このペーパーでは、産業オートメーションにおけるマイクロコントローラー（MCU）の役割に焦点を当て、特にマイクロコントローラー（MCU）がセンサーとアクチュエーターに現実世界のインターフェースをどのように提供するかを調査します。{0}ここでは、ARM® の Cortex™-M3 などの高性能コアと、Analog Devices の ADuCM360 や EMF32 シリーズなどの高精度で特殊なペリフェラルとの統合について説明します。また、このアプリケーション ドメインの比較的新しいプロトコルについても調査します。具体的には、Infineon の XC800 および XC16x シリーズ、Texas Instruments の MSP430F2274 などのローエンド MCU、および Maxim の MAX14821 などの専用トランシーバを参照します。{8}}
マイクロコントローラは、増加するハイブリッド信号機能と処理能力を統合していますが、他の開発によりローエンド マイクロコントローラのライフサイクルが延長されています。-
定義上、マイクロコントローラー (MCU) は冗長であり、「現実世界」への直接のインターフェイスがありません。これらは、入力と出力の中央ハブとして機能し、条件付き応答を実行し、順次および並列プロセスを管理するように設計されています。それらの役割は制御によって定義され、そのプログラム可能な性質は、この制御がロジックによって管理されることを意味します。ただし、これらは基本的にアナログ世界へのインターフェースとして設計されているため、アナログからデジタルへの変換に大きく依存しています。{3}}通常、これは制御プロセスを駆動するアナログ パラメータのデジタル表現です-多くの場合、何らかの形式のセンサーから得られます-。この事実はオートメーション アプリケーションほど明白ではありません。
正確なパフォーマンス
商業上の圧力により、運用に不可欠なデータ変換プロセスをチップ上でコスト効率よく処理し、より高いレベルの混合信号統合を推進することが求められています。{0}{1}{2}さらに、統合が進むと、コアに対する処理の負担が大きくなります。
MCU は低コストで柔軟性があるため、多くの場合自由に使用できますが、現在、さまざまな業界のメーカーがコスト、複雑さ、またはセキュリティ上の理由から機能の統合に努めています。かつては数十の MCU が使用されていましたが、現在は 1 つだけで十分です。
したがって、単純な 4- ビット デバイスが非常に複雑な 32 ビット処理エンジンに進化し、ARM Cortex-M シリーズが多くのサプライヤーにとって中心的な選択肢となっているのは驚くべきことではありません。
高性能のプロセッシング コアと正確で安定したアナログ変換を組み合わせるのは簡単な作業ではありません。{0} CMOS は高速デジタルに優れていますが、繊細なアナログ周辺機器をインスタンス化するのは困難な場合があります。-この分野で深い専門知識を持つ企業の 1 つが Analog Devices, Inc. です。同社の完全に統合されたデータ収集システムの ADuCM シリーズは、高精度アナログ センサーに直接接続できるように設計されています。このアプローチは、コンポーネント数を最小限に抑えるだけでなく、アナログおよび/またはデジタル段階を排除することで精度を維持します。
たとえば、ARM Cortex-M3- ベースの ADuCM360 に実装されているコンバータは 24 ビット シグマ デルタ ADC であり、デバイスのアナログ サブシステムの一部を形成しています。これには、プログラム可能な電流励起源とバイアス電圧発生器が含まれていますが、より重要なのは内部フィルターです。1 つは高精度測定用、もう 1 つはソース信号の大きな変動の検出に適した高速測定用です。
深い睡眠のセンシング
MCU メーカーは、オートメーションにおいてセンサーが重要な役割を果たすことを認識しており、誘導センサー、容量センサー、抵抗センサー用の専用インターフェイスを備えた最適化されたアナログ フロントエンドの開発を開始しています。
これらのフロントエンドの中には、Energy Micro の超低消費電力 MCU シリーズの LESENSE (低エネルギー センサー) インターフェースなど、自律的に動作するように設計されているものもあります。{0}{1}これには、アナログ コンパレータ、DAC (デジタル- - -)、低電力シーケンサが組み込まれており、MCU のコアによって構成され、デバイスの残りの部分がディープ スリープ モードのままでも動作することができます。
シーケンサは 32 kHz クロックで動作してアクティビティを制御しますが、コンパレータ出力は CPU をウェイクアップする割り込みを生成するように構成できます。 DAC はコンパレータのリファレンスまたは駆動源として選択できます。 LESENSE テクノロジーには、複数のセンサー条件が同時に満たされた場合にのみ割り込みを生成するように設定できる構成可能なデコーダーも組み込まれています。 Digi-Key は、LESENSE デモを含む Energy Micro の EFM32 Tiny Gecko スターター キットを提供しています。 Energy Micro の Tiny Gecko シリーズ MCU は、ARM Cortex-M3 をベースにし、最大 32 MHz の周波数で動作し、温度、振動、圧力、モーション センシングなどの産業オートメーション アプリケーションをターゲットとしています。
図 1: Energy Micro- の低電力センサー インターフェース LESENSE は、産業用制御およびオートメーション システムに柔軟なセンサー接続を提供します。
IO-リンク
強力な新しいセンサーとアクチュエーター インターフェースの導入により、多くのメーカーは産業オートメーションにおける 8- ビットおよび 16 ビット デバイスの寿命を延ばすことができます。このインターフェイスの背後にあるプロトコルは IO-Link と呼ばれ、産業オートメーションの多数のリーダー、特に MCU サプライヤーからの支持を得ています。
IO-Link は最長 20 メートルの 3 線シールドなしケーブルを利用しているため、既存の設備にスマート センサーやアクチュエータを後付けするのに適しています。両端に「インテリジェンス」が必要で、通常は MCU に実装されます。ただし、プロトコルは比較的単純であるため、多くのメーカーが現在開発している低コストの 8 ビット MCU に対応できます。{7}
このプロトコル (SDCI とも呼ばれ、Single{0}}Point Digital Communication Interface の略で、IEC 61131-9 に基づいて標準化されている) は、センサーやアクチュエーターに簡単に組み込むことができ、センサーやアクチュエーターにある程度の「インテリジェンス」を与えるピアツーピア通信ソリューションとして開発されました。{{0}したがって、フィールドバス、Profinet、HART などの既存の通信層を置き換えることを目的としたものではなく、低コストの MCU が高精度のセンサーやアクチュエーターと簡単に接続できるようにすることで、それらと並行して機能することを目的としています。{6}}
IO{0}Link の背後にあるコンソーシアムは、パラメータ モニタリングによるリアルタイム診断などの便利な機能を導入しながら、システムの複雑さを大幅に軽減できると考えています。{1}ゲートウェイ (MCU または PLC によっても実装) を介してフィールドバス トポロジに統合すると、複雑なシステムを制御室から集中監視および管理できます。 IO-Link- 準拠のセンサーは「従来の」センサーよりもセンサー自体のことをよく知っているため、センサーをリモートで構成できます。
まず、その ID (および製造元) が XML 形式でセンサー内に埋め込まれており、リクエストに応じて利用できます。これにより、システムはセンサーを即座に認識し、その機能を理解できるようになります。さらに重要なことは、IO-Link により、センサー (およびアクチュエーター) が継続的なリアルタイム データ ストリームをコントローラーに提供できるようになります。-実際、IO-Link は、プロセス データ、サービス データ、イベントという 3 種類のデータ交換を容易にします。プロセス データは周期的に送信されますが、サービス データは非周期的に、常に IO{8}} リンク マスターからの要求に応じて交換されます。サービス データは、デバイスとの間でパラメータ データを読み書きするために使用できます。
IO-Link は、MCU がスマート センサーと接続する簡単な方法を提供し、システム エンジニアがよりインテリジェントな産業オートメーション ソリューションを開発できるようにします。
多数の MCU サプライヤーが IO{0}} コンソーシアムに参加しています。このコンソーシアムは最近、PI (PROFIBUS および PROFINET International) 内の技術委員会 (TC6) になりました。基本的に、IO-Link は、このプロトコルを採用するセンサーやアクチュエータを識別、制御し、一般的に通信するための標準化された方法を、-MCU や PLC を含む-コントローラに提供します。互換性のあるデバイスを提供するメーカーのリストは増加しており、MCU メーカーからのサポートも増加しています。
サポートの一部は、複数の半導体メーカーと協力して IO{0}}Link ソリューションを開発しているドイツの設計会社 Mesco Engineering などの専門家から提供されています。パートナーには、Infineon、STMicroelectronics、Atmel、Texas Instruments が含まれます。たとえば、Infineon は Mesco の IO{3} リンク スタックを、リンクのデバイス (センサー/アクチュエーター) 側でインテリジェンスを提供する 8051- 互換の 8 ビット MCU である XC800 に移植しました。インフィニオンは、XE16x シリーズを含む 16 ビット デバイスの IO-Link サポートも有効にしています。
Mesco のスタックは、Texas Instruments の低消費電力-MSP430 シリーズ-にも、独自のコアをベースにした別の 16 ビット MCU に移植されています。具体的には、MSP430F2274 が対象となります。
メーカーは、マキシムの MAX14821 など、さまざまなディスクリート IO{0}} リンク トランシーバも開発しています。このトランシーバーは、IO- リンク デバイスおよび 24 V バイナリ センサー/アクチュエーターをターゲットとし、データ リンク層プロトコルを実行する MCU の物理層インターフェイスとして機能します (図 3)。 2 つの内部リニア レギュレータは、5 V および 3.3 V で共通のセンサーとアクチュエータの電力要件を生成し、デバイスは SPI インターフェイス経由で設定および監視されます。また、最大 36 V の電圧で動作できる IO トランシーバー インターフェイスも備えています。
図: マキシムのIO-リンクトランシーバは、データリンク層プロトコルを実行するMCUに物理層インターフェースを提供します。
IO-Link がより高いレベルの普及を達成するにつれて、より多くのメーカーがこれらの物理インターフェースを産業オートメーション アプリケーション用の MCU 上の他の専用周辺機器と統合しているようです。
産業オートメーションは常に、測定と制御の統合に依存してきました。近年ネットワーキングの導入が増加しているにもかかわらず、デジタル領域とアナログ領域の間のインターフェイスは比較的変わっていません。しかし、IO- Link の導入により、より洗練された方法で MCU に接続できるセンサーとアクチュエーターが開発されています。ポイントツー-ポイント接続は、制御要素に接続するためのより簡単な方法を提供するだけでなく、ローエンド MCU の機能を拡張する効果的な方法も提供します。-