Промышленное применение микроконтроллеров очень широко. Они включают в себя автоматизацию принятия решений, управление двигателями, создание человек-машинных интерфейсов (HMI), датчики и программируемый логический контроль. Все чаще проектировщики внедряют микроконтроллеры в ранее «неразумные системы», а также быстрое распространение промышленных IoT (интернет вещей) значительно ускоряет процессы внедрения микроконтроллеров. Тем не менее, промышленное применение требует более низкого потребления электрической энергии и более рационального ее использования.
Поэтому производители микроконтроллеров внедряют свои изделия в промышленный и смежные рынки, предлагая при этом высокую производительность и гибкость, но с минимальным потреблением электроэнергии.
Содержание:
- Требования к промышленным микроконтроллерам
- Малое потребление мощности
- Возможность сохранения данных
- Множественные коммуникационные возможности
- Безопасность
- Масштабируемый набор основных опций
- Гибкий набор периферийных устройств
- Мощные инструменты для разработки
- Семейство маломощных промышленных микроконтроллеров MSP43x
- Пример сверхнизкого энергопотребления: девятиосные датчики объединенные с помощью MSP430F5528
- Пример высокоэффективного приложения: BPSK модем использующий MSP432P401R
- Выводы
Требования к промышленным микроконтроллерам
Как правило, промышленная среда предъявляет повышенные требования к электрооборудованию из-за более жестких условий эксплуатации, таких как возможные электрические помехи и большие скачки токов и напряжений, вызванные работой мощных электродвигателей, компрессоров, сварочного оборудования и других машин. Также могут возникать электростатические и электромагнитные помехи (EMI) и многие другие.
Низкое напряжение питания и геометрические процессы 130 нм (плотность размещения элементов. Достигнут в 2000-2001 годах ведущими компаниями по производству микросхем) или менее, не позволяет обрабатывать перечисленные выше опасности. Для устранения возможных аварийных ситуаций используют специальные внешние схемы защиты, специальные платы, которые располагаются между силовой частью и «землей». Если производители микроконтроллеров хотят покорять современный мировой рынок, им необходимо придерживаться нескольких требований, которые мы рассмотрим ниже.
Малое потребление мощности
Современные системы управления и контроля становятся все более сложными, что повышает требования к осуществлению обработки в отдельных удаленных блоках датчиков. Нужно ли эти данные обрабатывать локально или использовать постоянно растущее количество цифровых протоколов связи? Большинство современных разработчиков включают микроконтроллер в состав датчика измерения, что бы добавить ему дополнительные функции. Современные системы включают в себя мониторы состояния электродвигателей, функции дистанционного измерения жидкостей и газов, управления регулирующими клапанами и так далее.
Многие промышленные узлы датчиков значительно удалены от источников питания, где большой недостаток – это падение напряжения на линии от источника к датчику. Некоторые датчики используют токовую петлю, где потери меньше. Но независимо от типа питания низкое потребление микроконтроллера является обязательным.
Также существуют и системы с питанием от батарей – системы автоматизации зданий, датчики пожарной сигнализации, детекторы движения, электронные замки и термостаты. Также существует множество медицинских устройств, такие как измерители глюкозы в крови, мониторы сердечного ритма и другое оборудование.
Технологии современных электрических батарей не успевают за постоянно разрастающимися возможностями смарт систем, что повышает необходимость свода к минимуму потребление энергии элементами системы. Микроконтроллер должен потреблять в рабочем режиме минимум электроэнергии и иметь возможность перехода в режим «сна» с минимальным потреблением энергии, а также «просыпаться» по заданному условию (внутренний таймер или внешнее прерывание).
Возможность сохранения данных
Важное примечание о работе батарей: любая батарея рано или поздно разряжается и не может поддерживать отдаваемую мощность на необходимом уровне. Да, если ваш мобильный телефон выключится посреди разговора, это вызовет раздражение, а вот если отключится медицинский аппарат в процессе операции или система сложного производственного цикла – это может привести к очень трагичным последствиям. При питании от сети напряжение может пропасть вследствие большой перегрузки или аварии на линии.
В таких ситуациях очень важно, чтоб микроконтроллер смог просчитать ситуацию отключения и сохранить все важные рабочие данные. Было бы очень хорошо, если бы устройство могло сохранять состояния центрального процессора ЦПУ, счетчика программы, часы, регистры, состояние входов/выходов и так далее, чтобы после повторной работы устройство смогло возобновить свою работу без «холодного» запуска.
Множественные коммуникационные возможности
Когда речь о связи, то в промышленных применениях управляют гаммой. При этом в проводной связи существуют практически все виды, начиная от классической токовой петли 4 – 20 мА и RC-232 и заканчивая Ethernet, USB, LVDS, CAN и многими другими видами протоколов обмена. По мере набора IoT популярности начали появляться беспроводные протоколы связи и смешанные протоколы, например, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee. Говоря простым языком – вероятность того что данная отрасль осядет на каком-то одном протоколе обмена данными равна нулю, поэтому современные микроконтроллеры должны вмещать в себе целый ряд вариантов связи.
Безопасность
Последняя версия интернет протокола IPv6 имеет 128-битное адресное поле, которое предает ему теоретический максимум в 3,4х1038 адресов. Это больше чем песчинок в мире! С таким огромнейшим количеством устройств, потенциально открытых для внешнего мира, становится актуальным вопрос безопасности. Многие существующие решения основаны на использовании открытого программного обеспечения, такого как OpenSSL, однако результаты данного использования далеко не лучшие.
Несколько ужасных историй все же имели место. В 2015 году исследователи вооружившись ноутбуком и мобильным телефоном взломали Jeep Cherokee с помощью беспроводного интернет подключения. Им даже удалось отключить тормоза! Естественно этот недостаток был устранен разработчиками, однако опасность остается. Возможность взлома современных систем подключенных к сети Интернет держит экспертов IoT в напряжении, ведь если смогли взломать автомобиль, то могут взломать и систему целого завода или фабрики, а это уже куда опасней. Помните Stuxnet?
Ключевым требованием к современным промышленным микроконтроллерам являются надежные программные и аппаратные функции безопасности, такие как шифрование AES.
Масштабируемый набор основных опций
Продукт, который пытается удовлетворить всех пользователей, в итоге не удовлетворит никого.
Некоторые промышленные приложения приоритетом для себя ставят низкое энергопотребление. Например, беспроводная система мониторинга для регистрации температуры в системе заморозки продуктов, или система накладного датчика для собирания физиологических данных. Данная система проводит большую часть своего рабочего времени в спящем режиме и периодически «просыпается» для выполнения нескольких простых задач.
Крупномасштабный промышленный проект будет сочетать микроконтроллеры с различными комбинациями производительности и потребляемыми мощностями. Чтобы ускорить обработку и ускорить время выхода на рынок, он должен легко портировать код приложения между ядрами, в зависимости от функциональных задач.
Гибкий набор периферийных устройств
Учитывая огромнейшие объемы промышленного контроля, обработки и измерения, любое промышленное семейство микроконтроллеров должно обладать минимальным набором периферийных устройств. Некоторые из «минимального набора»:
- Среднее разрешение (10-, 12-, 14-бит) аналогово-цифровых преобразователей АЦП работающих со скоростью до 1МВыборок/с;
- Аналого-цифровые преобразователи АЦП (24-разрядная версия) с высоким разрешением для более низких скоростей высокоточных приложений;
- Цифро-аналоговые преобразователи ЦАП;
- Несколько вариантов последовательной связи, особенно I2C, SPI и UART, но желательно и USB;
- Функции безопасности: защита IP, аппаратный ускоритель Advanced Encryption Standard (AES);
- Встроенные LDO и DC-DC преобразователи;
- Специализированные периферийные устройства для выполнения общих задач, например, модуль сенсорного емкостного выключателя, драйвер ЖК панели, усилитель трансимпедансный и так далее.
Мощные инструменты для разработки
Новые проекты становятся все более сложными и требуют улучшения и ускорения процессов разработки. Для того, чтобы не отставать от современных тенденций, любое семейство промышленных микроконтроллеров должно обладать полной поддержкой на всех этапах разработки и эксплуатации, которая включает в себя программное обеспечение, средства и инструменты для разработки.
Экосистема программного обеспечения должна включать в себя GUI IDE, операционную систему реального времени (RTOS), отладчик, примеры написания кода, инструменты генерации кода, периферийные настройки, библиотеки дайверов и API. Также должна быть поддержка процесса проектирования, желательно с онлайн доступом к заводским экспертам, а также к онлайн чату пользователей, где возможен обмен советами и рекомендациями.
Семейство маломощных промышленных микроконтроллеров MSP43x
Некоторые производители разработали решения для удовлетворения спроса растущего рынка. Одним из ярких примеров таких производителей является Texas Instruments с его семейством MSP43x, которое предлагает отличное сочетание высокой производительности и низкого энергопотребления.
Более 500 устройств входит в линейку MSP43x, включая даже MSP430 с сверхнизким уровнем энергопотребления, основанного на 16-битном RISC ядре и MSP432, способного сочетать в себе высокий уровень производительности со сверхнизким энергопотреблением. Эти устройства имеют 32-битное ARM Cortex-M4F ядро с плавающей запятой и с флэш-памятью до 256 Кбайт.
MSP430FRxx это семейство из 100 устройств использующих сегнетоэлектрическую память с произвольным доступом (FRAM) для уникальных возможностей производительности. FRAM, известная также как FeRAM или F-RAM, сочетает в себе функции флэш и SRAM технологий. Она энергонезависима с быстрой записью и низким энергопотреблением, выносливость записи 1015 циклов, улучшенный код и безопасность данных сравнительно с флэш или EEPROM, а также повышенную устойчивость к радиации и электромагнитным излучениям.
Семейство MSP43x поддерживает множество промышленных и других приложений с низким энергопотреблением, включая сетевую инфраструктуру, процессы контроля, тестирование и измерение, применение в системах домашней автоматизации, медицинском и фитнесс оборудовании, персональных электронных устройствах, а также во многих других.
Пример сверхнизкого энергопотребления: девятиосные датчики объединенные с помощью MSP430F5528
При исследовании и измерении в приложениях все большее количество датчиков «сливаются» в единую систему и используют общее программное и аппаратное обеспечение для объединения данных с нескольких устройств. Сливание данных корректирует отдельные недостатки датчиков и повышает производительность при определении положения или ориентации в пространстве.
Схема выше показывает блок-схему курсовертикали (AHRS) которая использует MSP430F5528 с низким энергопотреблением, а также магнитометр, гироскоп и акселерометр по всем трем осям. MSP430F5528 оптимизирует и расширяет жизненный цикл батареи портативного измеряющего устройства, содержащего 16-битное RISC ядро, аппаратный умножитель, 12-битный АЦП и несколько последовательных модулей включающих USB.
Программное обеспечение использует алгоритм косинусно-матричного управления (direction-cosine-matrix (DCM)), который принимает калиброванные показания датчиков, вычисляет их ориентацию в пространстве и выводит значения в виде высоты, крена, отклонения от курса, называемые углами Эйлера.
В случае необходимости MSP430F5xx может взаимодействовать с датчиками движения через последовательный I2C протокол. Это может приносить пользу всей системе, так как основной микроконтроллер освобождается от обработки информации с датчика. Он может оставаться в режиме ожидания, снижая тем самым энергопотребление, или задействовать освободившиеся ресурсы для решения других задач, повысив, таким образом, производительность системы.
Пример высокоэффективного приложения: BPSK модем использующий MSP432P401R
Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) представляет собой цифровую схему модуляции, которая передает информацию путем изменения фазы опорного сигнала. Типичным применением будет оптическая система связи, которая использует BPSK модем для обеспечения дополнительного канала связи сигналов с низкой скоростью передачи данных.
BPSK использует два различных сигнала для представления двоичных цифровых данных в двух разных фазах модуляции. Носителем одной фазы будет бит 0, в то время как смещенная на 1800 фаза будет представлять собой бит 1. Такая передача данных показана ниже:
MSP432P401R образует основу конструкции. В дополнение к 32-разрядному ARM Cortex-M4 ядру, это устройство имеет 14-бит, 1-Mвыборок / с АЦП и CMSIS цифровой обработки сигналов (DSP) библиотеки, что позволяет ему эффективно обрабатывать сложные функции цифровой обработки сигналов.
Ниже показаны передатчик (модулятор) и приемник (демодулятор):
Реализация включает в себя BPSK модуляцию и демодуляцию, прямую коррекцию ошибок, коррекцию ошибок для улучшения BER и цифровое формирование сигнала. BPSK включает необязательную конечно-импульсную характеристику (FIR) фильтра нижних частот для улучшения отношения сигнал-шум (SNR) до демодуляции.
Характеристики модулятора BPSK:
- несущая частота 125 кГц;
- битовая скорость до 125 кбит/с;
- Полный пакет или кадр до 600 байт;
- x4 передискретизации носителя на 125 кГц (т.е. частота дискретизации 500 Квыборок/с)
Выводы
Микроконтроллеры для промышленного использования должны иметь сочетание высокой производительности, низкого энергопотребления, гибкого набора функций, а также мощную экосистему разработки программного обеспечения.
