이 문서에서는 산업 자동화에서 마이크로 컨트롤러(MCU)의 역할에 초점을 맞추고, 특히 마이크로 컨트롤러가 센서와 액추에이터에 대한 실제 인터페이스를{0}}제공하는 방법을 조사합니다. ARM®의 Cortex™-M3와 같은 고성능 코어와 Analog Devices의 ADuCM360 및 EMF32 시리즈와 같은 정밀하고 특수한 주변기기의 통합에 대해 설명합니다. 또한 이 애플리케이션 도메인에 대한 비교적 새로운 프로토콜, 특히 Infineon의 XC800 및 XC16x 시리즈와 Texas Instruments의 MSP430F2274를 포함한 저가형 MCU와 Maxim의 MAX14821과 같은 전용 트랜시버를 참조하는{8}}프로토콜을 조사합니다.
마이크로컨트롤러는 증가하는 하이브리드{0}}신호 기능과 처리 성능을 통합하고 있지만 다른 개발로 저가형 마이크로컨트롤러의 수명 주기가 연장되고 있습니다.-
정의에 따르면 마이크로 컨트롤러(MCU)는 중복되어 "실제 세계"에 대한 직접적인 인터페이스가 부족합니다. 입력과 출력을 위한 중앙 허브 역할을 하고 조건부 응답을 실행하며 순차 및 병렬 프로세스를 관리하도록 설계되었습니다. 이들의 역할은 제어에 의해 정의되며 프로그래밍 가능 특성은 이 제어가 논리에 의해 관리된다는 것을 의미합니다. 그러나 기본적으로는 아날로그 세계에 대한 인터페이스로 설계되었으므로 아날로그-에서-디지털 변환에 크게 의존합니다. 일반적으로 제어 프로세스를 구동하는 것은-종종 어떤 형태의 센서에서 나오는-아날로그 매개변수의 디지털 표현인데, 이는 자동화 애플리케이션에서보다 더 분명하지 않습니다.
정확한 성능
상업적 압력으로 인해 운영에 중요한 데이터 변환 프로세스를 칩에서-비용 효율적으로 처리해야-하여 더 높은 수준의 혼합 신호 통합이 가능해야 합니다.{2}} 게다가 통합이 증가하면 코어에 더 큰 처리 부담이 가해집니다.
저렴한 비용과 유연성은 MCU가 자유롭게 사용되는 경우가 많다는 것을 의미하지만, 업계 전반의 제조업체는 이제 비용, 복잡성 또는 보안상의 이유로 기능을 통합하려고 노력하고 있습니다. 한때 수십 개의 MCU가 사용되었던 곳에서는 이제는 하나만 사용하면 충분합니다.
따라서 간단한 4{2}}비트 장치가 매우 복잡한 32비트 처리 엔진으로 발전했으며 ARM Cortex-M 시리즈가 많은 공급업체의 핵심 선택이 된 것은 놀라운 일이 아닙니다.
고성능 처리 코어와 정확하고 안정적인 아날로그 변환을 결합하는 것은 간단한 작업이 아닙니다. CMOS는 고속-디지털에 탁월하지만 민감한 아날로그 주변 장치를 인스턴스화하는 것은 어려울 수 있습니다. 이 분야에 대한 심층적인 전문 지식을 갖춘 회사 중 하나가 Analog Devices, Inc.입니다. 완벽하게 통합된 데이터 수집 시스템인 ADuCM 시리즈는 정밀 아날로그 센서에 직접 연결하도록 설계되었습니다. 이 접근 방식은 구성 요소 수를 최소화할 뿐만 아니라 아날로그 및/또는 디지털 단계를 제거하여 정확성을 유지합니다.
예를 들어 ARM Cortex-M3- 기반 ADuCM360에 구현된 변환기는 24비트 시그마 델타 ADC이며 장치의 아날로그 하위 시스템의 일부를 구성합니다. 여기에는 프로그래밍 가능한 전류 여기 소스와 바이어스 전압 생성기가 포함되어 있지만 더 중요한 것은 내부 필터(하나는 정밀 측정용, 다른 하나는 소스 신호의 큰 변화를 감지하는 데 적합한 빠른 측정용)입니다.
깊은 수면 감지
MCU 제조업체는 자동화에서 센서가 수행하는 중요한 역할을 인식하고 유도형, 용량형 및 저항성 센서를 위한 전용 인터페이스를 갖춘 최적화된 아날로그 프런트 엔드를 개발하기 시작했습니다.
이러한 프런트 엔드 중 일부는 Energy Micro의 초{0}}저전력 MCU 시리즈에 있는 LESENSE(저에너지 센서) 인터페이스와 같이 자율적으로 작동하도록 설계되었습니다. 이 제품에는 아날로그 비교기, DAC(디지털---아날로그 변환기) 및 저전력 시퀀서가 통합되어 있어 MCU 코어로 구성한 다음 장치의 나머지 부분이 최대 절전 모드에 있는 동안 작동할 수 있습니다.
시퀀서는 32kHz 클록에서 작동하고 활동을 제어하는 반면, 비교기 출력은 CPU를 깨우기 위해 인터럽트를 생성하도록 구성할 수 있습니다. DAC는 비교기 기준 또는 구동 소스로 선택할 수 있습니다. LESENSE 기술에는 여러 센서 조건이 동시에 충족되는 경우에만 인터럽트를 생성하도록 설정할 수 있는 구성 가능한 디코더도 포함되어 있습니다. Digi-Key는 LESENSE 데모가 포함된 Energy Micro의 EFM32 Tiny Gecko 시험용 키트를 제공합니다. ARM Cortex-M3를 기반으로 하고 최대 32MHz의 주파수에서 작동하는 Energy Micro의 Tiny Gecko MCU 시리즈는 온도, 진동, 압력 및 동작 감지와 같은 산업 자동화 응용 제품을 대상으로 합니다.
그림 1: Energy Micro의 저-전력 센서 인터페이스인 LESENSE는 산업 제어 및 자동화 시스템을 위한 유연한 센서 연결을 제공합니다.
IO-링크
강력하고 새로운 센서와 액추에이터 인터페이스의 도입으로 많은 제조업체가 산업 자동화 분야의 8-비트 및 16비트 장치 수명을 연장하는 데 도움이 되었습니다. 이 인터페이스 뒤에 있는 프로토콜은 IO-Link라고 하며 산업 자동화 분야의 수많은 리더, 특히 MCU 공급업체로부터 지원을 받았습니다.
IO{0}}Link는 최대 길이가 20m인 3-선 비차폐 케이블을 사용하므로 기존 설치에 스마트 센서 및 액추에이터를 개조하는 데 적합합니다. 일반적으로 MCU에서 구현되는 각 끝에 "지능"이 필요합니다. 그러나 프로토콜의 상대적 단순성으로 인해 이는 현재 많은 제조업체가 개발 중인 저가형-8비트 MCU에 수용될 수 있습니다.
SDCI라고도 알려진 이 프로토콜(Single Point Digital Communication Interface의 약자이며 IEC 61131-9에 따라 표준화됨)은 센서와 액추에이터 내에 쉽게 내장되어 어느 정도 '지능'을 부여할 수 있는 P2P 통신 솔루션으로 개발되었습니다. 따라서 Fieldbus, Profinet 또는 HART와 같은 기존 통신 계층을 대체하기 위한 것이 아니라 오히려 저비용 MCU가 고정밀 센서 및 액추에이터와 더 쉽게 인터페이스할 수 있도록 하여 이들 계층과 함께 작동하도록 고안되었습니다.
IO{0}}Link 컨소시엄은 매개변수 모니터링을 통해 실시간 진단과 같은 유용한 기능을 도입하는 동시에 시스템 복잡성을 크게 줄일 수 있다고 믿습니다.{1}} 게이트웨이(MCU 또는 PLC로도 구현)를 통해 필드버스 토폴로지에 통합되면 제어실에서 복잡한 시스템을 중앙에서 모니터링하고 관리할 수 있습니다. 센서는 원격으로 구성될 수 있는데, 그 이유 중 하나는 IO-Link- 호환 센서가 "기존" 센서보다 자신에 대해 더 많은 것을 알고 있기 때문입니다.
첫째, 요청 시 제공되는 XML 형식으로 해당 신원(및 제조업체)이 센서에 내장됩니다. 이를 통해 시스템은 센서를 즉시 인식하고 그 기능을 이해할 수 있습니다. 더 중요한 것은 IO{2}}Link를 사용하면 센서(및 액추에이터)가 컨트롤러에 지속적인 실시간 데이터 스트림을 제공할 수 있다는 것입니다.- 실제로 IO{5}}Link는 프로세스 데이터, 서비스 데이터, 이벤트라는 세 가지 유형의 데이터 교환을 촉진합니다. 프로세스 데이터는 주기적으로 전송되는 반면 서비스 데이터는 비주기적으로 교환되며-항상 IO-링크 마스터의 요청에 따라 교환됩니다. 서비스 데이터는 장치에서 매개변수 데이터를 읽고 쓰는 데 사용될 수 있습니다.
IO{0}}Link는 MCU가 스마트 센서와 인터페이스할 수 있는 간단한 방법을 제공하여 시스템 엔지니어가 더욱 지능적인 산업 자동화 솔루션을 개발할 수 있도록 해줍니다.
수많은 MCU 공급업체가 IO{0}}Link 컨소시엄에 가입했습니다. 이 컨소시엄은 최근 PI(PROFIBUS 및 PROFINET International) 내의 기술 위원회(TC6)가 되었습니다. 기본적으로 IO{3}}Link는 이 프로토콜을 채택하는 센서 및 액추에이터를 식별, 제어하고 일반적으로 통신하기 위한 표준화된 방법을 MCU 및 PLC를 포함한 컨트롤러-를 제공합니다. MCU 제조업체의 지원이 증가하면서 호환 장치를 제공하는 제조업체 목록이 늘어나고 있습니다.
부분적으로는 독일 디자인 회사인 Mesco Engineering과 같은 전문가의 지원이 제공됩니다. Mesco Engineering은 여러 반도체 제조업체와 협력하여 IO{0}Link 솔루션을 개발하고 있습니다. 파트너 명단에는 Infineon, STMicroelectronics, Atmel 및 Texas Instruments가 포함됩니다. 예를 들어 Infineon은 Mesco의 IO{3}}링크 스택을 링크의 장치(센서/액추에이터) 끝에서 지능을 제공하는 8051-호환 8비트 MCU인 XC800으로 포팅했습니다. Infineon은 또한 XE16x 시리즈를 포함한 16비트 장치에 대한 IO-Link 지원을 활성화합니다.
Mesco의 스택은 또한 독점 코어를 기반으로 하는 Texas Instruments의{0}}저전력 MSP430 시리즈-또 다른 16비트 MCU로 포팅되었습니다. 구체적으로 MSP430F2274를 대상으로 합니다.
제조업체에서는 Maxim의 MAX14821과 같은 다양한 개별 IO{0}Link 트랜시버도 개발하고 있습니다. 이 트랜시버는 IO{2}}링크 장치와 24V 바이너리 센서/액추에이터를 대상으로 하며 데이터 링크 계층 프로토콜을 실행하는 MCU의 물리 계층 인터페이스 역할을 합니다(그림 3). 2개의 내부 선형 레귤레이터는 5V 및 3.3V에서 공통 센서 및 액추에이터 전력 요구 사항을 생성하며 장치는 SPI 인터페이스를 통해 구성 및 모니터링됩니다. 또한 최대 36V의 전압에서 작동할 수 있는 IO 트랜시버 인터페이스도 갖추고 있습니다.
그림: Maxim의 IO{0}}링크 트랜시버는 데이터 링크 계층 프로토콜을 실행하는 MCU를 위한 물리 계층 인터페이스를 제공합니다.
IO{0}}Link가 더 높은 보급률을 달성함에 따라 더 많은 제조업체가 이러한 물리적 인터페이스를 산업 자동화 애플리케이션용 MCU의 다른 전용 주변 장치와 통합하고 있는 것으로 보입니다.
산업 자동화는 항상 측정과 제어의 통합에 의존해 왔습니다. 최근 몇 년간 네트워킹 도입이 증가했음에도 불구하고 디지털 영역과 아날로그 영역 간의 인터페이스는 상대적으로 변하지 않았습니다. 그러나 IO-Link가 도입되면서 이제 보다 정교한 방식으로 MCU에 연결할 수 있는 센서와 액추에이터가 개발되고 있습니다. 지점-대-연결은 제어 요소를 인터페이스하는 간단한 방법을 제공할 뿐만 아니라 저가형 MCU의 기능을 확장하는 효과적인 방법도 제공합니다.-