegui immediatament el sensor i entengui les seves capacitats. Més important encara, IO-Link permet que els sensors (i els actuadors) proporcionin fluxos de dades continus i-en temps real al controlador. De fet, IO-Link facilita tres tipus d'intercanvi de dades: dades de procés, dades de servei i esdeveniments. Les dades del procés es transmeten de manera cíclica, mentre que les dades del servei s'intercanvien de manera no-cíclica i sempre a petició del mestre d'enllaços d'IO-. Les dades de servei es poden utilitzar per llegir i escriure dades de paràmetres al/des del dispositiu.
IO-Link proporciona una manera més senzilla perquè les MCU s'interfacin amb sensors intel·ligents, la qual cosa permet als enginyers de sistemes desenvolupar solucions d'automatització industrial més intel·ligents.
Nombrosos proveïdors de MCU s'han unit a l'IO-Link Consortium, que recentment es va convertir en un Comitè Tècnic (TC6) dins de PI (PROFIBUS i PROFINET International). Bàsicament, IO-Link proporciona als controladors-inclosos MCU i PLC-un mètode estandarditzat per identificar, controlar i, en general, comunicar-se amb sensors i actuadors que adopten aquest protocol. La llista de fabricants que ofereixen dispositius compatibles està creixent, juntament amb l'augment del suport dels fabricants de MCU.
L'assistència ve en part d'especialistes com la casa de disseny alemanya Mesco Engineering, que col·labora amb diversos fabricants de semiconductors per desenvolupar solucions d'IO-Link. La seva llista de socis inclou Infineon, STMicroelectronics, Atmel i Texas Instruments. Per exemple, Infineon ha portat la pila d'enllaços IO-de Mesco al seu XC800, un MCU de 8 bits compatible amb 8051-que ofereix intel·ligència a l'extrem del dispositiu (sensor/actuador) de l'enllaç. Infineon també està habilitant el suport IO-Link per als seus dispositius de 16 bits, inclosa la sèrie XE16x.
La pila de Mesco també s'ha portat a un altre MCU de 16 bits de la sèrie MSP430-de baixa potència-de Texas Instruments basat en un nucli propietari. Concretament, s'adreça al MSP430F2274.
Els fabricants també estan desenvolupant una gamma de transceptors d'enllaç IO-discrets, com ara el MAX14821 de Maxim. Aquest transceptor s'adreça a dispositius IO-Link i sensors/actuadors binaris de 24 V, que serveixen com a interfície de capa física per a una MCU que executa el protocol de capa d'enllaç de dades (figura 3). Dos reguladors lineals interns generen els requisits comuns de potència del sensor i de l'actuador a 5 V i 3,3 V, i el dispositiu es configura i es controla mitjançant una interfície SPI. També inclou una interfície transceptor IO capaç de funcionar a voltatges de fins a 36 V.
Figura: El transceptor d'enllaç IO-Maxim proporciona una interfície de capa física per a les MCU que executen protocols de capa d'enllaç de dades.
A mesura que IO-Link aconsegueix nivells més alts de penetració, sembla que més fabricants estan integrant aquestes interfícies físiques amb altres perifèrics dedicats a les MCU per a aplicacions d'automatització industrial.
L'automatització industrial sempre s'ha basat en la integració de mesura i control. Malgrat la creixent introducció de xarxes en els darrers anys, la interfície entre els dominis digital i analògic s'ha mantingut relativament sense canvis. Tanmateix, amb la introducció d'IO-Link, ara s'estan desenvolupant sensors i actuadors que es poden connectar a MCU de maneres més sofisticades. Les connexions punt-a-punt no només proporcionen un mètode més senzill per connectar elements de control, sinó que també ofereixen una manera eficaç d'ampliar les capacitats de les MCU-de gamma baixa.