यह पेपर औद्योगिक स्वचालन में माइक्रोकंट्रोलर्स (एमसीयू) की भूमिका पर ध्यान केंद्रित करता है, विशेष रूप से जांच करता है कि वे सेंसर और एक्चुएटर्स के लिए वास्तविक विश्व इंटरफेस कैसे प्रदान करते हैं। यह एनालॉग डिवाइसेस ADuCM360 और EMF32 श्रृंखला जैसे सटीक और विशेष परिधीय उपकरणों के साथ ARM® के Cortex™-M3 जैसे उच्च प्रदर्शन वाले कोर के एकीकरण पर चर्चा करता है। यह इस एप्लिकेशन डोमेन के लिए अपेक्षाकृत नए प्रोटोकॉल की भी जांच करता है, विशेष रूप से इन्फिनॉन की XC800 और XC16x श्रृंखला और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स के एमएसपी 430F2274, साथ ही मैक्सिम के MAX14821 जैसे समर्पित ट्रांसीवर सहित कम अंत वाले MCU को संदर्भित करता है।
माइक्रोकंट्रोलर बढ़ती हाइब्रिड सिग्नल क्षमताओं और प्रसंस्करण शक्ति को एकीकृत करते हैं, फिर भी अन्य विकास कम अंत वाले माइक्रोकंट्रोलर के जीवनचक्र का विस्तार कर रहे हैं।
परिभाषा के अनुसार, माइक्रोकंट्रोलर (एमसीयू) निरर्थक हैं, जिनमें "वास्तविक दुनिया" से सीधे इंटरफेस का अभाव है। इन्हें इनपुट और आउटपुट के लिए केंद्रीय केंद्र के रूप में काम करने, सशर्त प्रतिक्रियाओं को निष्पादित करने और अनुक्रमिक और समानांतर प्रक्रियाओं को प्रबंधित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उनकी भूमिका नियंत्रण द्वारा परिभाषित की जाती है, और उनकी प्रोग्रामयोग्य प्रकृति का अर्थ है कि यह नियंत्रण तर्क द्वारा प्रबंधित किया जाता है। हालाँकि, वे मूल रूप से एनालॉग दुनिया के इंटरफेस के रूप में डिज़ाइन किए गए हैं, इस प्रकार एनालॉग से - डिजिटल रूपांतरण पर बहुत अधिक निर्भर हैं। आमतौर पर, यह किसी एनालॉग पैरामीटर का डिजिटल प्रतिनिधित्व होता है, जो अक्सर सेंसर के किसी रूप से होता है, जो नियंत्रण प्रक्रिया को संचालित करता है, यह तथ्य स्वचालन अनुप्रयोगों से अधिक स्पष्ट नहीं है।
सटीक प्रदर्शन
वाणिज्यिक दबावों की मांग है कि उनके संचालन के लिए महत्वपूर्ण डेटा रूपांतरण प्रक्रियाओं को चिप पर लागत प्रभावी ढंग से प्रबंधित किया जाए, जिससे मिश्रित सिग्नल एकीकरण के उच्च स्तर प्राप्त हों। इसके अलावा, बढ़ा हुआ एकीकरण कोर पर अधिक प्रसंस्करण बोझ लाता है।
उनकी कम लागत और लचीलेपन का मतलब है कि एमसीयू अक्सर स्वतंत्र रूप से नियोजित होते हैं, लेकिन उद्योगों में निर्माता अब लागत, जटिलता या सुरक्षा कारणों से कार्यक्षमता को मजबूत करने का प्रयास करते हैं; जहां कभी दर्जनों एमसीयू का उपयोग किया गया होगा, अब केवल एक ही पर्याप्त हो सकता है।
इस प्रकार, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि सरल 4{2}}बिट डिवाइस अत्यधिक जटिल 32-बिट प्रोसेसिंग इंजन में विकसित हो गए हैं, एआरएम कॉर्टेक्स-एम श्रृंखला कई आपूर्तिकर्ताओं के लिए मुख्य पसंद बन गई है।
सटीक, स्थिर एनालॉग रूपांतरण के साथ उच्च प्रदर्शन प्रसंस्करण कोर का सम्मिश्रण कोई सरल कार्य नहीं है। सीएमओएस उच्च गति डिजिटल में उत्कृष्टता प्राप्त करता है, लेकिन संवेदनशील एनालॉग बाह्य उपकरणों को त्वरित करना चुनौतीपूर्ण हो सकता है। इस क्षेत्र में गहरी विशेषज्ञता वाली एक कंपनी एनालॉग डिवाइसेस, इंक. है। इसकी पूरी तरह से एकीकृत डेटा अधिग्रहण प्रणालियों की एडीयूसीएम श्रृंखला सटीक एनालॉग सेंसर से सीधे कनेक्शन के लिए डिज़ाइन की गई है। यह दृष्टिकोण न केवल घटकों की संख्या को कम करता है बल्कि एनालॉग और/या डिजिटल चरणों को समाप्त करके सटीकता को भी बरकरार रखता है।
उदाहरण के लिए, ARM Cortex{{0}M3- आधारित ADuCM360 पर कार्यान्वित कनवर्टर एक 24-बिट सिग्मा डेल्टा ADC है, जो डिवाइस के एनालॉग सबसिस्टम का हिस्सा बनता है। इसमें एक प्रोग्राम योग्य वर्तमान उत्तेजना स्रोत और एक पूर्वाग्रह वोल्टेज जनरेटर शामिल है, लेकिन अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि आंतरिक फिल्टर - एक सटीक माप के लिए और दूसरा स्रोत सिग्नल में बड़े बदलावों का पता लगाने के लिए उपयुक्त तेज़ माप के लिए।
गहरी नींद की अनुभूति
एमसीयू निर्माता स्वचालन में सेंसर की महत्वपूर्ण भूमिका को पहचानते हैं और उन्होंने इंडक्टिव, कैपेसिटिव और प्रतिरोधक सेंसर के लिए समर्पित इंटरफेस के साथ अनुकूलित एनालॉग फ्रंट एंड विकसित करना शुरू कर दिया है।
इनमें से कुछ फ्रंट सिरों को स्वायत्त रूप से संचालित करने के लिए भी डिज़ाइन किया गया है, जैसे कि एनर्जी माइक्रो की अल्ट्रा{0}लो-पावर एमसीयू श्रृंखला में LESENSE (लो एनर्जी सेंसर) इंटरफ़ेस। इसमें एक एनालॉग तुलनित्र, एक डीएसी (डिजिटल {{3} से {{4} एनालॉग कनवर्टर), और एक कम {{5} पावर सीक्वेंसर शामिल है, जो इसे एमसीयू के कोर द्वारा कॉन्फ़िगर करने और फिर संचालित करने की अनुमति देता है जबकि बाकी डिवाइस डीप स्लीप मोड में रहता है।
सीक्वेंसर 32 किलोहर्ट्ज़ घड़ी से संचालित होता है और गतिविधि को नियंत्रित करता है, जबकि तुलनित्र आउटपुट को सीपीयू को जगाने के लिए एक व्यवधान उत्पन्न करने के लिए कॉन्फ़िगर किया जा सकता है। DAC को तुलनित्र संदर्भ या ड्राइव स्रोत के रूप में चुना जा सकता है। LESENSE तकनीक में एक कॉन्फ़िगर करने योग्य डिकोडर भी शामिल है जिसे केवल तभी इंटरप्ट उत्पन्न करने के लिए सेट किया जा सकता है जब कई सेंसर स्थितियां एक साथ पूरी होती हैं। Digi-Key एनर्जी माइक्रो की EFM32 टाइनी गेको स्टार्टर किट प्रदान करता है, जिसमें LESENSE प्रदर्शन शामिल है। एनर्जी माइक्रो की एमसीयू की टिनी गेको श्रृंखला, एआरएम कॉर्टेक्स -एम3 पर आधारित है और 32 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर संचालित होती है, जो तापमान, कंपन, दबाव और गति संवेदन जैसे औद्योगिक स्वचालन अनुप्रयोगों को लक्षित करती है।
चित्र 1: एनर्जी माइक्रो का निम्न पावर सेंसर इंटरफ़ेस, LESENSE, औद्योगिक नियंत्रण और स्वचालन प्रणालियों के लिए लचीली सेंसर कनेक्टिविटी प्रदान करता है।
आईओ-लिंक
एक शक्तिशाली नए सेंसर और एक्चुएटर इंटरफ़ेस की शुरूआत से कई निर्माताओं को औद्योगिक स्वचालन में 8{3}}बिट और 16-बिट उपकरणों का जीवनकाल बढ़ाने में मदद मिल रही है। इस इंटरफ़ेस के पीछे के प्रोटोकॉल को आईओ-लिंक कहा जाता है और इसे औद्योगिक स्वचालन में कई नेताओं, विशेष रूप से एमसीयू आपूर्तिकर्ताओं से समर्थन प्राप्त हुआ है।
IO-लिंक 20 मीटर की अधिकतम लंबाई के साथ 3{5}} तार रहित केबल का उपयोग करता है, जो इसे मौजूदा इंस्टॉलेशन में स्मार्ट सेंसर और एक्चुएटर्स को रेट्रोफिटिंग के लिए उपयुक्त बनाता है। इसके प्रत्येक छोर पर "खुफिया" की आवश्यकता होती है, जिसे आमतौर पर एमसीयू में लागू किया जाता है। हालाँकि, प्रोटोकॉल की सापेक्ष सादगी के कारण, इसे कम लागत वाले 8-बिट एमसीयू में समायोजित किया जा सकता है - ठीक वही जो कई निर्माता अब विकसित कर रहे हैं।
प्रोटोकॉल (एसडीसीआई के रूप में भी जाना जाता है, जो एकल {{0} प्वाइंट डिजिटल संचार इंटरफ़ेस के लिए खड़ा है, और आईईसी 61131 - 9 के तहत मानकीकृत है) को एक सहकर्मी {{3} से - सहकर्मी संचार समाधान के रूप में विकसित किया गया था जिसे सेंसर और एक्चुएटर्स के भीतर आसानी से एम्बेड किया जा सकता है, जिससे उन्हें "बुद्धिमत्ता" की डिग्री मिलती है। इसलिए, इसका उद्देश्य मौजूदा संचार परतों जैसे फील्डबस, प्रोफिनेट, या एचएआरटी को प्रतिस्थापित करना नहीं है, बल्कि कम लागत वाले एमसीयू के लिए उच्च-परिशुद्धता सेंसर और एक्चुएटर्स के साथ इंटरफेस करना आसान बनाकर उनके साथ काम करना है।
IO -लिंक के पीछे के कंसोर्टियम का मानना है कि यह पैरामीटर मॉनिटरिंग के माध्यम से वास्तविक समय डायग्नोस्टिक्स जैसी उपयोगी सुविधाओं को पेश करते हुए सिस्टम जटिलता को काफी कम कर सकता है। जब गेटवे (एमसीयू या पीएलसी द्वारा भी कार्यान्वित) के माध्यम से फील्डबस टोपोलॉजी में एकीकृत किया जाता है, तो जटिल प्रणालियों की केंद्रीय निगरानी की जा सकती है और नियंत्रण कक्ष से प्रबंधित किया जा सकता है। सेंसर को दूरस्थ रूप से कॉन्फ़िगर किया जा सकता है, आंशिक रूप से क्योंकि IO -लिंक {{5}अनुपालक सेंसर "पारंपरिक" सेंसर की तुलना में अपने बारे में अधिक जानते हैं।
सबसे पहले, उनकी पहचान (और निर्माता की) XML प्रारूप में सेंसर के भीतर एम्बेडेड है, जो अनुरोध पर उपलब्ध है। यह सिस्टम को सेंसर को तुरंत पहचानने और उसकी क्षमताओं को समझने की अनुमति देता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि, IO {{2}लिंक सेंसर (और एक्चुएटर्स) को नियंत्रक को निरंतर, वास्तविक समय डेटा स्ट्रीम प्रदान करने में सक्षम बनाता है। वास्तव में, IO-लिंक तीन प्रकार के डेटा विनिमय की सुविधा प्रदान करता है: प्रक्रिया डेटा, सेवा डेटा और ईवेंट। प्रक्रिया डेटा का आदान-प्रदान चक्रीय रूप से किया जाता है, जबकि सेवा डेटा का आदान-प्रदान गैर-चक्रीय रूप से और हमेशा आईओ -लिंक मास्टर के अनुरोध पर किया जाता है। सेवा डेटा का उपयोग डिवाइस से पैरामीटर डेटा को पढ़ने और लिखने के लिए किया जा सकता है।
IO-लिंक MCUs को स्मार्ट सेंसर के साथ इंटरफेस करने का एक आसान तरीका प्रदान करता है, जिससे सिस्टम इंजीनियरों को अधिक बुद्धिमान औद्योगिक स्वचालन समाधान विकसित करने में मदद मिलती है।
कई एमसीयू आपूर्तिकर्ता आईओ - लिंक कंसोर्टियम में शामिल हो गए हैं, जो हाल ही में पीआई (प्रोफिबस और प्रोफिनेट इंटरनेशनल) के भीतर एक तकनीकी समिति (टीसी 6) बन गया है। मूल रूप से, IO {{3}लिंक एमसीयू और पीएलसी सहित नियंत्रकों को {{4}पहचानने, नियंत्रित करने और आम तौर पर इस प्रोटोकॉल को अपनाने वाले सेंसर और एक्चुएटर्स के साथ संचार करने के लिए एक मानकीकृत विधि प्रदान करता है। एमसीयू निर्माताओं से समर्थन बढ़ने के साथ-साथ संगत डिवाइस पेश करने वाले निर्माताओं की सूची भी बढ़ रही है।
सहायता आंशिक रूप से जर्मन डिज़ाइन हाउस मेस्को इंजीनियरिंग जैसे विशेषज्ञों से मिलती है, जो IO{0}}लिंक समाधान विकसित करने के लिए कई सेमीकंडक्टर निर्माताओं के साथ सहयोग कर रहा है। इसके पार्टनर रोस्टर में इन्फिनियन, एसटीएमइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, एटमेल और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स शामिल हैं। उदाहरण के लिए, Infineon ने मेस्को के IO {{3} लिंक स्टैक को अपने XC800, एक 8051 - संगत 8-बिट MCU में पोर्ट किया है जो लिंक के डिवाइस (सेंसर/एक्चुएटर) छोर पर खुफिया जानकारी प्रदान करता है। Infineon XE16x श्रृंखला सहित अपने 16-बिट उपकरणों के लिए IO-Link समर्थन भी सक्षम कर रहा है।
मेस्को के स्टैक को मालिकाना कोर पर आधारित एक अन्य 16-बिट एमसीयू में टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स की कम-शक्ति वाली एमएसपी430 श्रृंखला में भी पोर्ट किया गया है। विशेष रूप से, यह एमएसपी430एफ2274 को लक्षित करता है।
निर्माता मैक्सिम के MAX14821 जैसे अलग-अलग IO लिंक ट्रांससीवर्स की एक श्रृंखला भी विकसित कर रहे हैं। यह ट्रांसीवर IO-लिंक डिवाइस और 24 V बाइनरी सेंसर/एक्चुएटर्स को लक्षित करता है, जो डेटा लिंक लेयर प्रोटोकॉल (चित्र 3) चलाने वाले MCU के लिए भौतिक परत इंटरफ़ेस के रूप में कार्य करता है। दो आंतरिक रैखिक नियामक 5 वी और 3.3 वी पर सामान्य सेंसर और एक्चुएटर पावर आवश्यकताओं को उत्पन्न करते हैं, और डिवाइस को एसपीआई इंटरफ़ेस के माध्यम से कॉन्फ़िगर और मॉनिटर किया जाता है। इसमें एक आईओ ट्रांसीवर इंटरफ़ेस भी है जो 36 वी तक के वोल्टेज पर काम करने में सक्षम है।
चित्र: मैक्सिम का IO-लिंक ट्रांसीवर डेटा लिंक लेयर प्रोटोकॉल चलाने वाले MCU के लिए एक भौतिक परत इंटरफ़ेस प्रदान करता है।
जैसा कि IO - लिंक ने उच्च स्तर की पैठ हासिल की है, ऐसा प्रतीत होता है कि अधिक निर्माता औद्योगिक स्वचालन अनुप्रयोगों के लिए MCU पर अन्य समर्पित बाह्य उपकरणों के साथ इन भौतिक इंटरफेस को एकीकृत कर रहे हैं।
औद्योगिक स्वचालन हमेशा माप और नियंत्रण के एकीकरण पर निर्भर रहा है। हाल के वर्षों में नेटवर्किंग के बढ़ते परिचय के बावजूद, डिजिटल और एनालॉग डोमेन के बीच इंटरफ़ेस अपेक्षाकृत अपरिवर्तित बना हुआ है। हालाँकि, IO - लिंक की शुरुआत के साथ, सेंसर और एक्चुएटर अब विकसित किए जा रहे हैं जो अधिक परिष्कृत तरीकों से MCU से जुड़ सकते हैं। प्वाइंट{4}}से-प्वाइंट कनेक्शन न केवल नियंत्रण तत्वों को इंटरफेस करने के लिए एक सरल तरीका प्रदान करते हैं, बल्कि कम अंत वाले एमसीयू की क्षमताओं को बढ़ाने का एक प्रभावी तरीका भी प्रदान करते हैं।