บทความนี้มุ่งเน้นไปที่บทบาทของไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการตรวจสอบวิธีที่ไมโครคอนโทรลเลอร์จัดเตรียมอินเทอร์เฟซในโลกแห่งความเป็นจริง-สำหรับเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ โดยจะกล่าวถึงการบูรณาการแกนประมวลผลประสิทธิภาพสูง- เช่น Cortex™-M3 ของ ARM® พร้อมด้วยอุปกรณ์ต่อพ่วงเฉพาะทางที่มีความแม่นยำ เช่น ซีรีส์ ADuCM360 และ EMF32 ของ Analog Devices นอกจากนี้ ยังตรวจสอบโปรโตคอลที่ค่อนข้างใหม่สำหรับโดเมนแอปพลิเคชันนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการอ้างอิงถึง MCU ระดับล่าง- รวมถึงซีรีส์ XC800 และ XC16x ของ Infineon และ MSP430F2274 ของ Texas Instruments รวมถึงตัวรับส่งสัญญาณเฉพาะ เช่น MAX14821 ของ Maxim
ไมโครคอนโทรลเลอร์ผสมผสานความสามารถของสัญญาณไฮบริด-และพลังการประมวลผลที่เพิ่มขึ้น ขณะที่การพัฒนาอื่นๆ กำลังขยายวงจรชีวิตของไมโครคอนโทรลเลอร์-ระดับล่าง
ตามคำจำกัดความ ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เป็นสิ่งที่ซ้ำซ้อน ขาดอินเทอร์เฟซโดยตรงกับ "โลกแห่งความเป็นจริง" ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่เป็นฮับกลางสำหรับอินพุตและเอาต์พุต ดำเนินการตอบสนองตามเงื่อนไข และจัดการกระบวนการตามลำดับและแบบขนาน บทบาทถูกกำหนดโดยการควบคุม และลักษณะที่ตั้งโปรแกรมได้หมายความว่าการควบคุมนี้ได้รับการจัดการโดยลอจิก อย่างไรก็ตาม พวกมันได้รับการออกแบบโดยพื้นฐานให้เป็นอินเทอร์เฟซกับโลกแอนะล็อก ดังนั้นจึงอาศัยการแปลงแอนะล็อก-เป็น-อย่างมาก โดยทั่วไป การแสดงพารามิเตอร์แอนะล็อกแบบดิจิทัล-ซึ่งมักจะมาจากเซ็นเซอร์บางรูปแบบ-เป็นตัวขับเคลื่อนกระบวนการควบคุม ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่ไม่ชัดเจนมากไปกว่าในการใช้งานระบบอัตโนมัติ
ประสิทธิภาพที่แม่นยำ
แรงกดดันทางการค้าเรียกร้องให้กระบวนการแปลงข้อมูลที่มีความสำคัญต่อการดำเนินงานได้รับการจัดการด้านต้นทุน-อย่างมีประสิทธิผลบน-ชิป ซึ่งผลักดันให้เกิดการรวม-สัญญาณแบบผสมในระดับที่สูงขึ้น นอกจากนี้ การบูรณาการที่เพิ่มขึ้นยังทำให้เกิดภาระในการประมวลผลที่มากขึ้นบนแกนหลักอีกด้วย
ต้นทุนและความยืดหยุ่นที่ต่ำทำให้ MCU มักใช้งานได้อย่างอิสระ แต่ปัจจุบันผู้ผลิตในอุตสาหกรรมต่างพยายามรวมฟังก์ชันการทำงานไว้เพื่อเหตุผลด้านต้นทุน ความซับซ้อน หรือด้านความปลอดภัย ที่ครั้งหนึ่งอาจเคยใช้ MCU หลายสิบตัว แต่ปัจจุบันมีเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่เพียงพอ
ดังนั้น จึงไม่น่าแปลกใจที่อุปกรณ์ 4- บิตธรรมดาได้พัฒนาไปสู่กลไกการประมวลผล 32 บิตที่ซับซ้อนสูง โดยซีรีส์ ARM Cortex-M กลายเป็นตัวเลือกหลักสำหรับซัพพลายเออร์หลายราย
การผสมผสานแกนประมวลผลประสิทธิภาพสูง-เข้ากับการแปลงแอนะล็อกที่แม่นยำและเสถียรไม่ใช่เรื่องง่าย CMOS ทำงานได้ดีกับ-ดิจิทัลความเร็วสูง แต่การสร้างอินสแตนซ์อุปกรณ์ต่อพ่วงอะนาล็อกที่มีความละเอียดอ่อนอาจเป็นเรื่องท้าทาย บริษัทหนึ่งที่มีความเชี่ยวชาญเชิงลึกในด้านนี้คือ Analog Devices, Inc. ซีรีส์ ADuCM ของระบบการรับข้อมูลแบบครบวงจรของบริษัท ได้รับการออกแบบมาเพื่อการเชื่อมต่อโดยตรงกับเซ็นเซอร์อะนาล็อกที่มีความแม่นยำ วิธีการนี้ไม่เพียงแต่ลดจำนวนส่วนประกอบให้เหลือน้อยที่สุด แต่ยังรักษาความแม่นยำโดยกำจัดขั้นตอนแอนะล็อกและ/หรือดิจิทัลอีกด้วย
ตัวอย่างเช่น ตัวแปลงที่ใช้งานบน ADuCM360 ที่ใช้ ARM Cortex-M3- นั้นเป็น Sigma Delta ADC 24 บิต ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบย่อยแอนะล็อกของอุปกรณ์ ซึ่งรวมถึงแหล่งกระตุ้นกระแสที่ตั้งโปรแกรมได้และเครื่องกำเนิดแรงดันไบแอส แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือตัวกรองภายใน ตัวกรองตัวหนึ่งสำหรับการวัดที่แม่นยำ และอีกตัวหนึ่งสำหรับการวัดที่รวดเร็วซึ่งเหมาะกับการตรวจจับความแปรผันขนาดใหญ่ในสัญญาณแหล่งกำเนิด
การตรวจจับการนอนหลับลึก
ผู้ผลิต MCU ตระหนักดีถึงบทบาทที่สำคัญของเซ็นเซอร์ในระบบอัตโนมัติ และได้เริ่มพัฒนาส่วนหน้าแบบอะนาล็อกที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมด้วยอินเทอร์เฟซเฉพาะสำหรับเซ็นเซอร์อุปนัย ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทาน
ส่วนหน้าเหล่านี้บางส่วนได้รับการออกแบบให้ทำงานโดยอัตโนมัติ เช่น อินเทอร์เฟซ LESENSE (เซ็นเซอร์พลังงานต่ำ) ในซีรีส์ MCU พลังงานพิเศษ-ต่ำ-ของ Energy Micro ประกอบด้วยตัวเปรียบเทียบแอนะล็อก, DAC (ตัวแปลงดิจิทัล-เป็น-) และซีเควนเซอร์พลังงานต่ำ- ช่วยให้กำหนดค่าได้โดยแกนกลางของ MCU จากนั้นจึงทำงานในขณะที่ส่วนที่เหลือของอุปกรณ์ยังคงอยู่ในโหมดดีพสลีป
ซีเควนเซอร์ทำงานจากนาฬิกา 32 kHz และควบคุมกิจกรรม ในขณะที่เอาต์พุตตัวเปรียบเทียบสามารถกำหนดค่าให้สร้างการขัดจังหวะเพื่อปลุก CPU ได้ สามารถเลือก DAC เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับเปรียบเทียบหรือแหล่งที่มาของไดรฟ์ได้ เทคโนโลยี LESENSE ยังรวมเอาตัวถอดรหัสที่กำหนดค่าได้ซึ่งสามารถตั้งค่าให้สร้างการขัดจังหวะเฉพาะเมื่อตรงตามเงื่อนไขของเซ็นเซอร์หลายตัวพร้อมกันเท่านั้น Digi-Key นำเสนอชุดเริ่มต้น EFM32 Tiny Gecko ของ Energy Micro ซึ่งรวมถึงการสาธิต LESENSE MCU ซีรีส์ Tiny Gecko ของ Energy Micro ที่ใช้ ARM Cortex-M3 และทำงานที่ความถี่สูงถึง 32 MHz กำหนดเป้าหมายการใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เช่น อุณหภูมิ การสั่นสะเทือน ความดัน และการตรวจจับการเคลื่อนไหว
รูปที่ 1: LESENSE อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์กำลังต่ำ-ของ Energy Micro ให้การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ที่ยืดหยุ่นสำหรับระบบควบคุมทางอุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติ
IO-ลิงก์
การเปิดตัวอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ใหม่อันทรงพลังช่วยให้ผู้ผลิตหลายรายยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ 8- บิตและ 16 บิตในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมได้ โปรโตคอลเบื้องหลังอินเทอร์เฟซนี้เรียกว่า IO-Link และได้รับการสนับสนุนจากผู้นำมากมายในด้านระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะซัพพลายเออร์ MCU
IO-Link ใช้สายเคเบิลไม่มีฉนวนหุ้ม 3- ที่มีความยาวสูงสุด 20 เมตร ทำให้เหมาะสำหรับการติดตั้งเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์อัจฉริยะเพิ่มเติมในการติดตั้งที่มีอยู่ มันต้องใช้ "ความฉลาด" ที่ปลายแต่ละด้าน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะนำไปใช้ใน MCU อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโปรโตคอลค่อนข้างเรียบง่าย จึงสามารถรองรับ MCU 8 บิตราคาประหยัด-ได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้ผลิตหลายรายกำลังพัฒนาอยู่ในขณะนี้
โปรโตคอล (หรือที่รู้จักในชื่อ SDCI ซึ่งย่อมาจาก Single-Point Digital Communication Interface และได้มาตรฐานภายใต้ IEC 61131-9) ได้รับการพัฒนาเป็นโซลูชันการสื่อสารแบบเพียร์-ถึง-เพียร์ ซึ่งสามารถฝังไว้ภายในเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ได้อย่างง่ายดาย ทำให้พวกเขามี "ความฉลาด" ในระดับหนึ่ง ดังนั้นจึงไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อแทนที่เลเยอร์การสื่อสารที่มีอยู่ เช่น fieldbus, Profinet หรือ HART แต่เป็นการทำงานร่วมกับเลเยอร์เหล่านี้โดยการทำให้ MCU ต้นทุนต่ำ-สามารถเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงได้ง่ายขึ้น
กลุ่มความร่วมมือที่อยู่เบื้องหลัง IO-Link เชื่อว่าสามารถลดความซับซ้อนของระบบได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็แนะนำคุณลักษณะที่เป็นประโยชน์ เช่น-การวินิจฉัยแบบเรียลไทม์ผ่านการตรวจสอบพารามิเตอร์ เมื่อรวมเข้ากับโทโพโลยีฟิลด์บัสผ่านเกตเวย์ (ใช้งานโดย MCU หรือ PLC) ระบบที่ซับซ้อนสามารถตรวจสอบและจัดการได้จากห้องควบคุมจากส่วนกลาง เซ็นเซอร์สามารถกำหนดค่าได้จากระยะไกล ส่วนหนึ่งเป็นเพราะเซ็นเซอร์ที่สอดคล้องกับ IO-ลิงก์- รู้เกี่ยวกับตัวเองมากกว่าเซ็นเซอร์ "ทั่วไป"
ประการแรก ข้อมูลระบุตัวตน (และของผู้ผลิต) จะถูกฝังอยู่ภายในเซ็นเซอร์ในรูปแบบ XML ตามคำขอ ซึ่งช่วยให้ระบบจดจำเซ็นเซอร์ได้ทันทีและเข้าใจความสามารถของเซ็นเซอร์ ที่สำคัญกว่านั้น IO-Link ช่วยให้เซ็นเซอร์ (และแอคทูเอเตอร์) สามารถจัดเตรียมสตรีมข้อมูลแบบเรียลไทม์-ที่ต่อเนื่องไปยังตัวควบคุม อันที่จริง IO-Link อำนวยความสะดวกในการแลกเปลี่ยนข้อมูลสามประเภท: ข้อมูลการประมวลผล ข้อมูลบริการ และเหตุการณ์ ข้อมูลกระบวนการจะถูกส่งแบบเป็นรอบ ในขณะที่ข้อมูลบริการมีการแลกเปลี่ยนแบบไม่-แบบเป็นรอบและทุกครั้งเมื่อมีการร้องขอจากต้นแบบลิงก์ IO- ข้อมูลบริการสามารถใช้เพื่ออ่านและเขียนข้อมูลพารามิเตอร์ไปยัง/จากอุปกรณ์
IO-Link มอบวิธีที่ง่ายกว่าสำหรับ MCU ในการเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์อัจฉริยะ ช่วยให้วิศวกรระบบสามารถพัฒนาโซลูชันระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมที่ชาญฉลาดยิ่งขึ้น
ซัพพลายเออร์ MCU จำนวนมากได้เข้าร่วม IO-Link Consortium ซึ่งเพิ่งกลายเป็นคณะกรรมการด้านเทคนิค (TC6) ภายใน PI (PROFIBUS และ PROFINET International) โดยพื้นฐานแล้ว IO-Link ช่วยให้คอนโทรลเลอร์-รวมถึง MCU และ PLC- มีวิธีการที่เป็นมาตรฐานในการระบุ ควบคุม และสื่อสารกับเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ที่ใช้โปรโตคอลนี้โดยทั่วไป รายชื่อผู้ผลิตที่นำเสนออุปกรณ์ที่รองรับมีเพิ่มมากขึ้น ควบคู่ไปกับการสนับสนุนที่เพิ่มขึ้นจากผู้ผลิต MCU
การสนับสนุนส่วนหนึ่งมาจากผู้เชี่ยวชาญอย่าง Mesco Engineering ซึ่งเป็นบริษัทออกแบบสัญชาติเยอรมัน ซึ่งกำลังร่วมมือกับผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์หลายรายเพื่อพัฒนาโซลูชัน IO-Link รายชื่อพันธมิตรประกอบด้วย Infineon, STMicroelectronics, Atmel และ Texas Instruments ตัวอย่างเช่น Infineon ได้ย้าย IO-Link Stack ของ Mesco ไปยัง XC800 ซึ่งเป็น MCU 8 บิตที่เข้ากันได้ 8051- ซึ่งส่งข้อมูลอัจฉริยะที่ปลายอุปกรณ์ (เซ็นเซอร์/แอคชูเอเตอร์) ของลิงก์ Infineon ยังเปิดใช้งานการรองรับ IO-Link สำหรับอุปกรณ์ 16 บิต รวมถึงซีรีส์ XE16x
นอกจากนี้ สแตกของ Mesco ยังได้รับการย้ายไปยังซีรีส์ MSP430 พลังงานต่ำ-ของ Texas Instruments- MCU 16 บิตอีกตัวที่ใช้คอร์ที่เป็นกรรมสิทธิ์ โดยมีเป้าหมายไปที่ MSP430F2274 โดยเฉพาะ
ผู้ผลิตยังกำลังพัฒนาตัวรับส่งสัญญาณลิงก์ IO{0}} แบบแยกส่วน เช่น MAX14821 ของ Maxim ตัวรับส่งสัญญาณนี้กำหนดเป้าหมายไปที่อุปกรณ์เชื่อมโยง IO- และเซ็นเซอร์/แอคทูเอเตอร์ไบนารี 24 V ซึ่งทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซเลเยอร์กายภาพสำหรับ MCU ที่ใช้งานโปรโตคอลดาต้าลิงก์เลเยอร์ (รูปที่ 3) ตัวควบคุมเชิงเส้นภายในสองตัวสร้างความต้องการพลังงานเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ทั่วไปที่ 5 V และ 3.3 V และอุปกรณ์ได้รับการกำหนดค่าและตรวจสอบผ่านอินเทอร์เฟซ SPI นอกจากนี้ยังมีอินเทอร์เฟซตัวรับส่งสัญญาณ IO ที่สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าสูงถึง 36 V
รูปภาพ: ตัวรับส่งสัญญาณลิงก์ IO- ของ Maxim มอบอินเทอร์เฟซชั้นกายภาพสำหรับ MCU ที่ใช้งานโปรโตคอลชั้นลิงก์ข้อมูล
เนื่องจาก IO-Link ประสบความสำเร็จในการเจาะระบบในระดับที่สูงขึ้น ดูเหมือนว่าผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นกำลังรวมอินเทอร์เฟซทางกายภาพเหล่านี้เข้ากับอุปกรณ์ต่อพ่วงเฉพาะอื่นๆ บน MCU สำหรับแอปพลิเคชันระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม
ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมอาศัยการบูรณาการการวัดและการควบคุมมาโดยตลอด แม้จะมีการแนะนำระบบเครือข่ายเพิ่มมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่อินเทอร์เฟซระหว่างโดเมนดิจิทัลและแอนะล็อกยังคงไม่เปลี่ยนแปลงค่อนข้างมาก อย่างไรก็ตาม ด้วยการเปิดตัว IO-Link ขณะนี้เซนเซอร์และแอคทูเอเตอร์กำลังได้รับการพัฒนาซึ่งสามารถเชื่อมต่อกับ MCU ด้วยวิธีที่ซับซ้อนมากขึ้น การเชื่อมต่อแบบจุด-ถึง-จุดไม่เพียงแต่ให้วิธีการที่ง่ายกว่าในการเชื่อมต่อองค์ประกอบควบคุม แต่ยังเสนอวิธีที่มีประสิทธิภาพในการขยายขีดความสามารถของ MCU ระดับล่าง-อีกด้วย