Прибор контроля промышленного оборудования с беспроводными и проводными интерфейсами

29 июля

телекоммуникациисистемы безопасноститерминалы продажучёт ресурсовуправление питаниемавтоматизацияинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниябеспроводные технологиидатчикисредства разработки и материалы

Непрерывный контроль для заблаговременного предупреждения отказов оборудования – важнейшая составная часть Индустрии 4.0. Разработанный Texas Instruments прибор комплексного контроля с датчиками разных типов, беспроводными и проводными интерфейсами и возможностью передачи информации в облачное хранилище идеально подходит для этого.

Перед вами референсная разработка для быстрого развертывания беспроводной сети, соединяющей различные типы датчиков контроля состояния напрямую с облаком. Контроль состояния основан на периодической и непрерывной записи состояния оборудования, что является необходимым для планово-предупредительного технического обслуживания. В проект включены интерфейсы RS-232, RS-485, IO-Link и резистивный термодатчик (RTD) для контроля различных датчиков и оборудования.

Оглавление 

Описание разработки

Обзор системы

Оборудование и требования для тестирования, результаты тестов

Схема испытаний

Особенности:

  • поддержка двойной многопротокольной работы в одном устройстве;
  • Wi-Fi® Internet-on-a chip™;
  • простота оценки благодаря цифровым интерфейсам датчиков со встроенной защитой;
  • облегчение разработки благодаря TI SimpleLink™ SDK для CC2652, MSP432 и CC3220.

Области применения:

  • автоматизация производства и контроль процессов;
  • Индустрия 4.0;
  • датчики и модули контроля состояния;
  • шлюзы контроля состояния.

Описание разработки

Непрерывный контроль состояния используется для мониторинга оборудования во многих сферах. Он является эффективной и безопасной альтернативой планово-периодическому обслуживанию. При планово-предупредительном обслуживании имеет место слишком ранняя замена таких деталей двигателя как подшипники или валы ввиду фиксированных интервалов между обслуживаниями оборудования. В результате сроки эксплуатации сокращаются без необходимости, происходит пустая трата средств. Помимо этого, данный метод не позволяет определить и точно локализовать дефектные элементы до поломки. Дефектные элементы могут стать причиной серьезных повреждений и вызывать простои при работе оборудования. При заблаговременном контроле эти недостатки могут быть устранены. Отказы компонентов фиксируются на ранней стадии, что позволяет избежать дорогостоящих простоев, а также добиться экономии благодаря полному использованию ресурса важнейших компонентов оборудования. Благодаря умной сенсорной технологии в процессе контроля состояния в системе напрямую записываются такие значимые для состояния оборудования параметры как вибрация и температура. При использовании методов математического анализа и соответствующего ПО данные параметры могут анализироваться непрерывно. Могут подвергаться контролю как общее состояние агрегатов, так и состояния отдельных их составляющих в режиме онлайн. Датчики, используемые для сбора данных, часто установлены в труднодоступных местах, ввиду чего могут быть недоступны для обычного проводного подключения. Поскольку практически все датчики должны осуществлять обмен данными с узлами сбора данных верхнего уровня, необходимо беспроводное соединение. Данная референсная разработка поддерживает различные беспроводные протоколы, такие как Thread, Zigbee®, Bluetooth® low energy (BLE), Wi-Fi® или проприетарные решения, с помощью имеющихся на плате беспроводного многостандартного микроконтроллера 2,4 ГГц CC2652 и Wi-Fi-микроконтроллера CC3220.

Ключевые характеристики системы

В таблице 1 отражены основные характеристики данной системы.

Таблица 1. Ключевые характеристики системы

Параметр Описание и особенности
Питание
Рабочее напряжение питания Номинально 24 В
Микроконтроллеры
CC3220 Ядро ARM® Сortex® M4 80 МГц, опционально 1 Мбайт Flash-памяти, 256 кбайт RAM
MSP432P4111 Ядро ARM® Сortex® M4F 48 МГц, 2 Мбайт Flash-памяти, 256 кбайт RAM, 14-битный АЦП
CC2652 Ядро ARM® Сortex® M4F 48 МГц, 352 кбайт Flash, 80 кбайт RAM
Интерфейсы
Беспроводные Wi-Fi, Bluetooth low energy (BLE), 6LoWPAN, IEEE 802.15.4
RS-232 До 250 кбит/с
RS-485, RS-422 Скорость передачи данных 500 кбит/с и 50 Мбит/с при низком уровне электромагнитных помех
IO-Link Поддержка скоростей передачи данных COM1, COM2 и COM3
Цифровой вход Цифровые входы 24…60 В
Измерение температуры
Тип датчика PT-100 (трехпроводной режим)
Температурный диапазон -200…850°С
Ток возбуждения Программируемый (10, 50, 100, 250, 500, 1000, 1500 мкА)
Опорный резистор 3,24 кОм, допуск 0,1%, ТК = 100 ppm/°C
Разрешение АЦП 24 бита

Обзор системы

Блок-схемы, необходимые для проекта, представлены на рисунках 1, 2 и 3.

Рис. 1. Блок-схема TIDA-010012

Рис. 1. Блок-схема TIDA-010012

Рис. 2. Блок-схема модулей дисплея и Wi-Fi TIDA-010012

Рис. 2. Блок-схема модулей дисплея и Wi-Fi TIDA-010012

Рис. 3. Блок-схема модулей CC2652 TIDA-010012

Рис. 3. Блок-схема модулей CC2652 TIDA-010012

Используемые компоненты

В данной референсной разработке задействованы следующие компоненты:

  • CC3220MODA – беспроводной модуль SimpleLink™ Wi-Fi CERTIFIED с антенной;
  • CC2652R – многопротокольный беспроводной микроконтроллер 2,4 ГГц SimpleLink™;
  • MSP432P4111 – сверхмаломощный 32-битный микроконтроллер SimpleLink™ на основе ARM Cortex-M4F с прецизионным АЦП, 2 Мбайт Flash и 256 кбайт RAM;
  • ADS122U04 – 24-битный, 4-канальный маломощный 2kSPS ∆-∑-АЦП с PGA, Vref, 2xIDAC и интерфейсом UART;
  • THVD1452 – трансиверы RS-485 3,3…5 В с защитой от электростатического разряда ±16 кВ;
  • TRS3232E – многоканальный 3…5,5 В приемник/передатчик линии RS-232 с защитой от электростатического разряда ±15 кВ;
  • ISO1212 – изолированные приемники цифровых входов 24…60 В для модулей с цифровым входом;
  • HDC2080 – маломощный цифровой датчик температуры и влажности;
  • LMR36006 – синхронный понижающий преобразователь на 0,6 А, 4,2…60 В в корпусе HotRod™;
  • TLV755P – миниатюрный регулятор 500 мА с малым значением падения напряжения и низким Iq;
  • LMZM23600 – 36 В, 0,5 А понижающий DC/DC-модуль питания в корпусе 3,8х3 мм;
  • TVS3300 – прецизионный ограничитель перенапряжения 33 В.

CC3220MODA

Начните вашу разработку с полностью программируемого сертифицированного беспроводного модуля со встроенной поддержкой Wi-Fi. Созданные компанией Texas Instruments для интернета вещей семейства CC3220MODx и CC3220MODAx (рисунок 4) – это беспроводные модули, интегрирующие два физически независимых микроконтроллера (далее МК) в одном корпусе:

Рис. 4. Функциональная схема CC3220MODAx

Рис. 4. Функциональная схема CC3220MODAx

  • прикладной процессор – МК на основе ARM Cortex-M4 с пользовательской RAM 256 кбайт и опциональной последовательной Flash 1 Мбайт;
  • сетевой процессор – МК, на котором выполняются все логические уровни Wi-Fi и Internet; данная подсистема включает память ROM, радио стандарта 802.11 b/g/n и MAC-уровень с производительным криптоускорителем для быстрых и безопасных интернет-соединений с 256-битным шифрованием.

Семейство беспроводных МК CC3220MODx и CC3220MODAx – часть второго поколения семейства решений TI Internet-on-chip. В данном поколении представлены новые возможности, упрощающие подключение к интернету:

  • IPv6;
  • улучшенная процедура подключения к Wi-Fi;
  • оптимизированное управление режимами сна;
  • усиленная безопасность файловой системы;
  • подключение по Wi-Fi AP до четырех станций;
  • больше одновременно открытых BSD-сокетов – до 16 (6 из них – с поддержкой безопасного HTTPS);
  • поддержка HTTPS;
  • поддержка RESTFUL API;
  • библиотека шифрования с ключами асимметричной криптосистемы.

Семейства беспроводных МК CC3220MODx и CC3220MODAx поддерживают режимы «станция», «точка доступа» (AP) и «Wi-Fi Direct®». Также эти модули поддерживают личную и корпоративную безопасность WPA2™. Данная подсистема включает в себя встроенные стеки TCP/IP и TLS/SSL, HTTP-сервер и различные интернет-протоколы. Модель поддерживает различные способы подключения к Wi-Fi, включая HTTP при первоначальном запуске модуля в режиме точки доступа, технологию Smart Config™ и WPS2.0.

Подсистема управления питанием включает интегрированные DC/DC-преобразователи, которые поддерживают широкий диапазон напряжений питания. Данный узел обеспечивает режимы малого потребления мощности для увеличения срока работы батареи, такие как глубокий сон при малом потреблении, гибернация с RTC (с потреблением 5 мкА), и режим выключения (с потреблением лишь 1 мкА).

Модуль содержит широкий спектр периферии, включая быстрый параллельный интерфейс видеокамер, I2S, SD, UART, SPI, I2C и 4-канальный АЦП.

Модули поставляются в четырех различных вариантах исполнения, это CC3220MODS, CC3220MODSF, CC3220MODA, CC3220MODASF:

  • в модулях CC3220MODS и CC3220MODAS имеется 256 кбайт пользовательской встроенной RAM для кода и данных. В дополнение CC3220MODAS содержит интегрированную антенну;
  • модули CC3220MODSF и CC3220MODASF имеют 1 Мбайт пользовательской Serial Flash-памяти и 256 кбайт RAM для кода и данных. Кроме того, CC3220MODASF содержит интегрированную антенну.

В четырех модулях объединены кварцевый резонатор на 40 МГц, таймер RTC 32,768 кГц, 32 Мбайт SPI Serial Flash, PЧ-фильтр и пассивные компоненты. В модулях также имеются дополнительные функции безопасности, в том числе шифрованные и аутентифицированные файловые системы, шифровка и аутентификация пользовательского IP, безопасная загрузка (аутентификация и валидация целостности образа приложения во время загрузки с Flash) и другие.

  • CC3220MODAx-это семейство беспроводных МК-модулей на основе однокристальных беспроводных Wi-Fi МК SimpleLink™. Модули CC3220MODS и CC3220MODAS включают в свой состав беспроводные МК CC3220SM2ARGK, тогда как модули CC3220MODSF и CC3220MODASF содержат беспроводные МК CC3220SF12ARGK. В полностью интегральные, экологичные модули с индустриальным температурным диапазоном интегрированы все необходимые схемы тактирования, SPI Flash и пассивные компоненты.
  • Модули CC3220MODAx имеют встроенную антенну для легкой интеграции в хост-систему.
  • Беспроводные системы-на-кристалле (SoC) SimpleLink™ CC3220MODx и CC3220MODAx содержат одиночный чип с двумя независимыми средами исполнения:
    • Пользовательский МК ARM Cortex-M4;
    • МК-сетевой процессор для выполнения всех логических уровней Wi-Fi и Int
  • FCC-, IC-, CE-, MIC- и SRRC-сертифицирован;
  • Члены WiFi Alliance могут запрашивать передачу сертификата Wi-Fi-сертифицированных модулей.
  • Корпус QFM с шагом выводов 1,27 мм для простоты монтажа и уменьшения стоимости печатной платы.
  • Подсистема микроконтроллера приложений:
    • Ядро ARM Cortex-M4 80 МГц;
    • Встроенная память:
      • модификации CC3220MODS и CC3220MODAx включают 256 кбайт RAM
      • CC3220MODSF и CC3220MODASF – это Flash-МК на основе Flash 1 Мбайт и 256 кбайт RAM
      • драйверы периферии в памяти ROM
    • McASP поддерживает два канала I2S;
    • SD;
    • SPI;
    • I2C;
    • UART;
    • 8-битный синхронный интерфейс изображения;
    • Четыре таймера общего назначения (GPT) с 16-битным режимом ШИМ;
    • Один модуль сторожевого таймера;
    • 4-канальные 12-битные АЦП;
    • Отладочные интерфейсы: JTAG, cJTAG и SWD.
  • Подсистема сетевого Wi-Fi-процессора:
    • МК ARM, предназначенный для WiFi Internet-on-chip, полностью освобождает МК приложений от WiFi- и интернет-протоколов;
    • Режимы WiFi:
      • Станция 802.11b/g/n;
      • точка доступа 802.11b/g/n, которая поддерживает до четырех станций;
      • клиент и владелец группы Wi-Fi Direct®;
      • персональная и корпоративная безопасность WPA2: WEP, WPA™, WPA2 PSK и WPA2 Enterprise (802.1x);
      • стеки TCP/IP IPv4 и IPv6;
      • интерфейс программирования приложений (API) BSD Socket промышленного стандарта;
      • 16 одновременно работающих TCP- или UDP-сокетов;
      • 6 одновременно работающих TLS- и SSL-сокетов;
      • адресация IP: StaticIP, LLA, DHCPv4, DHCPv6 с детектированием дублированных адресов (DAD);
      • менеджер соединения SimpleLink™ Technology для автономных и быстрых WiFi-соединений;
      • гибкое подключение к WiFi с технологией Smart Config, AP Mode и опциями WPS2;
      • поддержка RESTful API с использованием внутреннего HTTP-сервера;
      • встроенные сетевые приложения, выполняемые на выделенном сетевом процессоре;
      • большой набор функций безопасности:
        • аппаратные функции:
          • раздельные среды выполнения;
          • идентификация устройства
          • аппаратный ускоритель шифрования для быстрых передовых функций безопасности, включая AES, DES, 3DES, SHA2, MD5, CRC и Checksum.
        • базовая безопасность программирования:
          • безопасность отладки;
          • доступна блокировка отладочного и JTAG-портов .
        • личная и корпоративная WiFi-безопасность;
        • безопасные сокеты (SSLv3, TLS1.0, TLS1.1, TLS1.2).
      • сетевая безопасность:
        • HTTPS-сервер;
        • каталог доверенных корневых сертификатов;
        • публичный ключ Root-of-Trust TI.
      • программная безопасность ID:
        • безопасное хранение ключа;
        • безопасность файловой системы;
        • определение атак на ПО;
        • защита от клонирования;
        • безопасная загрузка: валидация целостности и аутентификация исполняемого двоичного кода во время загрузки.
      • встроенные сетевые приложения, выполняемые на выделенном сетевом процессоре:
        • HTTP и HTTPS веб-сервер с динамическими пользовательскими обратными вызовами callback;
        • серверы mDNS, DNS-SD и DHCP;
        • Ping.
      • механизм восстановления: можно вернуться к заводским установкам или полностью восстановиться до заводского образа.
    • Мощность Wi-Fi TX:
      • 17,0 дБм при 1DSSS;
      • 13,5 дБм при 54 OFDM.
    • Чувствительность Wi-Fi RX:
      • -95,0 дБм при 1 BNSS;
      • -73,5 дБм при 54 OFDM.
    • Пропускная способность приложения:
      • UDP: 16 Мбит/с;
      • TCP: 13 Мбит/с.
    • Подсистема управления питанием
      • Интегрированный DC/DC-преобразователь с большим диапазоном входного напряжения;
      • VBAT 2,3…3,6 B;
      • Продвинутые режимы малого потребления мощности:
        • режим отключения: 1 мкА;
        • гибернация: 5 мкА;
        • маломощный глубокий сон (LPDS): 135 мкА (измерено на CC3220MODS и СС322MODSF при задействовании 256 кбайт RAM);
        • RX-траффик (МК активен): 59 мА (измерено на CC3220MOD, CC3220MODSF и CC3220MODASF потребляют дополнительные 15 мА) при 54 OFDM;
        • TX-траффик (МК активен): 253 мА (измерено на CC3220MODS, CC3220MODSF и СС322MODASF, которые потребляют дополнительные 15 мА) при 54 OFDM и максимальной мощности;
        • в режиме холостого хода (МК в состоянии LPDS): 710 мкА (измерено на CC3220MODS и СС3220MODSF с задействованными 256 кбайт RAM) при DTIM = 1.
      • Дополнительные интегрированные компоненты
        • Кварцевый резонатор 40 МГц;
        • Кварцевый резонатор 32,768 кГц (RTC);
        • Последовательная SPI Flash-память 32 Мбит, PЧ-фильтр и пассивные компоненты.
      • Совместимые по посадочному месту корпуса QFM
        • CC3220MODx: шаг 1,27 мм, 63 вывода, 20,5х17,5 мм;
        • CC3220MODАx: шаг 1,27 мм, 63 вывода, 20,5х25,5 мм.
      • Рабочий диапазон температур: -40…85°С
      • Модуль поддерживает SimpleLink™ Developer’s Ecosystem.

CC2652R

Устройство CC2652R – это многопротокольный беспроводной МК 2,4 ГГц, предназначенный для систем Thread, Zigbee®, Bluetooth® 5 Low Energy, IEEE 802.15.4g, для работы с утройствами интернета вещей с IPv6 (6LowPAN), Wi-SUN®, а также для проприетарных систем. Устройство СС2652R является представителем семейства экономически эффективных сверхмаломощных РЧ-устройств CC26xx и CC13xx для диапазонов 2,4 ГГц и Sub-1GHz. Очень малый ток активного режима РЧ-части и микроконтроллера в дополнение к субмикроамперному току спящего режима при задействовании до 80 кбайт RAM обеспечивает длительную продолжительность работы и позволяет питать устройство от небольшого дискового элемента или использовать механизм сбора энергии (Energy Harvesting).

Устройство CC2652R (рисунок 5) содержит гибкий, сверхмалопотребляющий РЧ-трансивер с мощным процессором ARM Cortex-M4 F 48 МГц на платформе, поддерживающей множество физуровней и РЧ-стандартов. Выделенный радиоконтроллер (ARM Cortex-M0) обрабатывает низкоуровневые команды РЧ-протокола, хранимые в ROM или RAM, гарантируя тем самым сверхмалое потребление и отличную гибкость. Малое потребление мощности CC2652R достигается без ухудшения РЧ-характеристик; устройство CC2652R обладает отличной чувствительностью и устойчивостью к помехам (селективность и блокирование).

Рис. 5. Функциональная схема CC2652R

Рис. 5. Функциональная схема CC2652R

Особенности:

  • Микроконтроллер
    • Мощный процессор ARM Cortex-M4;
    • Результат EEMBC Coremark®: 148;
    • Тактовая частота до 48 МГц;
    • 352 кбайт встроенной программируемой Flash-памяти;
    • 256 кбайт ROM для протоколов и прошивки;
    • 8 кбайт SRAM кэш-памяти (доступной в качестве RAM общего назначения);
    • 80 кбайт RAM со сверхмалой утечкой;
    • Отладка через двухвыводной cJTAG и JTAG;
    • Поддержка беспроводного обновления (OTA).
  • Сверхмаломощный контроллер датчиков с 4 кбайт RAM
    • Измерение, хранение и обработка данных с датчиков;
    • Функционирование независимо от системного ядра;
    • Быстрое пробуждение из режима пониженного потребления.
  • Быстрый выход из спящего режима для минимизации суммарного потребления
  • TIRTOS, драйверы, загрузчик, контроллер Bluetooth® 5 Low Energy и IEEE 802.15.4 MAC в ROM для оптимизации размера приложения
  • Корпус, соответствующий ROHS^
    • 7х7 мм RGZVQFN 48 (31 вывод GPIO)/
  • Периферия
  • Цифровая периферия может быть назначена на любые выводы GPIO
    • Таймеры общего назначения 4х32 бит или 8х16 бит.
    • 12-битный АЦП, 200 kSps, 8 каналов.
    • 2 компаратора с внутренним опорным ЦАП (1 – для непрерывной работы, 1 – сверхмаломощный).
    • Программируемый источник тока.
    • 2 UART.
    • 2 SSI (SPI, MICROWIRE, TI).
    • I2C.
    • I2S.
    • Часы реального времени (RTC).
    • Ускоритель шифрования AES, 128 и 256 бит.
    • Аппаратный ускоритель для публичного ключа ECC и RCA.
    • Ускоритель SHA2 (максимальная конфигурация до SHA-512).
    • Генератор истинно случайных чисел.
    • Емкостные входы датчиков – до 8 каналов.
    • Интегрированный монитор температуры и заряда батареи.
  • Внешняя система:
    • Понижающий DC/DC-преобразователь на борту.
  • Малое потребление:
    • Широкий диапазон питающих напряжений: 1,8…3,8 В.
    • RX в активном режиме: 6,83 мА.
    • TX в активном режиме: 7,5 мА.
    • МК в активном режиме на 48 МГц (Core Mark): 3,3 мА (69 мкА/МГц).
    • Контроллер датчиков при измерении расхода, 16 Гц: 1,7 мкА.
    • Контроллер датчиков при чтении компаратора А, 100 Гц: 1,5 мкА.
    • Контроллер датчиков, частота дискретизации АЦП 1 Гц: 1 мкА.
    • Ждущий режим: 0,92 мкА (при включенном RTC, работающем ЦП и 80 кбайт RAM).
    • Режим выключения: 125 нA (активация по внешним событиям).
  • РЧ-часть:
    • 2,4-ГГц РЧ-трансивер, совместимый с Bluetooth 5 Low Energy, а также физическим и МАС уровнями согласно IEEE 802.15.4.
    • Отличная чувствительность приемника: -100 дБм для 802.15.4 (2,4 ГГц), -103 дБм для Bluetooth 5 Low Energy.
    • Программируемая входная мощность: до +5 дБм.
    • Применимо для систем, направленных на совместимость с требованиями:
      • EN 300 328, (Европа).
      • EN 300 440 class 2 (Европа).
      • FCC CFR47 Part 15 (США).
      • ARZB STD – T66 (Япония).
    • Инструменты разработки и ПО:
      • Комплект разработки LAUNCHXL-CC262R1.
      • Комплект разработки ПО Simplelink CC26X2.
      • Smart RFTM Software Studio для простоты настройки радио.
      • Sensor Controller Studio для создания малопотребляющих сенсорных приложений.

MSP432P4111

Микроконтроллеры SimpleLink™ MSP432P4111x и MSP432P401x – это оптимизированные беспроводные хост-МК с интегрированным 16-битным прецизионным АЦП, которые обеспечивают производительность при малом потреблении, в частности – 100 мкА/МГц в активном режиме и 820 мкА в режиме ожидания с FPU- и DSP-расширениями. Как оптимизированные беспроводные хост-МК, MSP432P4111x и MSP432P401x позволяют разработчикам подключать расширения памяти и высокопрецизионной аналоговой части к проектам на основе беспроводных решений SimpleLink™.

Устройства MSP432P4111x и MSP432P401x являются частью платформы SimpleLink™ MCU, состоящей из Wi-Fi, Bluetooth Low Energy, Sub-1 GНz и хост-МК. Все делят общую простую в использовании среду разработки с одним центральным комплектом разработки ПО (SDK) и богатым набором инструментов. Однократная интеграция платформы SimpleLink™ позволяет достичь стопроцентного повторного использования кода при изменениях требований к проекту.

Микроконтроллеры MSP432P4111x (рисунок 6) и MSP432P401x поддерживаются обширной экосистемой инструментов, ПО, документации, тренингов и поддержки, что позволяет быстро начать разработку.

Рис. 6. Функциональная схема MSP432P4111

Рис. 6. Функциональная схема MSP432P4111

Для начала вам потребуется комплект разработки LaunchPad™ или целевая сокет-плата MSP TS432PZ100 (с дополнительным образцом МК) и бесплатный SDK SimpleLink™ MSP432.

Особенности:

  • Ядро
    • 32-битный ЦП ARM Cortex-M4F с модулем обработки чисел с плавающей точкой и модулем защиты памяти.
    • Частота до 48 МГц.
    • ULP Benchmark:
      • 6 ULP Bench™ CP Performance Bencbmark.
      • 41 Core Mark/МГц.
      • 22 DMIPS / МГц (Dhrystone 2.1).
    • Малопотребляющие аналоговые модули
      • Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения с 16 битной точностью и частотой преобразований до 1 Msps:
        • дифференциальный и однополярный входы;
        • два двухпороговых компаратора;
        • до 24 входных каналов.
      • Внутренний источник опорного напряжения с номинальной стабильностью 25 ppm/°C.
      • Два аналоговых компаратора.
      • Интегрированный контроллер LCD – до 320 сегментов с управлением контрастом.
    • Память
      • До 2048 кбайт основной Flash-памяти, организованной в виде двух банков, что позволяет осуществлять одновременное чтение или выполнение операций во время стирания.
      • 32 кбайт информационной Flash-памяти, включая области, используемые для BSL, TLV и Flash Mailbox.
      • до 256 кбайт SRAM, включая 8 кбайт резервной памяти.
      • 2 кбайт служебной SRAM.
      • 32 кбайт ROM с библиотеками драйверов периферии MSP432™.
    • Сверхмаломощные режимы работы
      • Активный: 100 мкА/МГц.
      • Низкочастотный активный: 95 мкА (128 кГц).
      • LPM3 (c RTC): 820 мкА.
      • LPM5 (c RTC): 820 мкА.
      • LPM4: 690 мкА.
      • LPM5: 22 мкА.
    • Платформа SimpleLink
      • Поддержка Bluetooth ® Low Energy, Wi-Fi и Sub-1GHz.
      • Единая среда разработки.
      • 100% повторное использование кода для SimpleLink.
    • Рабочие характеристики;
      • Широкий диапазон питающих напряжений: 1,6…3,7 В.
      • Температурный диапазон окружающей среды: -40…85°С.
    • Гибкий функционал тактирования
      • Программируемый внутренний DCO (до 48 МГц).
      • Низкочастотный кварцевый резонатор (LFXT) 32,768 кГц.
      • Высокочастотный кварцевый резонатор (HFXT) 48 МГц.
      • Низкочастотный внутренний подстроенный генератор опорной частоты (REFO).
      • Сверхмаломощный низкочастотный внутренний генератор (VLO).
      • Модульный генератор (MODSC).
      • Системный генератор(SYSOSC).
    • Функции по защите кода
      • Блокировка JTAG и SWD.
      • Защита IP (до четырех безопасных областей Flash-памяти, каждая с конфигурируемым стартовым адресом и размером).
    • Улучшенные системные опции
      • Мониторинг и контроль напряжения питания.
      • Сигналы сброса разного уровня для лучшего контроля приложения и отладки.
      • 8-канальный DMA.
      • RTC с функциями календаря и сигнализации.
    • Тайминг и управление
      • До четырех 16-битных таймеров, каждый из которых имеет пять каналов захвата, сравнения и генерации ШИМ.
      • Два 32-битных таймера с возможностью генерации прерывания.
    • Последовательный обмен
      • До четырех модулей eUSCI_A.
        • UART с автоматическим определением скорости передачи.
        • кодирование/декодирование IrDA.
        • SPI (до 16 Мбит/с).
      • До четырех модулей eUSCI_B:
        • I2C (c Multiple-Slave-адресацией).
        • SPI (до 16 Мбит/с).
      • Гибкие функции ввода/вывода
        • Входы/выводы со сверхнизкой утечкой (±20 нА максимум).
        • Все входы/выходы могут работать как емкостные сенсоры.
        • До 48 входов/выходов с возможностью генерации прерывания и вывода из спящего режима.
        • До 24 входов/выходов с возможностью переназначения портов.
        • Восемь входов/выходов с возможностью фильтрации помех.
      • Ускорители шифрования и целостности данных
        • Ускоритель 128-, 192- или 256-битного AES-шифрования/дешифрования.
        • Аппаратный 32-битный ускоритель CRC.
      • Поддержка JTAG и отладки
        • Интерфейсы отладки по четырехвыводному JTAG и двухвыводному SWD.
        • Serial Wire Trace.
        • Мощные отладка и профилирование приложений.

ADS122U04

ADS122U04 – это прецизионный 24-битный АЦП, предлагающий множество встроенных функций для снижения стоимости и количества компонентов системы в задачах по измерению малых сигналов датчиков. В устройстве имеются два дифференциальных или четыре однополярных входа, идущих через гибкий входной мультиплексор, малошумящие усилители с программируемым коэффициентом усиления, два программируемых источника тока возбуждения, источник опорного напряжения, генератор тактовой частоты и прецизионный датчик температуры.

Устройство может выполнять преобразования на скорости до 2000 отсчетов в секунду (Sps) со временем установления в один такт. На скорости 20 Sps цифровой фильтр обеспечивает одновременное подавление частот 50 и 60 Гц, обеспечивая работу в зашумленных производственных условиях. Внутренний PGA обеспечивает коэффициент усиления до 128. Данный PGA делает ADS122U04 идеально приспособленным для приложений по измерению малых сигналов с резистивных температурных датчиков, термопар, термисторов и резистивных мостовых датчиков.

ADS122U04 (рисунок 7) имеет двухпроводной UART-совместимый интерфейс. В задачах, требующих гальванической развязки, этот универсальный интерфейс асинхронного приемопередатчика (UART) минимизирует количество цифровых изолированных каналов, сохраняя тем самым невысокую стоимость системы, компактное место на плате и низкую потребляемую мощность.

Рис. 7. Функциональная схема ADS122U04

Рис. 7. Функциональная схема ADS122U04

ADS122U04 предлагается в безвыводном 16-выводном корпусе WQFN либо в 16-выводном корпусе TSSOP, и предназначен для работы при температурах -40…125°С. 

Особенности:

  • Малое потребление тока: 315 мкА (номинально).
  • Широкий диапазон напряжения питания: 2,3…5,5 В.
  • Программируемый коэффициент усиления: 1…128.
  • Программируемая скорость передачи данных: до 2 KSps.
  • Эффективное разрешение до 20 бит.
  • Одновременная подавление 50 и 60 Гц с цифровым фильтром при 20 SPS и однотактным временем установления.
  • Два дифференциальных или четыре однополярных входа.
  • Два согласованных программируемых источника тока: 10 мкА…1,5 мА.
  • Внутренний источник опорного напряжения: дрейф 5 ppm/°C (номинальное значение).
  • Внутренний генератор тактовой частоты с точностью 2%.
  • Внутренний датчик температуры: точность 0,5°С (номинальное значение).
  • Три входа/выхода общего назначения.
  • Двухпроводной UART-совместимый интерфейс (формат 8-N-1) со скоростью передачи данных до 120 кБод и автоопределением скорости передачи.
  • Корпус: WQFN 3,0×3,0x0,75 мм.

THVD1452

THVD14xx – это семейство помехозащищенных трансиверов RS-485/RS-422, созданных для работы в неблагоприятных промышленных условиях. Шинные выводы этих устройств устойчивы к высоким уровням кратковременных выбросов напряжения и электростатическому разряду (ESD) по IEC, что исключает необходимость в дополнительных защитных компонентах на системном уровне.

Каждое из этих устройств питается от однополярного напряжения 3…5,5 В. Устройства данного семейства имеют расширенный диапазон синфазного напряжения, что плозволяет применять их в многоузловых задачах с использованием линий большой протяженности.

Семейство устройств THVD14xx (рисунок 8) доступно в миниатюрных корпусах VSON и VSSOP для задач с ограниченным пространством. Эти устройства способны работать при температуре окружающей среды -40…125°С.

Рис. 8. Функциональная схема THVD1452

Рис. 8. Функциональная схема THVD1452

Особенности:

  • Соответствие или превышение требований стандарта TIA/EIA-485A.
  • Напряжение питания 3…5,5 В.
  • ESD-защита шинных линий:
    • ± 30 кВ HBM.
    • ± 18 кВ IEC 61000-4-2 (контактный разряд).
    • ± 18 кВ IEC 61000-4-2 (воздушный разряд).
    • ± 4 кВ IEC61000-4-4 (кратковременный перепад напряжения).
  • Расширенный рабочий диапазон синфазного напряжения: ± 15 В.
  • Скорости передачи данных: 500 Кбит/с и 50 Мбит/с при низком уровне электромагнитных помех.
  • Широкий гистерезис приемника для подавления шума.
  • Низкое потребление мощности:
    • Ток питания в ждущем режиме: < 1 мкА.
    • Ток в рабочем режиме: < 3 мА.
  • Расширенный диапазон рабочих температур внешней среды: -40…125°С.
  • Безотказное включение/выключение для обеспечения горячей замены.
  • Отказоустойчивость шины при обрыве, коротком замыкании и простое
  • 1/8 Unitload (до 256 узлов шины).
  • Миниатюрные корпуса VSON и VSSOP, которые сокращают место на плате, либо корпус SOIC для полной совместимости.

TRS3232E

Устройство TRS3232E (рисунок 9) состоит из двух линий передачи, двух линий приема и двойной схемы накачки заряда с межвыводной защитой ± 15 кВ ESD (выводы подключения последовательного порта, включая GND).

Рис. 9. Функциональная схема TRS3232E

Рис. 9. Функциональная схема TRS3232E

Устройство соответствует требованиям TIA/EIA-232-F и реализует электрический интерфейс между контроллером асинхронного обмена и соединителем последовательного порта. Генератор подкачки заряда и четыре небольших конденсатора позволяют работать от однополярного питания 3…5,5 В. При работе устройства обеспечивается скорость передачи данных до 250 Кбит/с и максимальная скорость нарастания сигнала на выходе формирователя до 30 В/мкс.

Особенности:

  • ESD-защита для выводов шины RS-232:
    • ±15 кВ (HBM).
    • ±8 кВ (IEC 61000-4-2, контактный разряд).
    • ±15 кВ (IEC 61000-4-2, воздушный разряд).
  • Соответствие или превышение требований стандартов TIA/EIA-232F и ITUV.28.
  • Работа при напряжении питания 3…5,5 В:
    • Функциональная совместимость с RS-232 до 2.7 В VCC.
  • Работа двух передатчиков и двух приемников на скорости до 250 Кбит/с.
  • Низкий питающий ток: 300 мкА (номинально).
  • Внешние конденсаторы: 4х0,1 мкФ.
  • Возможна работа с 5-вольтовой логикой при напряжении питания 3,3 В.
  • Pin-to-Pin-совместим с альтернативными высокоскоростными устройствами (1 Мбит/с):
    • SN65C3232E (-40…85°C);
    • SN75C3232E (0…70°C).

ISO1212

ISO1211 и ISO1212 – это изолированные приемники с цифровыми входами 24…60 В, соответствующие характеристикам типов 1, 2 и 3 IEC61131-2. Эти устройства позволяют создавать цифровые входные модули 9…300 В постоянного и переменного тока в программируемых логических контроллерах, управлении приводом, сетевой инфраструктуре и других промышленных областях применения. В отличие от традиционных решений на основе оптопар с дискретной, неточной токоограничивающей схематикой, устройство ISO121x представляет собой простое, маломощное решение с точным ограничением по току, что позволяет разрабатывать компактные модули ввода-вывода с высокой плотностью размещения компонентов. Эти устройства не требуют источника питания вторичной части и могут быть настроены как входы либо со втекающим, либо с вытекающим током.

ISO121x работают в диапазоне питающих напряжений 2,25…5,5 В, поддерживая 2,5-, 3,3- и 5-вольтовые контроллеры. Устойчивость входной части к напряжениям ±60 В с защитой от подключения обратной полярности позволяет убедиться, что входные выводы будут защищены в случае неисправности при малом обратном токе. Эти устройства поддерживают скорость передачи данных до 4 Мбит/с, пропуская импульсы с минимальной длительностью 150 нс для высокоскоростного функционирования.

ISO1211 идеально для решений, требующих межканальной изоляции, а ISO1212 –для многоканальных решений с ограничением по доступным размерам (рисунок 10).

Рис. 10. Функциональная схема ISO1212

Рис. 10. Функциональная схема ISO1212

Особенности:

  • Соответствие характеристикам IEC61131-2 типов 1, 2, 3 для 24-вольтовых изолированных цифровых каналов.
  • Возможность исполнения цифровых входов 9…300 В при использовании внешних резисторов.
  • Точное ограничение тока для обеспечения малой рассеиваемой мощности:
    • 2,2…2,47 мА для типа 3.
    • Возможность регулировки до 6,5 мА.
  • Отсутствие необходимости в источнике питания первичной части.
  • Широкий диапазон входного напряжения с защитой от подключения с обратной полярностью ±60 В.
  • Определение обрыва цепи (см. TIDA-01509).
  • Настраивается как вход со втекающим или вытекающим током.
  • Высокие скорости передачи данных: до 4 Мбит/с.
  • Вывод Enable для мультиплексирования выходных сигналов.
  • Высокая стойкость к перепадам напряжений: ±70 кВ/мкс CMTI.
  • Широкий диапазон питающих напряжений (VCC1): 2,25…5,5 В.
  • Диапазон температур окружающей среды: -40…125°С.
  • Компактные опции корпусов:
    • Одноканальный ISO1211, SOIC-8.
    • Двухканальный ISO1212, SSOP-16.
  • Сертификаты безопасности:
    • Основная изоляция по DINVVDEV 0884-10.
    • Соответствие UL1577, изоляция 2500 ВRMS.
    • CSA, CQC, TUV.

HDC2080

Устройство HDC2080 – это интегральный датчик температуры и влажности, который обеспечивает высокую точность измерений при очень малом значении потребления, в миниатюрном корпусе DFN (рисунок 11). В датчик на основе измерения емкости интегрированы новые цифровые функции и нагревательный элемент для испарения конденсата и влаги. Цифровые функции HDC2080 включают программируемые пороги генерации прерывания для обеспечения сигнализации и пробуждения системы, что избавляет микроконтроллер от непрерывного наблюдения за системой. HDC2080, имеющий программируемые интервалы дискретизации, малое потребление и поддержку напряжения питания 1,8 В, был разработан для систем с батарейным питанием.

Рис. 11. Функциональная схема HDC2080

Рис. 11. Функциональная схема HDC2080

Для задач с жесткими ограничениями по бюджету мощности режим автоматических измерений позволяет HDC2080 автоматически инициировать измерения температуры и влажности. Данная функция позволяет пользователям перевести микроконтроллер в режим глубокого сна, поскольку HDC2080 теперь может начинать измерения независимо от микроконтроллера.

Программируемые пороги температуры и влажности HDC2080 позволяют устройству посылать сигнал аппаратного прерывания для вывода микроконтроллера из спящего режима при необходимости. Кроме того, потребление мощности HDC2080 значительно снижено, что способствует минимизации самонагрева и улучшению точности измерений.

HDC2080 откалиброван в процессе производства до точности измерения температуры 0,2°C и точности измерения относительной влажности 2%.

Особенности:

  • Диапазон измерения относительной влажности: 0…100%.
  • Точность измерения влажности: ±2% (номинально), ±3% (максимум).
  • Точность измерения температуры: ±0,2°C (номинально), ±0,4°C (максимум).
  • Ток в спящем режиме: 50 нА (номинально), 100 нА (максимум).
  • Средний ток питания (при одном измерении в секунду):
    • 300 нА: только RH% (11 бит).
    • 550 нА: RH% (11 бит) + температура (11 бит).
  • Температурный диапазон:
    • Рабочий: -40…85°C.
    • Функциональный: -40…125°C.
  • Диапазон напряжений питания:1,62…3,6 В.
  • Режим автоматических измерений.
  • Совместимость с интерфейсом I2C. 

LMR36006

Регулятор LMR36006 – это простой в использовании синхронный понижающий DC/DC-преобразователь. Благодаря интегрированным силовым MOSFET верхнего и нижнего плечей он может обеспечить ток до 0,6 А при широком диапазоне входных напряжений 60 В и стойкости к выбросам напряжения до 66 В. Устойчивость к перепадам напряжения снижает необходимые трудозатраты на разработку в части защиты от перенапряжения и позволяет удовлетворить требования стандарта IEC 61000-4-5 в этой области.

LMR36006 задействует управление в режиме пикового тока для обеспечения оптимального КПД и точности установки выходного напряжения. Благодаря этому возможно прямое подключение к широкому диапазону входных напряжений и прецизионный контроль во время запуска и выключения устройства. Флаг “Power-Good” со встроенной фильтрацией и задержкой формирует истинную индикацию состояния системы и исключает необходимость внешнего супервизора.

Устройство требует лишь нескольких внешних компонентов, а его расположение выводов разработано для упрощения топологии печатной платы (рисунок 12). Малый размер и набор функций устройства LMR36006 упрощают его применение в таких изделиях как миниатюрные полевые передатчики и датчики изображения.

Рис. 12. Функциональная схема LMR36006

Рис. 12. Функциональная схема LMR36006

Особенности:

  • Предназначен для задач с повышенными требованиями к надежности, работающих в жестких условиях:
    • Защита входа от перепадов напряжения.
    • Диапазон температур корпуса -40…150°С.
    • Защитное выключение при перегреве, блокировка входа по недостаточному напряжению, ограничение по току в каждом цикле, защита от короткого замыкания.
  • Подходит для масштабируемых промышленных источников питания:
    • Совместим по выводам с LMR36015 (60 В, 1,5 А) и LMR33620/30 (36 В, 2/3 А).
    • Доступны частотные опции 1 МГц и 2,1 МГц.
  • Интеграция снижает размеры и стоимость изделия:
    • Малый корпус HotRod 3х2 мм.
    • Несколько внешних компонентов при интегрированном выпрямлении и внутренней компенсации.
  • Малые потери мощности по всему спектру нагрузок:
    • КПД 92% на частоте 1 МГц (12 В на VIN, 5 В на VOUT, 0.6 А).
    • Улучшенный КПД на малой нагрузке с автоматическим переходом на PFM.
    • Малый собственный ток выключенного состояния: 3 мкА.
    • Малый собственный ток рабочего режима: 23 мкА.
  • Доступна версия AEC-Q100 для 400 кГц и 2,1.
  • Возможность создания собственного проекта с использованием LMR36006 при помощи WEBENCH® Power Designer. 

TLV755P

TLV755P – это сверхмалый регулятор с низким падением напряжения (LDO) и малым собственным потреблением, который обеспечивает выходной ток 500 мА и имеет хорошие характеристики при изменении входного напряжения или тока в нагрузке. TLV755P оптимален для широкого круга задач благодаря диапазону входного напряжения 1,45…5,5 В. Устройство поставляется с фиксированными выходными напряжениями в диапазоне 0,6…5 В для поддержки более низких напряжений ядра современных микроконтроллеров. Помимо этого, TLV755P обладает малым собственным потреблением, что позволяет снизить мощность в режиме покоя. В устройстве реализован внутренний механизм мягкого старта для снижения пускового тока, что обеспечивает контролируемое напряжение на нагрузке и минимизирует падение входного напряжения во время пуска. В выключенном режиме устройство принудительно подтягивает выходное напряжение к земле для быстрого разряда выходов, что гарантирует определенность состояния при включении.

TLV755P стабильно работает с небольшими выходными керамическими конденсаторами, обеспечивая малый размер решения в целом. Прецизионный источник опорного напряжения и усилитель сигнала ошибки обеспечивают номинальную точность 1%. Все версии устройства оснащены интегрированной защитой от перегрева, ограничением тока и блокировкой при недостаточном напряжении (рисунок 13). TLV755P оснащен внутренним ограничением тока, что позволяет снизить рассеяние тепла при возникновении коротких замыканий.

Рис. 13. Функциональная схема TLV755P

Рис. 13. Функциональная схема TLV755P

Особенности:

  • Диапазон входных напряжений: 1,45…5,5 В.
  • Малые значения тока собственного потребления: 25 мкА (номинально).
  • Малое падение напряжения:
    • 238 мВ (максимум) при 500 мА (3,3 В VOUT).
  • Точность выходного напряжения: 1% (максимум при 85°С).
  • Встроенный мягкий старт с монотонным ростом VOUT.
  • Прогрессирующее ограничение по току.
  • Принудительный разряд выхода.
  • Высокое значение PSRR: 46 дБ на 100 КГц.
  • Стабильная работа с керамическим выходным конденсатором 1 мкФ.
  • Корпуса:
    • 2,9х1,6 мм SOT-23-5.
    • 1х1 мм X2SON-4.
    • 2х2 мм WSON-6.

LMZM23600

Модуль питания LMZM23600 с интегрированным дросселем разработан специально для промышленных задач с ограничением места на плате. Он доступен для двух опций фиксированного выходного напряжения 5 В и 3,3 В, а также для опции с регулируемым выходным напряжением 2,5…15 В. LMZM23600 имеет диапазон входных напряжений 4…36 В и может обеспечить выходной ток до 500 мА. Данный модуль питания крайне прост в использовании, он требует лишь двух внешних компонентов для исполнения 5 В или 3,3 В. LMZM23600 всесторонне оптимизирован для промышленных задач, ориентированных на производительность и низкий уровень ЭМИ с учетом ограничений по месту (рисунок 14). Выход Power-Good с открытым коллектором обеспечивает индикацию истинного состояния системы и исключает необходимость в дополнительном супервизоре, уменьшая стоимость и занимаемое пространство. Плавный переход между режимами PWM и PFM наряду с током потребления в отсутствии нагрузки, равным лишь 28 мкА, гарантирует высокий КПД и отличный отклик на ступенчатую нагрузку для всего диапазона напряжений нагрузки. LMZM23600 совместим по расположению выводов с LMZM23601, обеспечивающим выходной ток до 1000 мА, что облегчает масштабирование выходного тока.

Рис. 14. Функциональная схема LMZM23601

Рис. 14. Функциональная схема LMZM23601

Особенности:

  • Широкий диапазон рабочих входных напряжений: 4…36 В.
  • Опции фиксированного выходного напряжения 3,3 или 5 В и регулируемого 2,5…15 В.
  • Выходной ток: 0,5 А.
  • Необходимость только во входных и выходных конденсаторах для реализации выходных напряжений 5 В и 3,3 В.
  • Размер решения: 27 мм2 при однослойной топологии.
  • Ток собственного питания: 27 мкА при отсутствии нагрузки.
  • Ток в выключенном состоянии: 2 мкА.
  • Флаг “Power-Good”.
  • Внешняя синхронизация частоты.
  • Вывод выбора режима:
    • Принудительный режим PWM для работы на фиксированной частоте.
    • Автоматический режим PWM для достижения высокого КПД при низкой нагрузке.
  • Встроенная компенсация петли управления, мягкий старт, ограничение тока и UVLO.
  • Миниатюрный корпус: 3,8х3х1,6 мм.
  • Возможность индивидуальной разработки с использованием LMZM23600 при помощи WEBENCH® Power Designer.

TIOL111

Семейство трансиверов TIOL111 реализует интерфейс IO-Link для промышленных двунаправленных коммуникаций «точка-точка». Когда устройство подключено к ведущему IO-Link через трехпроводной интерфейс, ведущий может инициировать коммуникацию и обмениваться данными с удаленным узлом, в то время как TIOL111 действует в качестве полноценного физуровня в обмене.

Эти устройства способны выдерживать выбросы напряжения до 1,2 кВ (500 Ом) согласно IEC 61000-4-5, а также содержат интегрированную защиту от включения с обратной полярностью.

Интерфейс программирования через выводы позволяет получить простой доступ к цепям контроллера. Ограничение выходного тока может быть настроено с использованием внешнего резистора (рисунок 15).

Рис. 15. Функциональная схема TIOL111-x

Рис. 15. Функциональная схема TIOL111-x

Отчеты о сбоях и функции внутренней защиты реализованы для состояний недостаточного напряжения, превышения по току и перегрева.

Особенности:

  • Напряжение питания: 7…36 В.
  • Выход, настраиваемый как PNP, NPN и IO-Link:
    • Поддержка скоростей обмена IEC 61131-9 COM1, COM2 и COM
  • Малое значение остаточного напряжения: 1,75 В при 250 мА.
  • Ограничение по току: 50…350 мА.
  • Устойчив к перепадам напряжения ±65 В длительностью менее 100 мкс.
  • Защита от включения с обратной полярностью до 55 В по L+, CQ и L-.
  • Встроенная EMC-защита по L+ и CQ:
    • Контактный разряд ESD ±16 кВ IEC 61000-4-2.
    • Кратковременный выброс напряжения ±4 кВ IEC 61000-4-4.
    • Выброс напряжения ±1,2 кВ/500 Ом IEC 61000-4-5.
  • Быстрое размагничивание индуктивных нагрузок: до 1,5 Гн.
  • Способность управлять нагрузкой с большой емкостью.
  • Ток утечки CQ: < 2 мкА.
  • Ток холостого хода: < 1,5 мА.
  • Встроенные опции LDO для тока до 20 мА:
    • TIOL111: без LDO.
    • TIOL111-3: LDO 3,3 В.
    • TIOL111-5: 5 В.
  • Предупреждение и защита по перегреву.
  • Удаленный индикатор активизации.
  • Индикатор сбоя.
  • Расширенный диапазон температур окружающей среды: -40…125°С.
  • 10-выводный корпус VSON 2,5х3 мм.

Теоретические основы разработки системы

Компании-производители полупроводников управляют своим оборудованием по производству пластин так, чтобы максимально увеличить время безотказной работы, производительность и пропускную способность. Группы инженеров по оборудованию постоянно ищут новые способы повышения эффективности производственного процесса. На фабрике по производству пластин в процессе производства используются сотни вакуумных насосов (рисунок 16).

Рис. 16. Вакуумные насосы на участке по производству пластин

Рис. 16. Вакуумные насосы на участке по производству пластин

Работа этих вакуумных насосов должна тщательно контролироваться для обеспечения бесперебойного производства пластин. Незапланированное прерывание работы вакуумных насосов приводит к утилизации пластин, потере доходов и неприемлемой задержке поставок товара потребителям. В вакуумных насосах Busch предусмотрено постоянное измерение температуры корпуса, тока двигателя, расхода азота, расхода воды и состояния масла. Кроме того, вакуумные насосы обеспечивают питание 24 В. При помощи рассматриваемой нами референсной платы, подключенной к вакуумным насосам, постоянные данные измерений можно централизованно собрать и обеспечить легкий доступ к ним через интернет. Это, в свою очередь, позволяет проанализировать тенденции и организовать заблаговременное техническое обслуживание. На рисунке 17 показано подключение платы TIDA-010012 к вакуумному насосу. На рисунке 18 представлены некоторые данные, считанные с насоса, которые отображаются на дисплее платы TIDA-001012.

Рис. 17. TIDA-010012, подключенная к вакуумному насосу

Рис. 17. TIDA-010012, подключенная к вакуумному насосу

Рис. 18. Дисплей TIDA-010012, отображающий данные вакуумного насоса

Рис. 18. Дисплей TIDA-010012, отображающий данные вакуумного насоса

Контроль состояния с Wi-Fi® и IBM Watson IoT

Для контроля состояния вакуумного насоса отправляются также и в облако. В данной разработке CC3220 используется для подключения к сервису IBM Watson IoT через Wi-Fi с использованием MQTT Client library API. IBM Watson Platform предлагает сервис Quick Start, позволяющий устройствам подключаться без регистрации для оценки платформы и проверки установления соединения. В нем имеется предустановленная поддержка оценочных плат TI, что позволяет разработчикам быстро начать прототипирование устройств IoT. На рисунке 19 показано отображение контроля температуры вакуумного насоса в IBM Watson IoT Platform.

Рис. 19. IBM Watson IoT Platform с отображением температуры вакуумного насоса

Рис. 19. IBM Watson IoT Platform с отображением температуры вакуумного насоса

Ключевые функции IBM Watson IoT:

  • Обеспечение связи устройств IoT, сетей и шлюзов
  • Использование возможностей глубокого анализа и Watson IoT API
  • Возможность управлять рисками и безопасностью приложений и устройств совместно с экосистемой IoT
  • Предоставление сервисов по управлению информацией для структурированных и неструктурированных данных от устройств, пользователей и окружающего мира

Благодаря централизованному сбору данных вакуумных насосов и представлению их в виде, доступном для чтения руководителями производства, данная система позволяет осуществлять анализ закономерностей, что позволяет оптимизировать работу фабрики посредством корреляции данных со специфичными процессами производства полупроводников.

Контроль состояния с помощью беспроводной ячеистой сети

Помимо подключения CC3220 к облаку по Wi-Fi, с помощью данной разработки может быть построена ячеистая сеть с использованием платы адаптера CC2652. В этой беспроводной ячеистой сети вакуумные насосы могут быть подключены к центральному шлюзу, и их данные можно собирать для контроля состояния. Ячеистые сети повышают надежность беспроводных систем благодаря возможности передавать сообщения через соседние узлы (рисунок 20). Например, если узел (плата TIDA-010012) не может послать сообщение другому узлу напрямую, ячеистая сеть пересылает сообщение через один и более промежуточных узлов. Для данной разработки был использован протокол 6LoWPAN. 6LoWPAN – это открытый стандарт, определенный в RFC 6282 организацией Internet Engineering Task Force (IETF). 6LoWPAN – самый нижний уровень в стеке, расположенный после IPv6 и до IEEE802.15.4 MAC. Уровень 6LoWPAN фрагментирует и сжимает IP-фреймы так, чтобы они могли быть отправлены через IEEE MAC. Основная идея – в том, чтобы сжимать заголовки IPv6 и не отсылать данные и информацию, которую устройства уже знают. Например, отправка адресов отправителя и получателя IPv6 в каждом заголовке не обязательна, поскольку узел фиксирует эту информацию единожды, когда заголовок присоединяется к сети 6LoWPAN. Другой важной особенностью 6LoWPAN является фрагментация, то есть разделение пакетов для упаковки в фреймы IEEE802.15.4 MAC. Сети 6LoWPAN являются самовосстанавливающимися ячеистыми сетями, где устройства автоматически подключаются к граничному маршрутизатору (шлюзу) с верными настройками РЧ и безопасности. Если узел сбоит или выпадает из сети, протокол маршрутизатора способен найти новый путь в обход неисправного устройства.

Рис. 20. Общий вид беспроводной ячеистой сети

Рис. 20. Общий вид беспроводной ячеистой сети

Плата BeagleBone™ Black, подключенная к CC2650 SensorTag, образует граничный маршрутизатор для интернета. CC2650 SensorTag действует как корневой узел. Сжатый заголовок IPv6 требует промежуточного устройства (шлюза) для осуществления преобразования между 6LoWPAN и стандартным заголовком IP. Граничный маршрутизатор может быть представлен как данный упрощенный шлюз. На BeagleBone™ Black работает веб-сервер. Для подключения к веб-серверу BeagleBone™ Black и просмотра сенсорных узлов может быть использован стандартный веб-браузер: Internet Explorer, Firefox или Google Chrome.

На рисунке 21 показан веб-GUI и фактическое соединение плат TIDA-010012 (узлов) в ячеистой сети. Оранжевые точки – это узлы, подключенные к насосам, а зеленая точка – шлюз. В целях тестирования, было установлено 22 узла.

Рис. 21. Карта соединения плат TIDA-010012

Рис. 21. Карта соединения плат TIDA-010012

При нажатии на различные узлы видны актуальные данные вакуумных насосов. Например, на рисунке 22 показаны актуальные данные вакуумного насоса узла 13.

Рис. 22. Данные вакуумного насоса узла 13

Рис. 22. Данные вакуумного насоса узла 13

Благодаря многостандартному беспроводному МК CC2652 2.4 GHz данная разработка также может поддерживать Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy или проприетарные решения.

Bluetooth® Low Energy для настройки и обслуживания

В дополнение к протоколу ячеистой сети, CC2652 может также осуществлять обмен по BLE для конфигурации и обслуживания TIDA-010012. На заводе используются различные вакуумные насосы с разными интерфейсами и типами данных для мониторинга состояния. В зависимости от того, к какому насосу для считывания данных подключен TIDA-010012, он должен запускать разные протоколы по RS-232 или RS-422/RS-485. С помощью интерфейса Bluetooth на плате адаптера CC2652 можно использовать смартфон или планшет для настройки платы TIDA-010012 на работу с различными типами насосов. После настройки по Bluetooth CC2652 переключится с BLE на протокол ячеистой сети, чтобы непрерывно отправлять данные насосов для мониторинга состояния.

Оборудование и требования для тестирования, результаты тестов

Необходимое оборудование 

На рисунке 23 представлено 3D-изображение платы референсной разработки.

Рис. 23. TIDA-010012 (3D)

Рис. 23. TIDA-010012 (3D)

Данный референсный дизайн состоит из трех различных плат:

  • Основной платы с MSP432P4111
  • Платы с CC3220, Wi-Fi и дисплеем
  • Платы адаптера CC2652

На рисунке 24 показана референсная разработка TIDA-010012 в сборе со всеми тремя платами.

Рис. 24. TIDA-010012 в сборе

Рис. 24. TIDA-010012 в сборе

Основная плата

На рисунке 25 изображена основная плата. Все компоненты расположены на ее верхнем слое для простоты оценки.

Рис. 25. Основная плата

Рис. 25. Основная плата

Интерфейсы RS-232 и RS-485

На основной плате доступны интерфейсы RS-232 и RS-485/RS-422 через соединитель J3 (рисунок 26).

На фабрике по производству полупроводников в качестве примера платы были подключены по интерфейсу RS-485 соединителем J3 к нескольким вакуумным насосам, таким как Busch Cobra® DS. Интерфейс данных насосов совместим с RS-485 и использует протокол GE® Fanuc® Series Ninety Protocol (SNP). При помощи этого интерфейса с вакуумных насосов могут быть считаны постоянные данные измерений температуры корпуса, тока двигателя, потока азота и потока воды. Разработка также может быть подключена к насосам иных типов с другими протоколами, такими как Modbus.

Рис. 26. Описание выводов соединителя J3

Рис. 26. Описание выводов соединителя J3

Резистивный термодатчик (RTD)

Основная плата имеет опцию для RTD. Для формирования тока возбуждения и измерения сопротивления RTD данная разработка оснащена микросхемой ADS122U04. На рисунке 27 показана реализация трехпроводного логометрического измерения RTD с использованием источников тока возбуждения, интегрированных в ADS122U04. Сигнал датчика (который, по сути, является напряжением на RTD) и опорное напряжение АЦП формируются одним и тем же источником возбуждения. Поэтому ошибки, возникающие вследствие температурного дрейфа или шума источника тока возбуждения, компенсируются, так как они равны как для сигнала датчика, так и для опорного напряжения. Ток возбуждения от ADS122U04 течет через два диода – D4 и D5 – создающих опорное напряжение на R42. Данный прецизионный резистор сопротивлением 3,24 кОм имеет допуск 0,1% с температурным коэффициентом 10 ppm/оC, и создает опорное напряжение для АЦП, чем реализует логометрическое измерение.

Рис. 27. Трехпроводное измерение RTD

Рис. 27. Трехпроводное измерение RTD

Плата TIDA-010012 с Wi-Fi и дисплеем

На рисунке 28 изображена плата с Wi-Fi и дисплеем. Все компоненты расположены на верхнем слое печатной платы для простоты оценки.

Рис. 28. Плата с Wi-Fi и дисплеем

Рис. 28. Плата с Wi-Fi и дисплеем

Плата оснащена бортовым восьмицветным LCD-модулем LS013B7DH06, подключенным через J4. Дисплей имеет интерфейс SPI и может управляться как от CC3220MODASF, так и от MSP432P4111 основной платы. Для Wi-Fi-подключения на плате есть CC3220MODASF, являющийся модулем Plug and Play; иные РЧ-компоненты не требуются. 

Плата адаптера CC2652

На рисунке 29 изображена плата адаптера CC2652. Все компоненты расположены на верхнем слое печатной платы для простоты оценки.

Рис. 29. Плата адаптера CC2652

Рис. 29. Плата адаптера CC2652

На плате расположена перевернутая печатная антенна F-формы на частоту 2,4 ГГц. Печатные антенны очень чувствительны к топологии. Для наилучших характеристик рекомендуется следовать топологии проекта в отчете о применении «2.4-GHz Inverted F Antenna». Данный документ описывает проект печатной платы, который может быть использован для любых трансиверов и передатчиков TI.

Плата адаптера CC2652 имеет на борту устройство HDC2080, представляющее собой интегральный датчик температуры и влажности, обеспечивающий высокоточные измерения при очень малом энергопотреблении. Таким образом, плата может быть использована в качестве независимого беспроводного датчика температуры и влажности. Для питания платы в независимом режиме достаточно одной плоской батарейки CR2032. Батарея может быть подключена к TP1 (VCC) и TP2 (GND).

Программное обеспечение

CC3220 SimpleLink™ SDK и клиент IBM Watson MQTT

С помощью CC3220, подключенного к интернету через Wi-Fi, данный референсный дизайн может начать отправку данных в облако. Идеальным протоколом для обновления в облаке данных об актуальном состоянии вакуумных насосов является протокол Message Queue Telemetry Transport (MQTT). Он отлично подходит для данной разработки, так как является легким протоколом, основанным на модели публикации-подписки.

Работа по модели публикации-подписки означает, что устройства клиентской части, использующие протокол, отправляют сообщения друг другу посредством их предварительной публикации на центральном брокере. После этого брокер распределяет сообщения всем остальным клиентам, подписанным на тему, по которой было опубликовано сообщение. Это дает преимущество, масштабирования сети из подключенных клиентов через вендора облака, и упрощает добавление функционала MQTT-клиента в проект на основе SimpleLink™ Wi-Fi, поскольку клиентская библиотека MQTT включена в комплект разработчика программного обеспечения CC3220.

Клиентская библиотека MQTT из SDK может быть использована для быстрого подключения к серверу облака, например, IBM. SimpleLink™ CC32XX Watson IoT Plugin предоставляет компоненты, которые позволяют инженерам разрабатывать приложения для подключаемых МК CC3220 и использовать функционал платформы Watson IoT.

SimpleLink™ SDK

CC26x2 SimpleLink™ SDK позволяет получить целостный и последовательный опыт благодаря набору основных программных компонентов, таких как TI RTOS, периферийные драйверы, стек TI 15.4, Bluetooth Low Energy и примеры TI Open Thread Stack в одном легком в использовании пакете ПО вместе с исчерпывающей документацией.

MSP432P4 SimpleLink™ SDK

MSP432P4 SimpleLink™ SDK предоставляет компоненты, позволяющие инженерам разрабатывать приложения для микроконтроллерных устройств Texas Instruments. Продукт состоит из множества программных компонентов и примеров их совместного использования. Дополнительно приведены примеры для демонстрации использования каждой функциональной области и каждого поддерживаемого устройства в качестве отправной точки ваших собственных проектов.

Схема испытаний

Для испытания стабильности беспроводной ячеистой сети в промышленном окружении были установлены 22 узла и один шлюз в зашумленной среде, где работали сотни различных машин, таких как вакуумные насосы, степперы для фотолитографии, установки для травления, очистки, легирования и резки.

Результаты испытаний

Для примера платы референсного дизайна были подключены к нескольким вакуумным насосам (Busch Cobra DS) фабрики по производству полупроводников через интерфейсы RS-485 и RS-232. На рисунке 30 представлено изображение одного узла, подключенного к вакуумному насосу и считывающего его данные.

Рис. 30. Разработка TIDA-010012, подключенная к вакуумному насосу

Рис. 30. Разработка TIDA-010012, подключенная к вакуумному насосу

Вакуумные насосы Busch предоставляют постоянные данные измерений температуры корпуса, тока двигателя, потока азота, воды и другую информацию о своем состоянии. Кроме того, вакуумные насосы дают напряжение 24 В для питания рассматриваемой нами референсной платы. Эти вакуумные насосы должны четко контролироваться для обеспечения непрерывного функционирования. С помощью референсной платы, подключенной к вакуумным насосам, постоянные данные измерений можно централизованно собирать и обеспечить легкий доступ к ним через интернет.

На рисунке 31 представлена выборка собранных данных контроля состояния вакуумного насоса. Показаны состояние масла (oil), потока азота (N2), потока воды (H2O) и температуры (tamb) насоса для интервала в несколько дней. Этот сбор информации предоставляет возможность анализа закономерностей и заблаговременного технического обслуживания.

Рис. 31. Данные контроля состояния вакуумного насоса

Рис. 31. Данные контроля состояния вакуумного насоса

Данная информация дает операторам насосов возможность прогнозировать сбой до того, как он произойдет. Дефектные компоненты, которые могут вскоре вывести систему из строя, возможно определить независимо от обычного расписания техобслуживания и заблаговременно заменить.

Проектные файлы

По ссылке TIDA-010012 вы можете загрузить:

  1. Схемы и диаграммы (общее представление о схемотехнике решения)
  2. Спецификацию (BOM)
  3. Рекомендации по проектированию печатной платы
    Для получения максимальной эффективности PCB-антенны TI рекомендует изучить документ TIDA-010012, посвященный дизайну инвертированной F-антенны диапазона 2,4 ГГц.
  4. Макет для печати
  5. Файлы проекта в Altium Designer®
  6. Gerber-файлы
  7.  Сборочные чертежи
  8. Программное обеспечение
    Программное обеспечение TIDA-010012 состоит из нескольких элементов, подлежащих лицензированию различного уровня. Большинство драйверов, каналов связи и ядра ОС включены в комплект SimpleLink SDK. Программное обеспечение TIDA-010012 является примером для оценки аппаратного обеспечения и не было утверждено в качестве рабочего. В случае стека сетевых протоколов mesh доступны различные альтернативы, такие как реализация с открытым исходным кодом при поддержке проекта сообщества Contiki-NG. Другие программные стеки, такие как BLE, ZigBee и т.д., также могут быть использованы для аппаратного анализа.

 

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Семенов по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
CC2652R1FRGZR (TI)
CC2652R1FRGZT (TI)
CC3220MODASM2MONR (TI)
CC3220RM2ARGKT (TI)
MSP432P4111TPZR (TI)
MSP432P4111IPZ (TI)
MSP432P4011TRGCT (TI)
MSP432P401MIRGCT (TI)
CC3220MODSM2MOBR (TI)
CC3220MODASF12MONR (TI)
THVD1450D (TI)
THVD1451D (TI)
TRS3232EIPWG4 (TI)
TRS3232ECDB (TI)
HDC2080DMBT (TI)
HDC2080DMBR (TI)
LMR36006BEVM (TI)
LMR36006CRNXT (TI)
TLV75507PDQNR (TI)
TLV75509PDQNT (TI)