微控制器（MCU）在工業(yè)自動化中的作用

　　本文著眼于微控制器 （MCU） 在工業(yè)自動化中的作用，特別是研究它們?nèi)绾螢?a target="_blank">傳感器和執(zhí)行器提供真實世界的接口。它討論了將高性能內(nèi)核（如 ARM? 的 Cortex?-M3）與精密和專用外設(shè)（如 Analog Devices 的ADuCM360和 EMF32系列。它還研究了針對該應(yīng)用領(lǐng)域的相對較新的協(xié)議，具體參考了低端 MCU，包括英飛凌的 XC800和 XC16x 系列以及德州儀器的 MSP430F2274，以及包括Maxim 的 MAX14821在內(nèi)的專用收發(fā)器。

　　微控制器集成了越來越多的混合信號能力和處理能力，但其他發(fā)展正在延長低端微控制器的生命周期。

　　根據(jù)定義，微控制器 （MCU） 是冗余的，沒有與“現(xiàn)實世界”的接口。它們旨在充當(dāng)輸入和輸出的中心，執(zhí)行條件響應(yīng)并管理順序和并行流程。它們的角色由控制定義，而它們的可編程特性意味著控制由邏輯管理。然而，它們基本上被設(shè)計為模擬世界的接口，因此嚴(yán)重依賴模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。通常是模擬參數(shù)的數(shù)字表示——通常來自某種傳感器——驅(qū)動控制過程，這并不比在自動化應(yīng)用中更明顯。

　　精確的性能

　　商業(yè)壓力意味著對其操作至關(guān)重要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程必須在片上進行經(jīng)濟高效的處理，從而提高混合信號集成的水平。此外，隨著集成度的提高，核心的處理負擔(dān)也隨之增加。

　　它們的低成本和靈活性意味著 MCU 經(jīng)常被自由使用，但出于成本、復(fù)雜性或安全原因，各行各業(yè)的制造商現(xiàn)在都在努力整合功能；曾經(jīng)可能有數(shù)十個 MCU，現(xiàn)在可能只有一個。

　　因此，從最初的簡單 4 位設(shè)備演變?yōu)楦叨葟?fù)雜的 32 位處理引擎也就不足為奇了，其中 ARM Cortex-M 系列成為許多供應(yīng)商的核心選擇。

　　將高性能處理內(nèi)核與精確穩(wěn)定的模擬轉(zhuǎn)換混合在一起并不簡單。CMOS 非常適合高速數(shù)字，但實例化敏感的模擬外設(shè)可能是一個挑戰(zhàn)。在這一領(lǐng)域擁有豐富專業(yè)知識的公司之一是 ADI 公司。其 ADuCM 系列完全集成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旨在直接連接到精密模擬傳感器。這種方法不僅可以最大限度地減少組件數(shù)量，還可以通過消除模擬和/或數(shù)字級來保持精度。

　　例如，在基于 ARM Cortex-M3 的 ADuCM360 上實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換器是一個 24 位 Sigma Delta ADC，它構(gòu)成了設(shè)備模擬子系統(tǒng)的一部分。其中包括一個可編程電流激勵源和一個偏置電壓發(fā)生器，但更重要的是內(nèi)部濾波器，其中一個用于精密測量，一個用于快速測量，適用于檢測源信號的大變化。

　　深度睡眠感應(yīng)

　　MCU 制造商認識到傳感器在自動化中發(fā)揮的重要作用，并開始開發(fā)優(yōu)化的模擬前端，為電感、電容和電阻傳感器提供專用接口。

　　其中一些前端甚至設(shè)計為自主運行，例如 Energy Micro 超低功耗 MCU 系列中的 LESENSE（低功耗傳感器）接口。它包括模擬比較器、DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）和低功耗定序器，允許它由 MCU 的內(nèi)核進行配置，然后在設(shè)備的其余部分處于深度睡眠模式時運行。

　　定序器從 32 kHz 時鐘運行并控制活動，而比較器輸出可配置為中斷以喚醒 CPU，DAC 可選擇作為比較器參考和激勵源。LESENSE 技術(shù)還包括一個可配置的解碼器，可配置為僅在同時滿足多個傳感器條件時才生成中斷。Digi-Key 提供 Energy Micro 的 EFM32 Tiny Gecko 入門套件，其中包括 LESENSE 演示。Energy Micro 的 Tiny Gecko 系列 MCU 基于 ARM Cortex-M3，運行頻率高達 32 MHz，面向溫度、振動、壓力和運動傳感等工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域。

　　圖 1：Energy Micro 的低能耗傳感器接口 LESENSE 為工業(yè)控制和自動化系統(tǒng)提供靈活的傳感器接口。

　　IO-Link

　　功能強大的新型傳感器和執(zhí)行器接口的推出正在幫助許多制造商延長工業(yè)自動化領(lǐng)域中 8 位和 16 位設(shè)備的使用壽命。接口背后的協(xié)議稱為 IO-Link，并且已經(jīng)得到工業(yè)自動化領(lǐng)域的許多領(lǐng)導(dǎo)者的支持，尤其是 MCU 供應(yīng)商。

　　IO-Link 使用 3 線非屏蔽電纜，最長可達 20 米，適合將智能傳感器和執(zhí)行器改裝到現(xiàn)有裝置中。它在每一端都需要“智能”，通常在 MCU 中實現(xiàn)，但由于協(xié)議相對簡單，它可以容納在低成本的 8 位 MCU 中，這正是許多制造商現(xiàn)在正在開發(fā)的。

　　該協(xié)議（也稱為 SDCI，代表單點數(shù)字通信接口，并根據(jù) IEC 61131-9 規(guī)范進行標(biāo)準(zhǔn)化）已被開發(fā)為可輕松嵌入傳感器和執(zhí)行器中的點對點通信解決方案，給他們一定程度的“智力”。因此，它并不打算取代現(xiàn)有的通信層，如現(xiàn)場總線、Profinet 或 HART，而是通過使低成本 MCU 更容易與高精度傳感器和執(zhí)行器接口來與它們一起工作。

　　IO-Link 背后的聯(lián)盟相信它可以顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并引入有用的功能，例如通過參數(shù)監(jiān)控進行實時診斷。當(dāng)通過網(wǎng)關(guān)（同樣，通過 MCU 或 PLC 實現(xiàn)）集成到現(xiàn)場總線拓撲中時，可以從控制室集中監(jiān)控和管理復(fù)雜的系統(tǒng)。傳感器可以遠程配置，部分原因是符合 IO-Link 規(guī)范的傳感器比“常規(guī)”傳感器更了解自身。

　　首先，他們的身份（和制造商的）以 XML 形式嵌入傳感器中，在詢問時可用。這允許系統(tǒng)立即計算傳感器，并了解它可以為系統(tǒng)做出什么貢獻。但是，更重要的是，IO-Link 使傳感器（和執(zhí)行器）能夠向控制器提供連續(xù)的實時數(shù)據(jù)流。事實上，IO-Link 提供了三種類型的數(shù)據(jù)交換：過程數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)和事件。過程數(shù)據(jù)是循環(huán)傳輸?shù)?，而服?wù)數(shù)據(jù)是非循環(huán)交換的，并且始終應(yīng) IO-Link 主站的請求。服務(wù)數(shù)據(jù)可用于從/向設(shè)備讀取和寫入?yún)?shù)數(shù)據(jù)。

　　IO-Link 為 MCU 與智能傳感器的接口提供了一種更簡單的方式，使系統(tǒng)工程師能夠開發(fā)更智能的工業(yè)自動化解決方案。

　　許多 MCU 供應(yīng)商已加入 IO-Link 聯(lián)盟，該聯(lián)盟最近成為 PI（PROFIBUS 和 PROFINET 國際）內(nèi)的技術(shù)委員會 （TC6）。從根本上說，IO-Link 為控制器（包括 MCU 和 PLC）提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化方法，用于識別、控制并與采用該協(xié)議的傳感器和執(zhí)行器進行一般通信。提供兼容設(shè)備的制造商名單正在增加，MCU 制造商的支持也在增加。

　　部分支持來自專家，例如德國設(shè)計公司 Mesco Engineering，該公司正與多家半導(dǎo)體制造商合作開發(fā) IO-Link 解決方案。其合作伙伴名單包括英飛凌、意法半導(dǎo)體、愛特梅爾和德州儀器。例如，英飛凌已將 Mesco 的 IO-Link 堆棧移植到其 XC800，這是一款兼容 8051 的 8 位 MCU，可在鏈路的設(shè)備（傳感器/執(zhí)行器）端提供智能，而英飛凌正在為 IO-Link 提供支持Master 使用它的 16 位設(shè)備，包括 XE16x。

　　Mesco 的堆棧也已移植到德州儀器的低功耗 MSP430 系列；另一個基于專有內(nèi)核的 16 位 MCU。具體來說，它以 MSP430F2274 為目標(biāo)。

　　制造商還致力于開發(fā)一系列分立式 IO-Link 收發(fā)器，例如 Maxim 的 MAX14821。該收發(fā)器以 IO-Link 設(shè)備和 24 V 二進制傳感器/執(zhí)行器為目標(biāo)，并充當(dāng)運行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的 MCU 的物理層接口（圖 3）。兩個內(nèi)部線性穩(wěn)壓器在 5 V 和 3.3 V 下產(chǎn)生共同的傳感器和執(zhí)行器電源要求，并且該設(shè)備通過 SPI 接口進行配置和監(jiān)控。它還具有一個 IO 收發(fā)器接口，能夠在高達 36 V 的電壓下工作。

　　圖 ：Maxim 的 IO-Link 收發(fā)器為運行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的 MCU 提供物理層接口。

　　隨著 IO-Link 實現(xiàn)更高水平的滲透，似乎有更多制造商將這些物理接口與針對工業(yè)自動化應(yīng)用的 MCU 上的其他專用外設(shè)集成。瑞薩電子已經(jīng)基于其 78 K 16 位 MCU 內(nèi)核創(chuàng)建了一系列專用 IO-Link 主/從控制器。

　　工業(yè)自動化一直依賴于測量和控制的結(jié)合。盡管近年來引入了越來越多的網(wǎng)絡(luò)，但數(shù)字域和模擬域之間的接口保持相對不變。然而，隨著 IO-Link 的引入，現(xiàn)在正在開發(fā)能夠以更復(fù)雜的方式與 MCU 連接的傳感器和執(zhí)行器。點對點連接不僅提供了一種更簡單的控制元件接口方式，而且還提供了一種擴展低端 MCU 功能的有效方式。