تركز هذه الورقة على دور وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) في الأتمتة الصناعية، وتدرس على وجه التحديد كيفية توفير-واجهات حقيقية لأجهزة الاستشعار والمشغلات. إنه يناقش تكامل النوى عالية الأداء-، مثل Cortex™-M3 من ARM®، مع الأجهزة الطرفية الدقيقة والمتخصصة مثل سلسلة ADuCM360 وEMF32 للأجهزة التناظرية. كما أنه يفحص البروتوكولات الجديدة نسبيًا لمجال التطبيق هذا، حيث يشير على وجه التحديد إلى وحدات MCU- ذات النهاية المنخفضة بما في ذلك سلسلة XC800 وXC16x من Infineon وMSP430F2274 من Texas Instruments، بالإضافة إلى أجهزة الإرسال والاستقبال المخصصة مثل Maxim's MAX14821.
تعمل وحدات التحكم الدقيقة على دمج إمكانات الإشارة الهجينة المتزايدة-وقوة المعالجة، إلا أن التطورات الأخرى تعمل على إطالة دورة حياة-وحدات التحكم الدقيقة المنخفضة.
بحكم التعريف، تعتبر وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) زائدة عن الحاجة، وتفتقر إلى واجهات مباشرة إلى "العالم الحقيقي". وهي مصممة لتكون بمثابة محاور مركزية للمدخلات والمخرجات، وتنفيذ الاستجابات الشرطية وإدارة العمليات المتسلسلة والمتوازية. ويتم تحديد دورها عن طريق التحكم، وطبيعتها القابلة للبرمجة تعني أن هذا التحكم يدار بالمنطق. ومع ذلك، فقد تم تصميمها بشكل أساسي كواجهات للعالم التناظري، وبالتالي تعتمد بشكل كبير على التحويل التناظري-إلى-الرقمي. عادةً، يكون التمثيل الرقمي للمعلمة التناظرية-غالبًا من أحد أشكال أجهزة الاستشعار- هو الذي يقود عملية التحكم، وهي حقيقة ليست أكثر وضوحًا من تطبيقات التشغيل الآلي.
أداء دقيق
تتطلب الضغوط التجارية أن تتم معالجة عمليات تحويل البيانات المهمة لتشغيلها من حيث التكلفة-بفعالية على-الشريحة، مما يؤدي إلى تحقيق مستويات أعلى من تكامل الإشارات-المختلطة. علاوة على ذلك، فإن زيادة التكامل تجلب أعباء معالجة أكبر على القلب.
إن تكلفتها المنخفضة ومرونتها تعني أن وحدات MCU غالبًا ما يتم استخدامها بحرية، لكن الشركات المصنعة عبر الصناعات تسعى الآن إلى دمج الوظائف لأسباب تتعلق بالتكلفة أو التعقيد أو الأمان؛ حيث كان من الممكن استخدام العشرات من وحدات MCU في السابق، فقد تكفي الآن وحدة واحدة فقط.
وبالتالي، ليس من المستغرب أن تتطور الأجهزة البسيطة ذات 4-بت إلى محركات معالجة 32 بت معقدة للغاية، حيث أصبحت سلسلة ARM Cortex-M هي الاختيار الأساسي للعديد من الموردين.
إن الجمع بين مراكز المعالجة-عالية الأداء والتحويل التناظري الدقيق والمستقر ليس بالمهمة السهلة. يتفوق CMOS في السرعة الرقمية العالية-، إلا أن إنشاء الأجهزة الطرفية التناظرية الحساسة يمكن أن يكون أمرًا صعبًا. إحدى الشركات التي تتمتع بخبرة عميقة في هذا المجال هي شركة Analog Devices, Inc. وقد تم تصميم سلسلة ADuCM من أنظمة الحصول على البيانات المتكاملة بالكامل للاتصال المباشر بأجهزة الاستشعار التناظرية الدقيقة. لا يقلل هذا الأسلوب من عدد المكونات فحسب، بل يحافظ أيضًا على الدقة من خلال التخلص من المراحل التناظرية و/أو الرقمية.
على سبيل المثال، المحول المطبق على ARM Cortex-M3-المعتمد على ADuCM360 هو 24 بت Sigma Delta ADC، ويشكل جزءًا من النظام الفرعي التناظري للجهاز. يتضمن ذلك مصدر إثارة تيار قابل للبرمجة ومولد جهد متحيز، ولكن الأهم من ذلك، مرشحات داخلية - واحدة للقياسات الدقيقة وأخرى للقياسات السريعة المناسبة لاكتشاف الاختلافات الكبيرة في إشارة المصدر.
استشعار النوم العميق
يدرك مصنعو MCU الدور الحاسم الذي تلعبه المستشعرات في التشغيل الآلي وبدأوا في تطوير واجهات أمامية تناظرية محسنة مع واجهات مخصصة لأجهزة الاستشعار الاستقرائية والسعوية والمقاومة.
تم تصميم بعض هذه الواجهات الأمامية لتعمل بشكل مستقل، مثل واجهة LESENSE (مستشعر الطاقة المنخفضة) في سلسلة MCU -منخفضة-الطاقة للغاية من Energy Micro. وهو يشتمل على مقارنة تناظرية، ومحول DAC (محول رقمي- إلى-تناظري)، وجهاز تسلسل منخفض الطاقة-، مما يسمح بتكوينه بواسطة قلب MCU ثم تشغيله بينما يظل باقي الجهاز في وضع السكون العميق.
يعمل جهاز التسلسل من ساعة 32 كيلو هرتز ويتحكم في النشاط، بينما يمكن تكوين مخرجات المقارنة لإنشاء مقاطعة لتنبيه وحدة المعالجة المركزية. يمكن اختيار DAC إما كمرجع مقارن أو كمصدر محرك أقراص. تشتمل تقنية LESENSE أيضًا على وحدة فك ترميز قابلة للتكوين يمكن ضبطها لإنشاء المقاطعات فقط عند استيفاء شروط أجهزة الاستشعار المتعددة في وقت واحد. تقدم Digi-Key مجموعة أدوات EFM32 Tiny Gecko Starter Kit من Energy Micro، والتي تتضمن عرضًا توضيحيًا لـ LESENSE. تستهدف سلسلة وحدات MCU الصغيرة من شركة Energy Micro، المستندة إلى ARM Cortex-M3 والتي تعمل بترددات تصل إلى 32 ميجاهرتز، تطبيقات الأتمتة الصناعية مثل استشعار درجة الحرارة والاهتزاز والضغط واستشعار الحركة.
الشكل 1: توفر واجهة مستشعر الطاقة المنخفضة- الخاصة بشركة Energy Micro، LESENSE، اتصالاً مرنًا للمستشعر لأنظمة التحكم والأتمتة الصناعية.
رابط الإدخال والإخراج-
يساعد طرح واجهة جديدة قوية للمستشعر والمشغل العديد من الشركات المصنعة على إطالة عمر الأجهزة ذات 8-بت و16 بت في الأتمتة الصناعية. يُسمى البروتوكول الموجود خلف هذه الواجهة IO-Link وقد حصل على دعم من العديد من الشركات الرائدة في مجال الأتمتة الصناعية، وخاصة موردي MCU.
يستخدم IO-Link كابلًا غير محمي مكون من 3-سلك بطول أقصى يبلغ 20 مترًا، مما يجعله مناسبًا لتعديل أجهزة الاستشعار والمشغلات الذكية في التركيبات الحالية. فهو يتطلب "ذكاءً" في كل طرف، ويتم تنفيذه عادةً في وحدة MCU. ومع ذلك، نظرًا للبساطة النسبية للبروتوكول، فإنه يمكن استيعابه ضمن وحدات MCU ذات 8 بت منخفضة التكلفة - وهو بالضبط ما تقوم العديد من الشركات المصنعة بتطويره الآن.
تم تطوير البروتوكول (المعروف أيضًا باسم SDCI، وهو اختصار لـ -واجهة الاتصالات الرقمية أحادية النقطة، والموحد بموجب IEC 61131-9) كحل اتصالات نظير-إلى-نظير يمكن دمجه بسهولة داخل المستشعرات والمشغلات، مما يمنحها درجة من "الذكاء". لذلك، ليس المقصود منه استبدال طبقات الاتصال الحالية مثل fieldbus أو Profinet أو HART، بل العمل جنبًا إلى جنب معها من خلال تسهيل تفاعل وحدات MCU منخفضة التكلفة- مع أجهزة الاستشعار والمشغلات عالية الدقة.
يعتقد الاتحاد الذي يقف وراء IO-Link أنه يمكنه تقليل تعقيد النظام بشكل كبير مع تقديم ميزات مفيدة مثل التشخيص-في الوقت الفعلي من خلال مراقبة المعلمات. عند دمجها في طبولوجيا ناقل المجال عبر البوابات (التي يتم تنفيذها أيضًا بواسطة وحدات MCU أو PLCs)، يمكن مراقبة الأنظمة المعقدة وإدارتها مركزيًا من غرفة التحكم. يمكن تكوين المستشعرات عن بعد، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن المستشعرات المتوافقة مع IO-Link-تعرف عن نفسها أكثر من المستشعرات "التقليدية".
أولاً، يتم تضمين هويتهم (والشركة المصنعة) داخل المستشعر بتنسيق XML، وهو متاح عند الطلب. يتيح ذلك للنظام التعرف على المستشعر على الفور وفهم قدراته. والأهم من ذلك، أن IO-Link يمكّن المستشعرات (والمشغلات) من توفير تدفقات بيانات مستمرة وحقيقية-إلى وحدة التحكم. في الواقع، يسهل IO-Link ثلاثة أنواع من تبادل البيانات: بيانات العملية، وبيانات الخدمة، والأحداث. يتم نقل بيانات العملية بشكل دوري، بينما يتم تبادل بيانات الخدمة بشكل غير -دوري ودائمًا بناءً على طلب من رابط الإدخال والإخراج - الرئيسي. يمكن استخدام بيانات الخدمة لقراءة وكتابة بيانات المعلمات من/إلى الجهاز.
يوفر IO-Link طريقة أبسط لوحدات MCU للتفاعل مع أجهزة الاستشعار الذكية، مما يمكّن مهندسي النظام من تطوير حلول أتمتة صناعية أكثر ذكاءً.
انضم العديد من موردي MCU إلى IO-Link Consortium، والذي أصبح مؤخرًا لجنة فنية (TC6) داخل PI (PROFIBUS وPROFINET International). بشكل أساسي، يوفر IO-Link لوحدات التحكم-بما في ذلك وحدات MCU وPLCs-طريقة موحدة لتحديد المستشعرات والمشغلات التي تعتمد هذا البروتوكول والتحكم فيها والتواصل معها بشكل عام. تتزايد قائمة الشركات المصنعة التي تقدم الأجهزة المتوافقة، إلى جانب الدعم المتزايد من الشركات المصنعة لوحدة MCU.
يأتي الدعم جزئيًا من متخصصين مثل شركة التصميم الألمانية Mesco Engineering، التي تتعاون مع العديد من الشركات المصنعة لأشباه الموصلات لتطوير حلول IO-Link. وتشمل قائمة شركائها Infineon وSTMicroelectronics وAtmel وTexas Instruments. على سبيل المثال، قامت شركة Infineon بنقل مكدس الارتباط IO- الخاص بشركة Mesco إلى XC800، وهو عبارة عن وحدة MCU 8 بت متوافقة مع 8051- والتي توفر المعلومات عند نهاية الارتباط بالجهاز (المستشعر/المشغل). تعمل Infineon أيضًا على تمكين دعم IO-Link لأجهزتها ذات 16 بت، بما في ذلك سلسلة XE16x.
تم أيضًا نقل حزمة Mesco إلى سلسلة MSP430 ذات الطاقة المنخفضة -من شركة Texas Instruments-وهي وحدة MCU أخرى ذات 16 بت تعتمد على نواة خاصة. على وجه التحديد، فإنه يستهدف MSP430F2274.
تعمل الشركات المصنعة أيضًا على تطوير مجموعة من أجهزة إرسال واستقبال رابط الإدخال والإخراج المنفصلة، مثل MAX14821 من Maxim. يستهدف جهاز الإرسال والاستقبال هذا أجهزة ربط IO- وأجهزة الاستشعار/المشغلات الثنائية 24 فولت، التي تعمل بمثابة واجهة الطبقة المادية لوحدة MCU التي تقوم بتشغيل بروتوكول طبقة ارتباط البيانات (الشكل 3). يقوم منظمان خطيان داخليان بتوليد متطلبات طاقة المستشعر والمحرك المشترك عند 5 فولت و3.3 فولت، ويتم تكوين الجهاز ومراقبته عبر واجهة SPI. كما يتميز أيضًا بواجهة إرسال واستقبال IO قادرة على العمل بجهد يصل إلى 36 فولت.
الشكل: يوفر جهاز الإرسال والاستقبال الخاص بـ Maxim's IO-واجهة طبقة فعلية لوحدات MCU التي تقوم بتشغيل بروتوكولات طبقة ارتباط البيانات.
نظرًا لأن IO-Link يحقق مستويات أعلى من الاختراق، فيبدو أن المزيد من الشركات المصنعة تقوم بدمج هذه الواجهات المادية مع الأجهزة الطرفية المخصصة الأخرى على وحدات MCU لتطبيقات الأتمتة الصناعية.
لقد اعتمدت الأتمتة الصناعية دائمًا على تكامل القياس والتحكم. على الرغم من تزايد إدخال الشبكات في السنوات الأخيرة، إلا أن الواجهة بين المجالين الرقمي والتناظري ظلت دون تغيير نسبيًا. ومع ذلك، مع تقديم رابط IO-، يتم الآن تطوير أجهزة الاستشعار والمشغلات التي يمكنها الاتصال بوحدات MCU بطرق أكثر تطورًا. لا توفر اتصالات النقطة-إلى-النقطة طريقة أبسط لربط عناصر التحكم فحسب، بل تقدم أيضًا طريقة فعالة لتوسيع إمكانيات وحدات MCU ذات النهاية المنخفضة-.