02. října 2017 11:11

Nové paradigma v automatizaci vytvořené pomocí pokročilých mikrokontrolérů

Automatizace nyní formuje každodenní život. Například se podívejte na nejnovější obchod v Seattlu, Amazon Go. Tento obchod prodává převážně čerstvé produkty, stejně jako mnoho dalších, ale s jedním zásadním rozdílem: zákazníci nemusí brát své výrobky k pokladně, aby za ně zaplatili. Stačí vejít, vybrat si zboží, které chtějí a odejít.

Podle maloobchodního on-line gigantu trvalo čtyři roky přimět Amazon, aby přešel na tuto fázi beta verze a brzy bude prodejna otevřena všem zákazníkům s účtem Amazon a příslušnou aplikací ve smartfonu. Zákazníci při vstupu jednoduše přejedou obrazovku svého telefonu a to je vše. Nákupy jsou automaticky fakturovány na jejich Amazon účet při odchodu z obchodu. Systém je dokonce schopen rozpoznat, kdy je zboží nahrazováno na polici.

Tato úroveň automatizace je dnes v prodejnách bezprecedentní, ale pravděpodobně bude během několika krátkých let samozřejmostí. A tím to vše nekončí.

Obr. 1 Dvoujádro Delfino od společnosti Texas Instruments využívá architektonické inovace pro zvýšení výkonu v reálném čase v aplikacích řízení a automatizace.

Přibližujeme se blíže k okraji

Podle Amazonu se technologie použitá v jeho obchodě v Seattlu zrodila z téže technologie, která nyní začleňují do autonomních vozidel: hluboké učení, strojové vidění a fúze senzorů.

Jako se IoT rozšiřuje i na průmyslové, lékařské, automobilové a maloobchodní sektory, stává se cloud stále důležitější. Velká část zpracování bude bezpochyby probíhat v cloudových službách Amazonu, ale existuje rostoucí počet poskytovatelů cloudových služeb nabízejících podobné technologie. Microsoft s platformou Azure je snad v tomto ohledu největší konkurent pro Amazon, ale mnozí další již úspěšně poskytují služby založené na cloudu pro průmysl, včetně výrobců autonomních automobilů.

Automatizace se pravděpodobně bude šířit a v mnoha ohledech bude významnější než IoT nebo takzvané Industry 4.0, kde průmyslová automatizace usměrňuje výrobu mnohých z našich každodenních zboží.

Amazon Go již byl kritizován za použití technologie k nahrazení lidí u pokladny, ale tvrdá realita je, že dalším krokem budou pravděpodobně roboti schopní doplňovat police. Zatímco to může vyvíjet větší tlak na trh práce, způsobí to nepochybně, že se pracovní síly přemístí do funkcí, které jsou založeny více na zručnosti a méně snadno se dají automatizovat. Tato úroveň automatizace může začít měnit společnosti, ale bude vyžadovat ještě vyšší úroveň místního zpracování. To vytváří poptávku po Edge Processing, nebo po tom, co se stalo známé jako Fog Computing.

Jednou z nevyhnutelných sankcí uvádění informací do cloudu je latence,kterou zavádí. V IoT obecně, a v automatizaci zejména, je latence velký problém. Vezměme si například automatizaci domácnosti. Pokud existuje výraznější prodleva mezi cvaknutím vypínače světla a rozsvícením světla, budou spotřebitelé méně ochotni to přijmout. V situacích, kde automatizace vyžaduje fyzicky autonomní objekty, jako jsou roboti zavážející police, latence by mohla způsobit neudržitelnost použití robota.

Z tohoto důvodu budou muset být stejné technologie, které nyní umožňují Amazon Go a autonomní vozidla, implementovány na okraji, ať se jedná o místní brány v oblasti Fog Computing nebo v samotném zařízení.

Latence je zavedena omezením šířky pásma i rychlosti zpracování, takže uvedení těchto technologií v blízkosti okraje má mnoho výhod. Z tohoto důvodu to nyní aktivně řeší mnoho předních výrobců polovodičové techniky.

Mnohojádrové ovládání

Vestavěné ovládání je něco, co mikrokontroléry dělají po celá desetiletí, a zatímco se může definice „automatizace“ rychle vyvíjet, jsou konfigurovatelná zařízení vždy v jejím jádru. V dnešní době se zaměřují více vysoce integrovaná zařízení na tento aplikační prostor jako reakce na zvýšenou úroveň automatizace napříč všemi odvětvími.

Řada TMS320F2837xD mikrokontrolérů, součást skupiny Delfino společnosti Texas Instruments, přijímá vícejádrovou architekturu na poskytování bezprecedentního výkonu v aplikacích regulace v uzavřené smyčce. Ovládání v uzavřené smyčce je základní součástí průmyslových pohonů a hraje klíčovou roli v automatizaci. Čím efektivněji mohou být prováděny komplexní řídicí algoritmy, tím větší kontrola nad systémem je vytvořena. Protože je řízení rozhodující pro automatizační systémy, čím vyšší je výpočetní výkon tím lépe. Určitě, vysoký výkon má vždy kompromisy, proto výrobci polovodičů usilují o vývoj zařízení, která tlačí výkon na úroveň architektury, jako je tomu v případě dvoujádrového zařízení Delfino.

Ačkoli jsou popisovány jako dvoujádrové mikrokontroléry, bylo by přesnější o nich mluvit jako o mnohojádrových zařízeních. Vyznačují se dvěma řídicími subsystémy v reálném čase na základě jednotek TI 32-bit C28x pro výpočty s plovoucí desetinnou čárkou, schopné provozu při 200 MHz (Obrázek 1 zobrazuje blokové schéma TMS320F2837xD). Každý z těchto subsystémů má nezávislý 32bitový koprocesor v reálném čase, známý jako Control Law Accelerator (akcelerátor algoritmu řízení) nebo CLA. Každý CLA je schopen souběžného provádění i při 200 MHz, a jako takový může účinně zdvojnásobit výkon každého subsystému. To také umožňuje, aby byly časově kritické funkce vloženy do CLA, což umožňuje hlavnímu jádru volně provádět další funkce.

Obr. 2 Koprocesor akcelerátoru algoritmu řízení Delfino může zdvojnásobit výkon každého ze svých subsystémů.

Každý CLA nabízí vlastní sběrnicovou strukturu a magistrálu (viz obrázek 2) a může provést jeden až osm konkrétních úkolů. Každý z úkolů je dokončen v pořadí podle své priority, než je zahájen další úkol. Úkoly mohou být spouštěny buď v softwaru nebo v periferním zařízení. Každý subsystém nabízí další inovace architektury včetně Trigonometrické matematické jednotky (TMU) a Virterbi/Komplexní matematické jednotky (VCU-II). TMU urychluje algoritmy s trigonometrickými operacemi užívanými v transformacích a smyčkové výpočty momentu, zatímco VCU zrychluje výpočet komplexních funkcí často používaných v kódovaných aplikacích.

Zařízení lze také integrovat 24 PWM kanálů s vylepšenými funkcemi a 16 kanálů PWM s vysokým rozlišením. Tyto periferie jsou ideální pro implementaci mnohoosých pohonů a senzory vybaveného FOC (polem řízené ovládání) 3fázových synchronizovaných motorů s permanentním magnetem.

Jako součást skupiny C2000 společnosti Texas Instruments jsou dvoujádrová zařízení Delfino podporována softwarovým prostředím controlSUITE, které obsahuje knihovny kódu pro provádění řízení motorů, digitální napájení, aplikace pro solární energii a osvětlení LED.

Komunikace v reálném čase

Automatizace na jakékoli úrovni se opírá o vysokorychlostní komunikační rozhraní mezi různými částmi distribuovaného systému. Rozhraní a protokol široce používané k dosažení tohoto výsledku je EtherCAT nebo Ethernet pro řízení automatizační technologie. EtherCAT byla zavedena v roce 2003 předtím, než se objevily IoT nebo Industry 4.0. Nicméně se stala umožňující technologií pro obojí. V zásadě poskytuje krátké doby cyklu, nízké vibrace a přesnou synchronizaci a je tak ideální pro robotiku a výrobní automatizované montážní systémy. Její topologie sítě s jedinou hlavní stanicí (master), více podřízenými stanicemi (slave) je určena k zajištění výkonu v reálném čase s teoretickou rychlostí přenosu dat přesahující 100 Mbit/s.

Řada mikrokontrolérů nyní integruje hlediska rozhraní EtherCAT, ale pouze jedna skupina tvrdí, že je první, která integrovala kompletní uzel EtherCAT s mikrokontrolérem založeným na ARM Cortex-M4, řada XMC4000 od společnosti Infineon. Konkrétně EtherCAT je integrována do XMC4300 a XMC4800 členů skupiny.

Obr. 3 Model XMC4300 od společnosti Infineon je prvním mikrořadičem k integraci kompletního uzlu EtherCAT.

Jak je znázorněno na obrázku 3, XMC4300 obsahuje řadu komunikační modulů spolu s EtherCAT podřízeným rozhraním, včetně Ethernet MAC, USB, CAN a UART. Řada periferií byla přidána konkrétně na podporu průmyslového řízení a zahrnují jednotky záznamu/porovnávání, Watchdog časovač, teplotní senzor, modul hodin reálného času a řídicí jednotku systému.

Model XMC4300 je také schopen provozovat všechny hlavní protokoly EtherCAT paralelně, včetně standardní EtherCAT, Safety přes EtherCAT a Ethernet přes EtherCAT.

Díly XMC4300 a XMC4800 se odlišují od konkurenčních zařízení svou úrovní integrace. Konkrétně XMC4300 integruje celou paměť a generování hodin potřebných k podpoře EtherCAT, zatímco konkurenční díly mohou vyžadovat externí paměť, krystalem řízený generátor hodin nebo obojí. Tato úroveň integrace může výrazně snížit náklady seznamu materiálů, PCB plochu a složitost návrhu. Infineon také zvýrazňuje zařazení periferie smíšených signálů, které jsou k dispozici v XMC4300 ve formě dvou 8kanálových, 12bitových analogově digitálních převodníků a jednoho dvoukanálového, 12bitového digitálně analogového převodníku.

Další výhodou tohoto zařízení je jeho 32bitová sběrnice s vysokou šířkou pásma připojující EtherCAT IP k CPU. Toto je příznivě srovnatelné s diskrétním řešením pomocí externího mikrokontroléru, což v důsledku omezuje šířku pásma pro přenos dat často k 8 nebo 16 bitovému rozhraní.

Závěr

Inovace, jako jsou hluboké učení, strojní vidění a fúze senzorů, vytvářejí nové paradigma na průmyslových, lékařských, spotřebitelských a automobilových trzích. Moderní a vysoce integrované mikrokontroléry jsou nyní schopné kombinovat základní řízení a funkce automatizace tohoto paradigmatu v jediném zařízení při zaměření na širší spektrum aplikací. Služby založené na technologii cloud budou ve stále větší míře doplňovány Fog Computing a zpracování na okraji. Zařízení jako dvoujádrová skupina Delfino společnosti TI a XMC4300 společnosti Infineon poženou další inovace a podpoří ještě širší automatizaci.

Rich Miron, Digi-Key Electronics