Bài viết này tập trung vào vai trò của bộ vi điều khiển (MCU) trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt kiểm tra cách chúng cung cấp giao diện trong thế giới thực cho các cảm biến và bộ truyền động. Nó thảo luận về việc tích hợp các lõi-hiệu suất cao, chẳng hạn như Cortex™-M3 của ARM® với các thiết bị ngoại vi chuyên dụng và chính xác như dòng ADuCM360 và EMF32 của Analog Devices. Nó cũng kiểm tra các giao thức tương đối mới cho miền ứng dụng này, đặc biệt là tham khảo các MCU cấp thấp{8}}bao gồm dòng XC800 và XC16x của Infineon và MSP430F2274 của Texas Instruments cũng như các bộ thu phát chuyên dụng như MAX14821 của Maxim.
Bộ vi điều khiển tích hợp khả năng xử lý và-tín hiệu kết hợp ngày càng tăng, tuy nhiên các bước phát triển khác đang kéo dài vòng đời của bộ vi điều khiển-cấp thấp.
Theo định nghĩa, bộ vi điều khiển (MCU) là dư thừa, thiếu giao diện trực tiếp với “thế giới thực”. Chúng được thiết kế để đóng vai trò là trung tâm trung tâm cho đầu vào và đầu ra, thực hiện các phản hồi có điều kiện và quản lý các quy trình tuần tự và song song. Vai trò của chúng được xác định bằng điều khiển và tính chất có thể lập trình của chúng có nghĩa là điều khiển này được quản lý bằng logic. Tuy nhiên, về cơ bản, chúng được thiết kế như các giao diện với thế giới tương tự, do đó phụ thuộc rất nhiều vào chuyển đổi tương tự-sang-kỹ thuật số. Thông thường, sự biểu diễn kỹ thuật số của tham số tương tự-thường từ một số dạng cảm biến-điều khiển quá trình điều khiển, một thực tế không rõ ràng hơn trong các ứng dụng tự động hóa.
Hiệu suất chính xác
Áp lực thương mại yêu cầu các quy trình chuyển đổi dữ liệu quan trọng đối với hoạt động của chúng phải được xử lý-một cách hiệu quả về mặt chi phí trên chip, thúc đẩy mức độ tích hợp tín hiệu hỗn hợp-cao hơn. Hơn nữa, sự tích hợp ngày càng tăng mang lại gánh nặng xử lý lớn hơn cho lõi.
Chi phí thấp và tính linh hoạt của chúng có nghĩa là MCU thường được sử dụng tự do, nhưng các nhà sản xuất trong các ngành hiện đang cố gắng củng cố chức năng vì lý do chi phí, độ phức tạp hoặc bảo mật; nơi mà hàng chục MCU có thể đã từng được sử dụng, bây giờ chỉ cần một cái là đủ.
Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các thiết bị 4{2}}bit đơn giản đã phát triển thành các công cụ xử lý 32 bit cực kỳ phức tạp, trong đó dòng ARM Cortex-M trở thành lựa chọn cốt lõi của nhiều nhà cung cấp.
Việc kết hợp các lõi xử lý hiệu suất cao-với chuyển đổi tương tự ổn định, chính xác không phải là một nhiệm vụ đơn giản. CMOS vượt trội ở-kỹ thuật số tốc độ cao nhưng việc khởi tạo các thiết bị ngoại vi tương tự nhạy cảm có thể là một thách thức. Một công ty có chuyên môn sâu trong lĩnh vực này là Analog Devices, Inc. Chuỗi hệ thống thu thập dữ liệu tích hợp đầy đủ ADuCM của công ty được thiết kế để kết nối trực tiếp với các cảm biến analog chính xác. Cách tiếp cận này không chỉ giảm thiểu số lượng thành phần mà còn duy trì độ chính xác bằng cách loại bỏ các giai đoạn tương tự và/hoặc kỹ thuật số.
Ví dụ: bộ chuyển đổi được triển khai trên ADuCM360 dựa trên ARM Cortex-M3-là Sigma Delta ADC 24 bit, tạo thành một phần của hệ thống con tương tự của thiết bị. Điều này bao gồm một nguồn kích thích dòng điện có thể lập trình và một bộ tạo điện áp phân cực, nhưng quan trọng hơn là các bộ lọc bên trong - một bộ lọc để đo chính xác và một bộ lọc khác để đo nhanh phù hợp với việc phát hiện các biến thể lớn trong tín hiệu nguồn.
Cảm biến giấc ngủ sâu
Các nhà sản xuất MCU nhận thấy vai trò quan trọng của cảm biến trong tự động hóa và đã bắt đầu phát triển giao diện người dùng tương tự được tối ưu hóa với các giao diện dành riêng cho cảm biến cảm ứng, điện dung và điện trở.
Một số giao diện người dùng này thậm chí còn được thiết kế để hoạt động tự động, chẳng hạn như giao diện LESENSE (Cảm biến năng lượng thấp) trong dòng MCU công suất cực thấp-thấp{1}} của Energy Micro. Nó kết hợp một bộ so sánh tương tự, một DAC (bộ chuyển đổi-kỹ thuật số sang-analog) và một bộ tuần tự công suất-thấp, cho phép lõi của MCU định cấu hình nó và sau đó hoạt động trong khi phần còn lại của thiết bị vẫn ở chế độ ngủ sâu.
Bộ tuần tự hoạt động ở xung nhịp 32 kHz và điều khiển hoạt động, trong khi đầu ra bộ so sánh có thể được cấu hình để tạo ra một ngắt nhằm đánh thức CPU. DAC có thể được chọn làm tham chiếu so sánh hoặc nguồn ổ đĩa. Công nghệ LESENSE cũng kết hợp một bộ giải mã có thể cấu hình được, có thể được thiết lập để chỉ tạo ra các ngắt khi nhiều điều kiện cảm biến được đáp ứng đồng thời. Digi-Key cung cấp Bộ công cụ khởi đầu cho con tắc kè nhỏ EFM32 của Energy Micro, bao gồm bản trình diễn LESENSE. Dòng MCU Tiny Gecko của Energy Micro, dựa trên ARM Cortex-M3 và hoạt động ở tần số lên đến 32 MHz, hướng đến các ứng dụng tự động hóa công nghiệp như nhiệt độ, độ rung, áp suất và cảm biến chuyển động.
Hình 1: Giao diện cảm biến năng lượng thấp- của Energy Micro, LESENSE, cung cấp khả năng kết nối cảm biến linh hoạt cho các hệ thống tự động hóa và điều khiển công nghiệp.
Liên kết IO{0}}
Việc giới thiệu giao diện bộ truyền động và cảm biến mới mạnh mẽ đang giúp nhiều nhà sản xuất kéo dài tuổi thọ của thiết bị 8-bit và 16 bit trong tự động hóa công nghiệp. Giao thức đằng sau giao diện này được gọi là IO-Link và đã nhận được sự hỗ trợ từ nhiều nhà lãnh đạo trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, đặc biệt là các nhà cung cấp MCU.
IO-Link sử dụng cáp 3-dây không được che chắn với chiều dài tối đa 20 mét, giúp cáp này phù hợp để trang bị thêm các cảm biến và bộ truyền động thông minh vào các hệ thống lắp đặt hiện có. Nó đòi hỏi "trí thông minh" ở mỗi đầu, thường được triển khai trong MCU. Tuy nhiên, do tính đơn giản tương đối của giao thức nên nó có thể được cung cấp trong các vi điều khiển-8 bit có chi phí thấp-chính xác là điều mà nhiều nhà sản xuất hiện đang phát triển.
Giao thức (còn được gọi là SDCI, viết tắt của Giao diện truyền thông kỹ thuật số một điểm-và được chuẩn hóa theo IEC 61131-9) được phát triển như một giải pháp giao tiếp ngang hàng-với-ngang hàng có thể dễ dàng nhúng vào trong các cảm biến và bộ truyền động, mang lại cho chúng một mức độ "thông minh". Do đó, nó không nhằm mục đích thay thế các lớp giao tiếp hiện có như fieldbus, Profinet hoặc HART mà là hoạt động cùng với chúng bằng cách giúp các MCU chi phí thấp-giao tiếp với các cảm biến và bộ truyền động có độ chính xác cao dễ dàng hơn.
Tập đoàn đằng sau IO-Link tin rằng nó có thể giảm đáng kể độ phức tạp của hệ thống đồng thời giới thiệu các tính năng hữu ích như chẩn đoán-theo thời gian thực thông qua giám sát tham số. Khi được tích hợp vào cấu trúc liên kết fieldbus thông qua các cổng (cũng được triển khai bởi MCU hoặc PLC), các hệ thống phức tạp có thể được giám sát và quản lý tập trung từ phòng điều khiển. Cảm biến có thể được định cấu hình từ xa, một phần vì các cảm biến tuân thủ IO-Link- biết nhiều về bản thân chúng hơn các cảm biến "thông thường".
Đầu tiên, danh tính của họ (và của nhà sản xuất) được nhúng trong cảm biến ở định dạng XML, được cung cấp theo yêu cầu. Điều này cho phép hệ thống nhận dạng ngay cảm biến và hiểu được khả năng của nó. Quan trọng hơn, IO-Link cho phép cảm biến (và bộ truyền động) cung cấp luồng dữ liệu liên tục,-theo thời gian thực cho bộ điều khiển. Trên thực tế, IO-Link tạo điều kiện thuận lợi cho ba loại trao đổi dữ liệu: dữ liệu xử lý, dữ liệu dịch vụ và sự kiện. Dữ liệu quy trình được truyền theo chu kỳ, trong khi dữ liệu dịch vụ được trao đổi không-theo chu kỳ và luôn theo yêu cầu từ chủ liên kết IO-. Dữ liệu dịch vụ có thể được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu tham số đến/từ thiết bị.
IO-Link cung cấp một cách đơn giản hơn để MCU giao tiếp với các cảm biến thông minh, cho phép các kỹ sư hệ thống phát triển các giải pháp tự động hóa công nghiệp thông minh hơn.
Nhiều nhà cung cấp MCU đã tham gia IO-Link Consortium, gần đây đã trở thành Ủy ban kỹ thuật (TC6) trong PI (PROFIBUS và PROFINET International). Về cơ bản, IO-Link cung cấp cho bộ điều khiển-bao gồm MCU và PLC-một phương pháp được tiêu chuẩn hóa để xác định, điều khiển và giao tiếp nói chung với các cảm biến và bộ truyền động áp dụng giao thức này. Danh sách các nhà sản xuất cung cấp thiết bị tương thích ngày càng nhiều, bên cạnh đó là sự hỗ trợ ngày càng tăng từ các nhà sản xuất MCU.
Sự hỗ trợ một phần đến từ các chuyên gia như nhà thiết kế Mesco Engineering của Đức, công ty đang cộng tác với nhiều nhà sản xuất chất bán dẫn để phát triển các giải pháp IO-Link. Danh sách đối tác của nó bao gồm Infineon, STMicroelectronics, Atmel và Texas Instruments. Ví dụ: Infineon đã chuyển ngăn xếp Liên kết IO- của Mesco sang XC800, một MCU 8 bit tương thích 8051- cung cấp thông tin ở đầu liên kết của thiết bị (cảm biến/bộ truyền động). Infineon cũng đang kích hoạt hỗ trợ IO-Link cho các thiết bị 16 bit của mình, bao gồm cả dòng XE16x.
Ngăn xếp của Mesco cũng đã được chuyển sang-dòng MSP430 công suất thấp-một MCU 16-bit khác của Texas Instruments dựa trên lõi độc quyền. Cụ thể, nó nhắm mục tiêu MSP430F2274.
Các nhà sản xuất cũng đang phát triển một loạt bộ thu phát liên kết IO{0}}riêng biệt, chẳng hạn như MAX14821 của Maxim. Bộ thu phát này nhắm vào các thiết bị liên kết IO- và cảm biến/bộ truyền động nhị phân 24 V, đóng vai trò là giao diện lớp vật lý cho MCU chạy giao thức lớp liên kết dữ liệu (Hình 3). Hai bộ điều chỉnh tuyến tính bên trong tạo ra các yêu cầu chung về nguồn điện cho cảm biến và bộ truyền động ở mức 5 V và 3,3 V, đồng thời thiết bị được cấu hình và giám sát thông qua giao diện SPI. Nó cũng có giao diện thu phát IO có khả năng hoạt động ở điện áp lên tới 36 V.
Hình: Bộ thu phát liên kết IO{0}}của Maxim cung cấp giao diện lớp vật lý cho các MCU chạy giao thức lớp liên kết dữ liệu.
Khi IO-Link đạt được mức độ thâm nhập cao hơn, có vẻ như ngày càng có nhiều nhà sản xuất tích hợp các giao diện vật lý này với các thiết bị ngoại vi chuyên dụng khác trên MCU cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp.
Tự động hóa công nghiệp luôn dựa vào sự tích hợp của đo lường và điều khiển. Bất chấp sự ra đời ngày càng tăng của mạng trong những năm gần đây, giao diện giữa miền kỹ thuật số và analog vẫn tương đối không thay đổi. Tuy nhiên, với sự ra đời của Liên kết IO-, các cảm biến và bộ truyền động hiện đang được phát triển để có thể kết nối với MCU theo những cách phức tạp hơn. Kết nối điểm-tới{5}}điểm không chỉ cung cấp phương pháp đơn giản hơn để kết nối các phần tử điều khiển mà còn cung cấp một cách hiệu quả để mở rộng khả năng của các MCU cấp thấp.