MSP430 с памятью FRAM и конфигурируемыми аналоговыми периферийными блоками на производстве

17 октября

системы безопасностиавтоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Мэтт Кальво (Texas Instruments)

Конфигурируемые аналоговые периферийные блоки и память FRAM в составе микроконтроллеров MSP430 производства Texas Instruments позволяют применять их для быстрого обновления ПО промышленного протокола связи IO-Link и в качестве передатчиков стандартов 4-20 mA и HART.

Наиболее революционные изменения в промышленном производстве всегда связаны с какими-либо существенными инновациями. Идет ли речь об использовании силы пара в середине XVIII века или о внедрении конвейерной модели производства в начале XX, любое подобное нововведение приводило к существенному росту эффективности и производительности.

Мы живем в эпоху, когда промышленная робототехника, интеллектуальные датчики и автоматические сборочные линии в корне меняют принципы управления производством. Процесс изготовления изделия все более автоматизируется, при этом машины обучаются исполнению операций, ранее производившихся вручную. Датчики осуществляют постоянный мониторинг этих машин, измеряя их вибрацию и температуру, дабы убедиться, что они работают в нормальном режиме и не перегреваются. Затем датчики передают собранную информацию на центральный управляющий узел, осуществляющий контроль за всеми машинами в сборочной линии. Для этих сложных системных сетей важно коммуницировать друг с другом так, чтобы это обеспечивало беспроблемную работу всего производства.

Именно в условиях необходимости эффективной коммуникации начинает в полной мере проявляться ключевое значение протоколов связи промышленной автоматики. Три наиболее часто используемых протокола проводной связи, используемые приемопередатчиками в условиях современного производства – IO-Link, 4-20 mA и HART (Highway Addressable Remote Transducer) – могут быть реализованы на сверхмалопотребляющих микроконтроллерах MSP430 с помощью встроенных в них периферийных конфигурируемых аналоговых блоков для сигнальных цепей. Одним из них является Smart Analog Combo, блок-схема которого приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок Smart Analog Combo, встроенный в МК серии MSP430FR235x

Рис. 1. Блок Smart Analog Combo, встроенный в МК серии MSP430FR235x

Smart Analog Combo

Smart Analog Combo – конфигурируемый аналоговый периферийный блок, содержащий высокопроизводительный, малопотребляющий операционный усилитель (ОУ) с программируемым (вплоть до значения 33) коэффициентом усиления и 12-битным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Знаменуя приход технологии, известной как Индустрия 4.0, протокол связи IO-Link постепенно все более распространяется в сфере промышленной автоматики. Он основан на связи типа «точка-точка» и реализует двунаправленную связь между сенсорными узлами и управляющим устройством IO-Link.  Одним из наиболее убедительных аргументов в пользу применения IO-Link является возможность перепрограммировать сенсорный узел или обновить параметры конфигурации, не прерывая работы. Обновление ПО IO-Link для типового устройства с Flash-памятью может занять до 1 минуты из-за относительно медленной скорости записи и необходимости отослать управляющему устройству сообщение «занято». Ферроэлектрическая память с произвольным доступом (FRAM) микроконтроллера MSP430 делает обновление ПО простой процедурой, поскольку скорость записи в 100 раз превышает аналогичную величину у Flash-памяти, помимо более низкого энергопотребления и преимуществ по надежности и безопасности.  Еще одним преимуществом над Flash-памятью является то, что данные в память FRAM можно записывать непосредственно из канала IO-Link без буферизации.

Типовая разработка обновления ПО IO-Link IO-Link Firmware Update Reference Design Leveraging MSP430 FRAM Technology на базе МК MSP430FR5969 демонстрирует преимущества использования МК с памятью FRAM для обновления ПО IO-Link. Стек IO-Link, используемый в данной разработке (см. рисунок 2) поставляется сторонней компанией и соответствует спецификациям v1.1 и v1.0 для IO-Link.

Рис. 2. Типовая разработка: обновление ПО IO-Link с использованием преимуществ памяти FRAM MSP430

Рис. 2. Типовая разработка: обновление ПО IO-Link с использованием преимуществ памяти FRAM MSP430

Хотя протокол IO-Link в данный момент весьма популярен, одним из основных стандартов в промышленности все же остается интерфейс 4-20 mA. Токовая петля 4-20 мА позволяет датчику передать информацию на приемное устройство хоста, расположенное на расстоянии до нескольких километров. Требования низкого энергопотребления, предъявляемые к передатчикам токовой петли, делают сверхмалопотребляющие контроллеры MSP430 идеальным решением для реализации сенсорных приложений на базе этого протокола. Типовая разработка датчика температуры на базе токовой петли 4-20 mA с использованием блока Smart Analog Combo микроконтроллера MSP430 4- to 20-mA Loop-Powered RTD Temperature Transmitter Reference Design with MSP430 Smart Analog Combo, показанная на рисунке 3, демонстрирует преимущества использования MSP430FR2355 для передатчика токовой петли. Вместо того, чтобы отводить место на плате под аналоговый фронтэнд, используемый в качестве драйвера токовой петли, можно использовать конфигурируемый внутренний блок внутри MSP430FR2355 с операционным усилителем, тем более, что в этот блок входят также ЦАП и программируемый коэффициент усиления. В состав микроконтроллеров MSP430FR235х входят четыре блока Smart Analog Combo, которые при использовании по отдельности или вместе позволяют создать разнообразный функционал для усиления и обработки сигнала.

Рис. 3. Типовая разработка датчика температуры на базе токовой петли 4-20 mA с использованием блока Smart Analog Combo микроконтроллера MSP430

Рис. 3. Типовая разработка датчика температуры на базе токовой петли 4-20 mA с использованием блока Smart Analog Combo микроконтроллера MSP430

Еще один протокол, широко используемый в промышленной автоматике – это протокол HART, во многом основанный на принципах аналоговой токовой петли 4-20 mA. HART считается интеллектуальной версией токовой петли, поскольку помимо передачи данных он способен накладывать низкочастные «единицы» (1200 Гц) и «нули» (2200 Гц) поверх аналогового токового сигнала, передавая таким образом дополнительную информацию на управляющий узел. Это позволяет датчикам общаться на более интеллектуальном уровне. Типовая разработка высокоточного передатчика стандарта 4-20 mA на базе токовой петли с модемом HART Highly-Accurate, Loop-Powered, 4-mA to 20-mA Field Transmitter with HART Modem Reference Design (рисунок 4) демонстрирует применение микроконтроллера MSP430FR5969 в качестве передатчика HART, причем слой данных и слой применения протокола HART реализуются путем установки на MSP430 стека HART, написанного и поставляемого сторонней компанией.

Рис. 4. Типовая разработка: высокоточный передатчик стандарта 4-20 mA на базе токовой петли с HART-модемом

Рис. 4. Типовая разработка: высокоточный передатчик стандарта 4-20 mA на базе токовой петли с HART-модемом

Используя протоколы связи, упомянутые в данной статье, промышленные передатчики данных смогут работать без сбоев, что позволит повысить эффективность и степень интеллектуализации производства.

Дополнительные материалы

  1. Тренировочный курс MSP430 MCUs Smart Analog Combo training.
  2. Статья IO-Link: The backbone of the smart factory.
  3. Брошюра Integrating mixed signal capabilities on MSP430™ MCUs in industrial automation applications.
  4. Ссылка на типовые разработки по IO-Link Interface reference design landing page for IO-Link and digital inputs/outputs.
  5. Об Индустрии 4.0.

Оригинал статьи

Перевел по заказу АО Компэл  Геннадий Каневский

•••

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
MSP430FR2355TPT (TI)
MSP430FR2355TRSMR (TI)
MSP430FR2355TPTR (TI)
MSP430FR2355TRSMT (TI)
ADS1120IPW (TI)
ADS1120QPWRQ1 (TI)
ADS1120IPWR (TI)
ADS1120IRVAR (TI)
TPS7A1601DGNT (TI)
TPS7A1601DRBR (TI)
TPS7A1633AQDGNRQ1 (TI)
TPS7A1633DRBT (TI)
MSP430FR59691IRGZR (TI)
MSP430FR59691IRGZT (TI)
MSP430FR5969IRGZR (TI)
MSP430FR5969IRGZT (TI)
DAC8740HRGER (TI)
DAC8740HRGET (TI)