Dieses Papier konzentriert sich auf die Rolle von Mikrocontrollern (MCUs) in der industriellen Automatisierung und untersucht insbesondere, wie sie reale Schnittstellen für Sensoren und Aktoren bereitstellen. Es wird die Integration von Hochleistungskernen wie ARM®s Cortex™-M3 mit Präzisions- und Spezialperipheriegeräten wie den ADuCM360- und EMF32-Serien von Analog Devices besprochen. Es untersucht auch relativ neue Protokolle für diesen Anwendungsbereich und bezieht sich insbesondere auf Low-End-MCUs, darunter die XC800- und XC16x-Serien von Infineon und den MSP430F2274 von Texas Instruments, sowie dedizierte Transceiver wie den MAX14821 von Maxim.
Mikrocontroller integrieren zunehmend Hybridsignalfähigkeiten und Rechenleistung, doch andere Entwicklungen verlängern den Lebenszyklus von Low-End-Mikrocontrollern.
Per Definition sind Mikrocontroller (MCUs) redundant und verfügen über keine direkten Schnittstellen zur „realen Welt“. Sie sollen als zentrale Knotenpunkte für Ein- und Ausgänge dienen, bedingte Reaktionen ausführen und sequentielle und parallele Prozesse verwalten. Ihre Rolle wird durch die Steuerung definiert, und ihre Programmierbarkeit bedeutet, dass diese Steuerung durch die Logik verwaltet wird. Allerdings sind sie grundsätzlich als Schnittstellen zur analogen Welt konzipiert und daher stark auf die Analog-{3}}zu---Konvertierung angewiesen. Typischerweise ist es die digitale Darstellung eines analogen Parameters -häufig von einer Art Sensor-, der den Steuerungsprozess steuert, eine Tatsache, die nicht offensichtlicher ist als bei Automatisierungsanwendungen.
Präzise Leistung
Der kommerzielle Druck erfordert, dass für den Betrieb entscheidende Datenkonvertierungsprozesse kosteneffizient auf dem Chip abgewickelt werden, was zu einem höheren Grad an Mixed-Signal-Integration führt. Darüber hinaus bringt eine zunehmende Integration eine größere Verarbeitungsbelastung für den Kern mit sich.
Aufgrund ihrer geringen Kosten und Flexibilität werden MCUs oft frei eingesetzt, doch Hersteller in allen Branchen streben heute aus Kosten-, Komplexitäts- oder Sicherheitsgründen nach einer Konsolidierung der Funktionalität; Wo früher möglicherweise Dutzende von MCUs verwendet wurden, reicht heute möglicherweise nur noch eine aus.
Daher überrascht es nicht, dass sich einfache 4--Bit-Geräte zu hochkomplexen 32-Bit-Verarbeitungs-Engines entwickelt haben, wobei die ARM Cortex-M-Serie für viele Anbieter zur ersten Wahl geworden ist.
Die Kombination leistungsstarker Verarbeitungskerne mit präziser, stabiler Analogwandlung ist keine einfache Aufgabe. CMOS zeichnet sich durch digitale Hochgeschwindigkeit aus, die Instanziierung empfindlicher analoger Peripheriegeräte kann jedoch eine Herausforderung darstellen. Ein Unternehmen mit umfassender Expertise in diesem Bereich ist Analog Devices, Inc. Die vollständig integrierten Datenerfassungssysteme der ADuCM-Serie sind für den direkten Anschluss an analoge Präzisionssensoren konzipiert. Dieser Ansatz minimiert nicht nur die Anzahl der Komponenten, sondern bewahrt auch die Genauigkeit durch den Wegfall analoger und/oder digitaler Stufen.
Beispielsweise ist der auf dem ARM Cortex-M3-basierten ADuCM360 implementierte Konverter ein 24-Bit-Sigma-Delta-ADC, der Teil des analogen Subsystems des Geräts ist. Dazu gehören eine programmierbare Stromerregerquelle und ein Vorspannungsgenerator, aber was noch wichtiger ist, interne Filter – einer für Präzisionsmessungen und ein anderer für schnelle Messungen, die sich zur Erkennung großer Schwankungen im Quellensignal eignen.
Tiefschlaferkennung
MCU-Hersteller erkennen die entscheidende Rolle, die Sensoren in der Automatisierung spielen, und haben mit der Entwicklung optimierter analoger Frontends mit dedizierten Schnittstellen für induktive, kapazitive und Widerstandssensoren begonnen.
Einige dieser Frontends sind sogar für den autonomen Betrieb konzipiert, wie beispielsweise die LESENSE-Schnittstelle (Low Energy Sensor) in der MCU-Serie mit extrem niedrigem Stromverbrauch von Energy Micro. Es enthält einen analogen Komparator, einen DAC (Digital-zu-Analogwandler) und einen Sequenzer mit geringem Stromverbrauch, sodass es vom MCU-Kern konfiguriert und dann betrieben werden kann, während der Rest des Geräts im Tiefschlafmodus bleibt.
Der Sequenzer arbeitet mit einem 32-kHz-Takt und steuert die Aktivität, während der Komparatorausgang so konfiguriert werden kann, dass er einen Interrupt generiert, um die CPU aufzuwecken. Der DAC kann entweder als Komparatorreferenz oder als Antriebsquelle ausgewählt werden. Die LESENSE-Technologie umfasst außerdem einen konfigurierbaren Decoder, der so eingestellt werden kann, dass er nur dann Interrupts generiert, wenn mehrere Sensorbedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Digi-Key bietet das EFM32 Tiny Gecko Starter Kit von Energy Micro an, das eine LESENSE-Demonstration enthält. Die MCUs der Tiny Gecko-Serie von Energy Micro, die auf dem ARM Cortex-M3 basieren und mit Frequenzen von bis zu 32 MHz arbeiten, sind auf industrielle Automatisierungsanwendungen wie Temperatur-, Vibrations-, Druck- und Bewegungserkennung ausgerichtet.
Abbildung 1: Die stromsparende Sensorschnittstelle LESENSE von Energy Micro bietet flexible Sensorkonnektivität für industrielle Steuerungs- und Automatisierungssysteme.
IO-Link
Die Einführung einer leistungsstarken neuen Sensor- und Aktorschnittstelle hilft vielen Herstellern, die Lebensdauer von 8-Bit- und 16-Bit-Geräten in der industriellen Automatisierung zu verlängern. Das Protokoll hinter dieser Schnittstelle heißt IO-Link und wird von zahlreichen führenden Unternehmen der industriellen Automatisierung, insbesondere von MCU-Anbietern, unterstützt.
IO-Link nutzt ein 3-adriges ungeschirmtes Kabel mit einer maximalen Länge von 20 Metern und eignet sich daher für die Nachrüstung intelligenter Sensoren und Aktoren in bestehende Installationen. Es erfordert „Intelligenz“ an jedem Ende, typischerweise implementiert in einer MCU. Aufgrund der relativen Einfachheit des Protokolls kann es jedoch in kostengünstigen 8-Bit-MCUs untergebracht werden – genau das, was viele Hersteller derzeit entwickeln.
Das Protokoll (auch als SDCI bekannt, steht für Single{0}Point Digital Communication Interface und standardisiert unter IEC 61131-9) wurde als Peer{3}}zu-Kommunikationslösung entwickelt, die einfach in Sensoren und Aktoren eingebettet werden kann und ihnen ein gewisses Maß an „Intelligenz“ verleiht. Daher ist es nicht beabsichtigt, bestehende Kommunikationsschichten wie Feldbus, Profinet oder HART zu ersetzen, sondern vielmehr mit ihnen zusammenzuarbeiten, indem es kostengünstigen MCUs die Schnittstelle zu hochpräzisen Sensoren und Aktoren erleichtert.
Das Konsortium hinter IO-Link glaubt, dass es die Systemkomplexität erheblich reduzieren und gleichzeitig nützliche Funktionen wie Echtzeitdiagnose durch Parameterüberwachung einführen kann. Durch die Einbindung in Feldbustopologien über Gateways (auch implementiert durch MCUs oder SPS) können komplexe Systeme zentral von der Leitwarte aus überwacht und verwaltet werden. Sensoren können aus der Ferne konfiguriert werden, unter anderem weil IO-Link--kompatible Sensoren mehr über sich selbst wissen als „herkömmliche“ Sensoren.
Zunächst wird ihre Identität (und die des Herstellers) im XML-Format in den Sensor eingebettet und ist auf Anfrage erhältlich. Dadurch kann das System den Sensor sofort erkennen und seine Fähigkeiten verstehen. Noch wichtiger ist, dass IO-Link es Sensoren (und Aktoren) ermöglicht, dem Controller kontinuierliche Echtzeit-Datenströme bereitzustellen. Tatsächlich ermöglicht IO-Link drei Arten des Datenaustauschs: Prozessdaten, Servicedaten und Ereignisse. Prozessdaten werden zyklisch übertragen, während Servicedaten nicht-zyklisch und immer auf Anfrage des IO-Link-Masters ausgetauscht werden. Mit Servicedaten können Parameterdaten vom/zum Gerät gelesen und geschrieben werden.
IO-Link bietet eine einfachere Möglichkeit für MCUs, mit intelligenten Sensoren zu kommunizieren, sodass Systemingenieure intelligentere industrielle Automatisierungslösungen entwickeln können.
Zahlreiche MCU-Lieferanten sind dem IO-Link-Konsortium beigetreten, das kürzlich zu einem Technischen Komitee (TC6) innerhalb von PI (PROFIBUS und PROFINET International) wurde. Grundsätzlich bietet IO-Link Controllern-einschließlich MCUs und SPS-eine standardisierte Methode zur Identifizierung, Steuerung und allgemeinen Kommunikation mit Sensoren und Aktoren, die dieses Protokoll verwenden. Die Liste der Hersteller, die kompatible Geräte anbieten, wächst und die Unterstützung durch MCU-Hersteller nimmt zu.
Die Unterstützung kommt teilweise von Spezialisten wie dem deutschen Designhaus Mesco Engineering, das mit mehreren Halbleiterherstellern zusammenarbeitet, um IO{0}}Link-Lösungen zu entwickeln. Zu seinen Partnern gehören Infineon, STMicroelectronics, Atmel und Texas Instruments. Beispielsweise hat Infineon den IO-Link-Stack von Mesco auf seinen XC800 portiert, einen 8051-kompatiblen 8-Bit-MCU, der Intelligenz auf der Geräteseite (Sensor/Aktor) der Verbindung liefert. Infineon ermöglicht außerdem IO-Link-Unterstützung für seine 16-Bit-Geräte, einschließlich der XE16x-Serie.
Der Stack von Mesco wurde auch auf die stromsparende MSP430-Serie-von Texas Instruments portiert, eine weitere 16-Bit-MCU, die auf einem proprietären Kern basiert. Konkret zielt es auf den MSP430F2274 ab.
Hersteller entwickeln außerdem eine Reihe diskreter IO-Link-Transceiver, wie beispielsweise den MAX14821 von Maxim. Dieser Transceiver zielt auf IO-Link-Geräte und 24-V-Binärsensoren/-aktoren ab und dient als physikalische Schichtschnittstelle für eine MCU, auf der das Datenverbindungsschichtprotokoll ausgeführt wird (Abbildung 3). Zwei interne Linearregler erzeugen den gemeinsamen Strombedarf für Sensor und Aktor bei 5 V und 3,3 V, die Konfiguration und Überwachung des Geräts erfolgt über eine SPI-Schnittstelle. Es verfügt außerdem über eine IO-Transceiver-Schnittstelle, die mit Spannungen von bis zu 36 V betrieben werden kann.
Abbildung: Der IO-Link-Transceiver von Maxim bietet eine Schnittstelle der physikalischen Schicht für MCUs, auf denen Protokolle der Datenverbindungsschicht ausgeführt werden.
Mit zunehmender Verbreitung von IO-Link scheinen immer mehr Hersteller diese physischen Schnittstellen mit anderen dedizierten Peripheriegeräten auf MCUs für industrielle Automatisierungsanwendungen zu integrieren.
Die industrielle Automatisierung setzt seit jeher auf die Integration von Messung und Steuerung. Trotz der zunehmenden Einführung der Vernetzung in den letzten Jahren ist die Schnittstelle zwischen digitaler und analoger Domäne relativ unverändert geblieben. Mit der Einführung von IO-Link werden jedoch nun Sensoren und Aktoren entwickelt, die auf komplexere Weise mit MCUs verbunden werden können. Punkt-zu-Punkt-Verbindungen stellen nicht nur eine einfachere Methode zur Anbindung von Steuerelementen dar, sondern bieten auch eine effektive Möglichkeit, die Fähigkeiten von Low-End-MCUs zu erweitern.