Este artículo se centra en el papel de los microcontroladores (MCU) en la automatización industrial, examinando específicamente cómo proporcionan-interfaces del mundo real para sensores y actuadores. Analiza la integración de núcleos de alto-rendimiento, como Cortex™-M3 de ARM®, con periféricos especializados y de precisión como las series ADuCM360 y EMF32 de Analog Devices. También examina protocolos relativamente nuevos para este dominio de aplicación, haciendo referencia específicamente a MCU de gama baja-, incluidas las series XC800 y XC16x de Infineon y el MSP430F2274 de Texas Instruments, así como transceptores dedicados como el MAX14821 de Maxim.
Los microcontroladores integran cada vez más capacidades de señal-híbrida y potencia de procesamiento; sin embargo, otros desarrollos están ampliando el ciclo de vida de los microcontroladores-de gama baja.
Por definición, los microcontroladores (MCU) son redundantes y carecen de interfaces directas con el "mundo real". Están diseñados para servir como centros centrales de entradas y salidas, ejecutando respuestas condicionales y gestionando procesos secuenciales y paralelos. Su función está definida por el control y su naturaleza programable significa que este control está gestionado por la lógica. Sin embargo, están diseñados fundamentalmente como interfaces para el mundo analógico, por lo que dependen en gran medida de la conversión de analógico-a-digital. Normalmente, es la representación digital de un parámetro analógico-a menudo procedente de algún tipo de sensor-lo que impulsa el proceso de control, un hecho no más evidente que en las aplicaciones de automatización.
Rendimiento preciso
Las presiones comerciales exigen que los procesos de conversión de datos críticos para su operación se manejen de forma rentable-en-chips, lo que genera mayores niveles de integración de señales-mixtas. Además, una mayor integración conlleva mayores cargas de procesamiento para el núcleo.
Su bajo costo y flexibilidad significan que las MCU a menudo se emplean libremente, pero los fabricantes de todas las industrias ahora se esfuerzan por consolidar la funcionalidad por razones de costo, complejidad o seguridad; donde alguna vez se podrían haber usado docenas de MCU, ahora solo una puede ser suficiente.
Por lo tanto, no sorprende que dispositivos simples de 4-bits hayan evolucionado hasta convertirse en motores de procesamiento altamente complejos de 32 bits, y que la serie ARM Cortex-M se haya convertido en la opción principal para muchos proveedores.
Combinar núcleos de procesamiento de alto-rendimiento con una conversión analógica estable y precisa no es una tarea sencilla. CMOS sobresale en digital de alta-velocidad, pero crear instancias de periféricos analógicos sensibles puede ser un desafío. Una empresa con amplia experiencia en este campo es Analog Devices, Inc. Su serie ADuCM de sistemas de adquisición de datos totalmente integrados está diseñada para la conexión directa a sensores analógicos de precisión. Este enfoque no sólo minimiza el recuento de componentes sino que también preserva la precisión al eliminar etapas analógicas y/o digitales.
Por ejemplo, el convertidor implementado en el ADuCM360 basado en ARM Cortex-M3- es un ADC Sigma Delta de 24 bits, que forma parte del subsistema analógico del dispositivo. Esto incluye una fuente de excitación de corriente programable y un generador de voltaje de polarización, pero lo que es más importante, filtros internos, uno para mediciones de precisión y otro para mediciones rápidas adecuadas para detectar grandes variaciones en la señal fuente.
Sensor de sueño profundo
Los fabricantes de MCU reconocen el papel fundamental que desempeñan los sensores en la automatización y han comenzado a desarrollar interfaces analógicas optimizadas con interfaces dedicadas para sensores inductivos, capacitivos y resistivos.
Algunas de estas interfaces incluso están diseñadas para funcionar de forma autónoma, como la interfaz LESENSE (sensor de baja energía) en la serie de MCU de consumo ultra-bajo-de Energy Micro. Incorpora un comparador analógico, un DAC (convertidor digital-a-analógico) y un secuenciador de bajo-consumo, lo que permite que sea configurado por el núcleo de la MCU y luego funcione mientras el resto del dispositivo permanece en modo de suspensión profunda.
El secuenciador opera desde un reloj de 32 kHz y controla la actividad, mientras que la salida del comparador se puede configurar para generar una interrupción para activar la CPU. El DAC se puede seleccionar como referencia de comparador o como fuente de unidad. La tecnología LESENSE también incorpora un decodificador configurable que se puede configurar para generar interrupciones solo cuando se cumplen múltiples condiciones de sensores simultáneamente. Digi-Key ofrece el kit de inicio Tiny Gecko EFM32 de Energy Micro, que incluye una demostración de LESENSE. La serie de MCU Tiny Gecko de Energy Micro, basada en ARM Cortex-M3 y que opera en frecuencias de hasta 32 MHz, apunta a aplicaciones de automatización industrial como temperatura, vibración, presión y detección de movimiento.
Figura 1: La interfaz de sensor de baja-potencia de Energy Micro, LESENSE, proporciona conectividad de sensor flexible para sistemas de automatización y control industrial.
Enlace de E/S-
La introducción de una nueva y poderosa interfaz de sensor y actuador está ayudando a muchos fabricantes a extender la vida útil de los dispositivos de 8-bits y 16 bits en la automatización industrial. El protocolo detrás de esta interfaz se llama IO-Link y ha obtenido el apoyo de numerosos líderes en automatización industrial, en particular proveedores de MCU.
IO-Link utiliza un cable no blindado de 3-cables con una longitud máxima de 20 metros, lo que lo hace adecuado para actualizar sensores y actuadores inteligentes en instalaciones existentes. Requiere "inteligencia" en cada extremo, normalmente implementada en una MCU. Sin embargo, debido a la relativa simplicidad del protocolo, se puede incorporar en MCU de 8 bits de bajo costo-, precisamente lo que muchos fabricantes están desarrollando ahora.
El protocolo (también conocido como SDCI, que significa interfaz de comunicación digital de punto único-y estandarizado según IEC 61131-9) se desarrolló como una solución de comunicación entre pares-a-que se puede integrar fácilmente en sensores y actuadores, otorgándoles un grado de "inteligencia". Por lo tanto, no pretende reemplazar las capas de comunicación existentes como el bus de campo, Profinet o HART, sino más bien trabajar junto con ellas facilitando que las MCU de bajo-coste interactúen con sensores y actuadores de alta precisión.
El consorcio detrás de IO-Link cree que puede reducir significativamente la complejidad del sistema al tiempo que introduce funciones útiles como diagnósticos-en tiempo real a través de la supervisión de parámetros. Cuando se integran en topologías de bus de campo a través de puertas de enlace (también implementadas por MCU o PLC), los sistemas complejos se pueden monitorear y administrar de manera centralizada desde la sala de control. Los sensores se pueden configurar de forma remota, en parte porque los sensores compatibles con IO-Link-saben más sobre sí mismos que los sensores "convencionales".
En primer lugar, su identidad (y la del fabricante) está integrada en el sensor en formato XML, disponible previa solicitud. Esto permite que el sistema reconozca inmediatamente el sensor y comprenda sus capacidades. Más importante aún, IO-Link permite que los sensores (y actuadores) proporcionen flujos de datos continuos y en tiempo-real al controlador. De hecho, IO-Link facilita tres tipos de intercambio de datos: datos de proceso, datos de servicio y eventos. Los datos de proceso se transmiten cíclicamente, mientras que los datos de servicio se intercambian de forma no-cíclica y siempre a petición del maestro IO-Link. Los datos de servicio se pueden utilizar para leer y escribir datos de parámetros hacia/desde el dispositivo.
IO-Link proporciona una forma más sencilla para que las MCU interactúen con sensores inteligentes, lo que permite a los ingenieros de sistemas desarrollar soluciones de automatización industrial más inteligentes.
Numerosos proveedores de MCU se han unido al IO-Link Consortium, que recientemente se convirtió en un Comité Técnico (TC6) dentro de PI (PROFIBUS y PROFINET International). Básicamente, IO-Link proporciona a los controladores-incluidos MCU y PLC-un método estandarizado para identificar, controlar y, en general, comunicarse con sensores y actuadores que adoptan este protocolo. La lista de fabricantes que ofrecen dispositivos compatibles está creciendo, junto con el creciente soporte de los fabricantes de MCU.
El apoyo proviene en parte de especialistas como la casa de diseño alemana Mesco Engineering, que colabora con varios fabricantes de semiconductores para desarrollar soluciones IO-Link. Su lista de socios incluye Infineon, STMicroelectronics, Atmel y Texas Instruments. Por ejemplo, Infineon ha portado la pila IO-Link de Mesco a su XC800, una MCU de 8 bits compatible con 8051-que ofrece inteligencia en el extremo del enlace del dispositivo (sensor/actuador). Infineon también habilita la compatibilidad con IO-Link para sus dispositivos de 16 bits, incluida la serie XE16x.
La pila de Mesco también se ha trasladado a la -serie MSP430 de bajo consumo- de Texas Instruments, otra MCU de 16 bits basada en un núcleo propietario. Específicamente, está dirigido al MSP430F2274.
Los fabricantes también están desarrollando una gama de transceptores IO-Link discretos, como el MAX14821 de Maxim. Este transceptor apunta a dispositivos IO-Link y sensores/actuadores binarios de 24 V, y sirve como interfaz de capa física para una MCU que ejecuta el protocolo de capa de enlace de datos (Figura 3). Dos reguladores lineales internos generan los requisitos de energía comunes del sensor y del actuador a 5 V y 3,3 V, y el dispositivo se configura y monitorea a través de una interfaz SPI. También cuenta con una interfaz de transceptor IO capaz de funcionar a voltajes de hasta 36 V.
Figura: El transceptor IO-Link de Maxim proporciona una interfaz de capa física para MCU que ejecutan protocolos de capa de enlace de datos.
A medida que IO-Link logra mayores niveles de penetración, parece que más fabricantes están integrando estas interfaces físicas con otros periféricos dedicados en MCU para aplicaciones de automatización industrial.
La automatización industrial siempre se ha basado en la integración de medición y control. A pesar de la creciente introducción de las redes en los últimos años, la interfaz entre los dominios digital y analógico se ha mantenido relativamente sin cambios. Sin embargo, con la introducción de IO-Link, ahora se están desarrollando sensores y actuadores que pueden conectarse a las MCU de formas más sofisticadas. Las conexiones punto-a-punto no solo proporcionan un método más simple para interconectar elementos de control, sino que también ofrecen una forma eficaz de ampliar las capacidades de las MCU-de gama baja.