Este artigo se concentra na função dos microcontroladores (MCUs) na automação industrial, examinando especificamente como eles fornecem interfaces do mundo-real para sensores e atuadores. Ele discute a integração de núcleos de alto-desempenho, como o Cortex™-M3 da ARM®, com periféricos de precisão e especializados, como as séries ADuCM360 e EMF32 da Analog Devices. Ele também examina protocolos relativamente novos para esse domínio de aplicação, referenciando especificamente MCUs de baixo custo, incluindo as séries XC800 e XC16x da Infineon e MSP430F2274 da Texas Instruments, bem como transceptores dedicados como o MAX14821 da Maxim.
Os microcontroladores integram capacidades crescentes de sinais-híbridos e poder de processamento, mas outros desenvolvimentos estão ampliando o ciclo de vida de microcontroladores-de baixo custo.
Por definição, os microcontroladores (MCUs) são redundantes, carecendo de interfaces diretas com o “mundo real”. Eles são projetados para servir como hubs centrais para entradas e saídas, executando respostas condicionais e gerenciando processos sequenciais e paralelos. A sua função é definida pelo controlo e a sua natureza programável significa que este controlo é gerido pela lógica. No entanto, eles são fundamentalmente projetados como interfaces para o mundo analógico, portanto, dependem fortemente da conversão analógica-para{4}}digital. Normalmente, é a representação digital de um parâmetro analógico,-geralmente de algum tipo de sensor-que orienta o processo de controle, um fato não mais evidente do que em aplicações de automação.
Desempenho preciso
As pressões comerciais exigem que os processos de conversão de dados essenciais para sua operação sejam gerenciados de maneira-econômica no-chip, gerando níveis mais altos de integração de-sinais mistos. Além disso, o aumento da integração traz maiores encargos de processamento para o núcleo.
Seu baixo custo e flexibilidade significam que os MCUs são frequentemente empregados livremente, mas os fabricantes de todos os setores agora se esforçam para consolidar a funcionalidade por motivos de custo, complexidade ou segurança; onde dezenas de MCUs poderiam ter sido usados, agora apenas um pode ser suficiente.
Portanto, não é surpreendente que dispositivos simples de 4- bits tenham evoluído para mecanismos de processamento altamente complexos de 32 bits, com a série ARM Cortex-M se tornando a principal escolha de muitos fornecedores.
Combinar núcleos de processamento de alto-desempenho com conversão analógica precisa e estável não é uma tarefa simples. O CMOS é excelente em alta-velocidade digital, mas instanciar periféricos analógicos sensíveis pode ser um desafio. Uma empresa com profundo conhecimento neste domínio é a Analog Devices, Inc. Sua série ADuCM de sistemas de aquisição de dados totalmente integrados é projetada para conexão direta a sensores analógicos de precisão. Essa abordagem não apenas minimiza a contagem de componentes, mas também preserva a precisão, eliminando estágios analógicos e/ou digitais.
Por exemplo, o conversor implementado no ADuCM360 baseado em ARM Cortex-M3-é um Sigma Delta ADC de 24 bits, que faz parte do subsistema analógico do dispositivo. Isto inclui uma fonte de excitação de corrente programável e um gerador de tensão de polarização, mas, mais importante, filtros internos - um para medições de precisão e outro para medições rápidas, adequados para detectar grandes variações no sinal da fonte.
Sensor de sono profundo
Os fabricantes de MCU reconhecem o papel crítico que os sensores desempenham na automação e começaram a desenvolver front-ends analógicos otimizados com interfaces dedicadas para sensores indutivos, capacitivos e resistivos.
Alguns desses front-ends foram projetados para operar de forma autônoma, como a interface LESENSE (Low Energy Sensor) na série MCU de consumo ultra-baixo-de consumo de energia da Energy Micro. Ele incorpora um comparador analógico, um DAC (conversor digital-para{4}}analógico) e um sequenciador-de baixa potência, permitindo que ele seja configurado pelo núcleo do MCU e depois opere enquanto o resto do dispositivo permanece em modo de hibernação profunda.
O sequenciador opera a partir de um clock de 32 kHz e controla a atividade, enquanto a saída do comparador pode ser configurada para gerar uma interrupção para despertar a CPU. O DAC pode ser selecionado como referência comparadora ou fonte de drive. A tecnologia LESENSE também incorpora um decodificador configurável que pode ser configurado para gerar interrupções somente quando múltiplas condições de sensor forem atendidas simultaneamente. A Digi-Key oferece o kit inicial EFM32 Tiny Gecko da Energy Micro, que inclui uma demonstração LESENSE. A série de MCUs Tiny Gecko da Energy Micro, baseada no ARM Cortex-M3 e operando em frequências de até 32 MHz, tem como alvo aplicações de automação industrial, como temperatura, vibração, pressão e detecção de movimento.
Figura 1: A interface de sensor de baixa{1}}potência da Energy Micro, LESENSE, fornece conectividade de sensor flexível para sistemas de automação e controle industrial.
Link de-IO
A introdução de uma nova e poderosa interface de sensor e atuador está ajudando muitos fabricantes a prolongar a vida útil de dispositivos de 8-bits e 16 bits em automação industrial. O protocolo por trás dessa interface é chamado IO-Link e ganhou o apoio de vários líderes em automação industrial, principalmente fornecedores de MCU.
O IO{0}}Link utiliza um cabo não blindado de 3-fios com comprimento máximo de 20 metros, tornando-o adequado para modernização de sensores e atuadores inteligentes em instalações existentes. Requer “inteligência” em cada extremidade, normalmente implementada em um MCU. No entanto, devido à relativa simplicidade do protocolo, ele pode ser acomodado em MCUs de 8 bits de baixo-custo, exatamente o que muitos fabricantes estão desenvolvendo atualmente.
O protocolo (também conhecido como SDCI, que significa Single-Point Digital Communication Interface, e padronizado pela IEC 61131-9) foi desenvolvido como uma solução de comunicação peer-a-ponto que pode ser facilmente incorporada em sensores e atuadores, garantindo-lhes um grau de "inteligência". Portanto, não se pretende substituir as camadas de comunicação existentes, como fieldbus, Profinet ou HART, mas sim trabalhar junto com elas, facilitando a interface de MCUs de baixo-custo com sensores e atuadores de alta precisão.
O consórcio por trás do IO{0}}Link acredita que pode reduzir significativamente a complexidade do sistema e, ao mesmo tempo, introduzir recursos úteis, como diagnóstico-em tempo real por meio do monitoramento de parâmetros. Quando integrados em topologias de fieldbus através de gateways (também implementados por MCUs ou PLCs), sistemas complexos podem ser monitorados e gerenciados centralmente a partir da sala de controle. Os sensores podem ser configurados remotamente, em parte porque os sensores compatíveis com IO{4}}Link-sabem mais sobre si mesmos do que os sensores "convencionais".
Primeiro, sua identidade (e do fabricante) é incorporada ao sensor em formato XML, disponível mediante solicitação. Isso permite que o sistema reconheça imediatamente o sensor e compreenda suas capacidades. Mais importante ainda, o IO{2}}Link permite que sensores (e atuadores) forneçam fluxos de dados contínuos e em{3}}tempo real ao controlador. Na verdade, o IO-Link facilita três tipos de troca de dados: dados de processo, dados de serviço e eventos. Os dados do processo são transmitidos ciclicamente, enquanto os dados do serviço são trocados de forma não{7}}cíclica e sempre mediante solicitação do mestre do link IO-. Os dados de serviço podem ser usados para ler e gravar dados de parâmetros no/do dispositivo.
O IO{0}}Link fornece uma maneira mais simples para MCUs interagirem com sensores inteligentes, permitindo que engenheiros de sistemas desenvolvam soluções de automação industrial mais inteligentes.
Vários fornecedores de MCU aderiram ao IO{0}}Link Consortium, que recentemente se tornou um Comitê Técnico (TC6) dentro da PI (PROFIBUS e PROFINET International). Fundamentalmente, o IO{3}}Link fornece aos controladores-incluindo MCUs e PLCs-um método padronizado para identificar, controlar e se comunicar de maneira geral com sensores e atuadores que adotam esse protocolo. A lista de fabricantes que oferecem dispositivos compatíveis está crescendo, juntamente com o crescente suporte dos fabricantes de MCU.
O suporte vem em parte de especialistas como a empresa de design alemã Mesco Engineering, que está colaborando com vários fabricantes de semicondutores para desenvolver soluções IO{0}}Link. Sua lista de parceiros inclui Infineon, STMicroelectronics, Atmel e Texas Instruments. Por exemplo, a Infineon portou a pilha IO{3}}Link da Mesco para seu XC800, um MCU de 8 bits compatível com 8051-que fornece inteligência na extremidade do dispositivo (sensor/atuador) do link. A Infineon também está habilitando suporte IO-Link para seus dispositivos de 16 bits, incluindo a série XE16x.
A pilha da Mesco também foi portada para a-série MSP430{2}}de baixo consumo de energia da Texas Instruments, outro MCU de 16 bits baseado em um núcleo proprietário. Especificamente, ele tem como alvo o MSP430F2274.
Os fabricantes também estão desenvolvendo uma linha de transceptores IO{0}}Link discretos, como o MAX14821 da Maxim. Este transceptor é direcionado a dispositivos IO{2}}Link e sensores/atuadores binários de 24 V, servindo como interface da camada física para um MCU executando o protocolo da camada de enlace de dados (Figura 3). Dois reguladores lineares internos geram os requisitos comuns de energia do sensor e do atuador em 5 V e 3,3 V, e o dispositivo é configurado e monitorado por meio de uma interface SPI. Ele também possui uma interface transceptora IO capaz de operar em tensões de até 36 V.
Figura: O transceptor IO{0}}Link da Maxim fornece uma interface de camada física para MCUs que executam protocolos de camada de enlace de dados.
À medida que o IO{0}}Link alcança níveis mais altos de penetração, parece que mais fabricantes estão integrando essas interfaces físicas com outros periféricos dedicados em MCUs para aplicações de automação industrial.
A automação industrial sempre contou com a integração de medição e controle. Apesar da crescente introdução de redes nos últimos anos, a interface entre os domínios digital e analógico permaneceu relativamente inalterada. No entanto, com a introdução do IO{2}}Link, estão sendo desenvolvidos sensores e atuadores que podem se conectar a MCUs de maneiras mais sofisticadas. As conexões ponto{4}}a{5}}ponto não apenas fornecem um método mais simples para a interface de elementos de controle, mas também oferecem uma maneira eficaz de estender os recursos de MCUs-de baixo custo.