Автократия

Микросхемные решения для сети устройств.

Сегодня промышленные сети передачи данных переводятся с аналоговых технологий на цифровые, благодаря чему удается достичь более высокой производительности и одновременно сэкономить на накладных расходах и затратах на развертывание сетей. Хотя на этом рынке нередко встречаются решения собственной разработки, следование открытым стандартам позволяет сократить время на внедрение, снизить затраты и повысить совместимость.

В промышленных приложениях используется ряд сетевых стандартов, к примеру решения на базе промышленных шин, таких, как Profibus и Foundation, которая должна скоро появиться. Свое применение в промышленных областях нашли также сетевые решения, которые первоначально применялись в автомобильной отрасли, скажем локальная сеть контроллеров (Controller Area Network, CAN) или локальная сеть взаимодействия (Local Interconnect Network, LIN).

CAN ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Доказавшая свою состоятельность в автомобилестроении технология CAN все чаще применяется и в других отраслях промышленности при подключении приводов, датчиков, контроллеров и ряда других устройств для управления станками и как средство автоматизации. Протокол CAN принят в качестве международного стандарта ISO 11898 и позволяет организовать соединение со скоростью 500 Кбит/с или 1 Мбит/с. Первое из указанных значений скорости передачи как раз и используется в автомобильной отрасли. Однако реализация CAN в других отраслях промышленности требует существенного увеличения длины кабелей, по сравнению с данным частным случаем. Поэтому разработчики должны принять дополнительные меры по защите конструктивных элементов от электромагнитных помех.

В отличие от других шинных систем CAN идентифицирует передаваемые сообщения исключительно по их содержимому, а не по адресу передающего или принимающего узла. Все узлы сети получают и оценивают сообщения по их значимости и приоритету и в случае необходимости реагируют на это сообщение или игнорируют его. Сообщения могут предназначаться для отдельных или — в зависимости от передаваемой информации — сразу для нескольких узлов. Такая ориентированная на содержимое адресация обеспечивает высокую гибкость системы и ее конфигурации, благодаря чему узлы сети CAN быстро и просто интегрируются в имеющиеся инфраструктуры без дополнительной модификации программного и аппаратного обеспечения.

Высокая гибкость, простота применения и надежность CAN вкупе с экономичностью решений, а также возможность значительного снижения затрат на проводку делают сети CAN все более популярными в самых разных областях — от автоматизации производства до управления зданиями. В компании AMI Semiconductor (AMIS) считают, что до 20% всех реализаций CAN внедрены сегодня вне сферы автомобилестроения.

LIN И ПРОМЫШЛЕННАЯ ШИНА

Изначальная концепция промышленной шины предусматривает электрическую цепь с аналоговой шиной и силой тока от 4 до 20 мА. Она охватывает также стандартизованный физический интерфейс, питаемые от шины устройства и интегрированные устройства обеспечения безопасности для множества управляющих приложений. Спрос на дополнительные функции управления и появление возможности обработки еще большего количества запросов привели к созданию гибридных аналогово-цифровых решений, таких, к примеру, как Hart, в которых цифровая информация накладывается на аналоговые схемы.

Промышленная шина Foundation реализует полностью цифровое последовательное двунаправленное соединение. Одновременно она сохраняет преимущества аналоговых соединений и, помимо того, позволяет сообщать системе управления множество переменных системы устройств. Выгода для пользователя в данном случае заключается в получении точных данных, позволяющих провести тонкую регулировку процессов и тем самым обеспечить оптимальную мощность производства с низкой продолжительностью отказов. Кроме того, промышленная шина Foundation предлагает пользователю дополнительные возможности диагностики ошибок в процессах, благодаря чему можно раньше распознавать возникновение неоптимальных условий и быстрее произвести необходимые улучшения.

LIN дает возможность непосредственно управлять по сети исполнительными элементами (включая моторы). Данная технология сначала использовалась в автомобилестроении для снижения массы и стоимости кабельных структур, которые создаются при введении шинных инфраструктур, в том числе CAN. Подведение инфраструктуры CAN ко всем датчикам и исполнительным элементам слишком дорого. Решение LIN при этом более экономично и может интегрироваться в среду CAN при помощи центрального контроллера LIN. Таким образом, в современных транспортных средствах образуется иерархия сетей, и аналогичная ситуация складывается за пределами автомобилестроительного сектора: в промышленности появляются сетевые приложения, использующие те же протоколы.

Решение LIN заменяет сложную и дорогую проводку трехжильной шиной (по одной жиле на соединение, заземление и напряжение питания) и уменьшает мощность электромагнитного излучения, генерируемого проводкой. Предпосылка заключается в том, что широтно-импульсное (Pulse Width Modulation, PWM) управление размещается на самом моторе или поблизости от него. Кроме того, LIN обладает модульной структурой, поэтому масштабируется, легко восстанавливается и при использовании подходящей логики и соответствующего программного обеспечения отличается устойчивостью к отказам.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ

Построение сети требует реализации физического уровня. При этом прежде всего необходимо принять меры для электромагнитного экранирования в целях защиты от замыкания накоротко линий шины, а также от блокировки сетевых соединений. При этом в большинстве случаев разработчики вынуждены принимать собственные меры. Исполнительные элементы, к примеру приводы моторов, должны внедряться по отдельности, что требует дополнительных затрат на планирование и разработку.

Ранее подобные реализации физического уровня выполнялись в виде дискретных схем со стандартными компонентами. Сегодня для этого используются концепции полупроводников со смешанным сигналом. Полупроводниковая техника со смешанным сигналом высокого напряжения позволяет создавать интегральные схемы со всеми необходимыми функциональными блоками, содержащими полный физический уровень, включая привод высокого напряжения для моторов и исполнительных элементов, аналоговые интерфейсы для датчиков и интегрированные цифровые средства обработки данных, а также системы защиты высокого класса.

Рисунок 1. Интегральная схема привода шагового электромотора AMIS-30621 с шинным интерфейсом в левом верхнем углу.

На примере интегральной схемы привода шагового электродвигателя AMIS-30621 (см. Рисунок 1) видно, что сети датчиков и исполнительных элементов с поддержкой LIN выигрывают от применения техники со смешанным сигналом высокого напряжения. Изображенный модуль обеспечивает подключение LIN и содержит позиционный контроллер, привод MOSFET интерфейса диагностики для осей X и Y, а также защитные функции. Таким образом, он подходит для мехатронных решений, удаленно подключенных к главному устройству LIN. Микросхема получает команды о позиционировании через интерфейс и управляет катушками мотора до тех пор, пока не будет достигнута желаемая позиция. Интегрированный позиционный контроллер можно сконфигурировать для использования с разными типами моторов, областями позиционирования и параметрами: скоростью, ускорением, сокращением числа оборотов и распознаванием блокировки. Мотор AMIS-30621 функционирует в качестве ведомого устройства на шине; главное устройство может при этом запрашивать у каждого отдельного ведомого узла конкретную информацию о статусе, к примеру о текущей позиции или признаках ошибки.

К преимуществам описанного решения относится высокая степень абстракции набора команд, благодаря чему снижается нагрузка на процессор со стороны главного устройства. Модульное построение аппаратного и программного обеспечения способствует упрощению масштабирования по осям координат. Микрошаговый режим позволяет избежать выбора между минимальным числом оборотов, устранением шума (резонанса) и отказом от пошаговой эксплуатации. Интегрированное распознавание блокировки дает возможность точной калибровки позиции при контрольном запуске, а также работы с полузакрытой обратной связью при достижении состояния механической остановки без внешних датчиков.

Рисунок 2. Полупроводниковая техника со смешанным сигналом служит также для производства высокоскоростных приемопередатчиков CAN.

Та же полупроводниковая техника со смешанным сигналом служит для производства высокоскоростных приемопередатчиков CAN (см. Рисунок 2). Это одноплатное решение отвечает за дифференцированную передачу по физической шине CAN, а также за дифференцированный прием со стороны протокольного контроллера CAN. В то же время модуль обеспечивает выполнение функций защиты от пиковых напряжений и токов, которые нередко встречаются в промышленных средах. Высокая степень интеграции в отличие от традиционных стандартных контроллеров предлагает ряд преимуществ: так, например, широкая область синфазного напряжения на входах приемника (?35 В) делает модуль невосприимчивым к электромагнитным помехам. Хорошо подобранные выходные сигналы обеспечивают умеренное электромагнитное излучение. Поскольку необходимости в синфазном дросселе нет, схему можно упростить, сократив число требуемых компонентов и, следовательно, затраты. В отношении электростатической разгрузки полупроводниковая техника высокого напряжения предоставляет защиту от пиковых напряжений до 4 кВ.

Конструкция приемопередатчика гарантирует дальнейшую бесперебойную работу шины CAN, когда к шинной сети подключается непитаемая система устройств. Интегрированная защита от перегрева выключает передатчик, когда температура изолирующего слоя достигает 160?C, причем все остальные функции платы не отключаются. Интегрированное ограничение тока защищает выходной каскад передатчика от случайных коротких замыканий при положительном или отрицательном напряжении питания.

К прочим защитным механизмам относится функция остановки передачи данных, предотвращающая нахождение шинных каналов в постоянно управляемом состоянии, — проблема, следствием которой может стать блокировка всей сети.

Рисунок 3. Параметры производительности блоков доступа к среде промышленной шины.

Применение техники с использованием смешанного сигнала высокого напряжения позволяет также создавать высокоинтегрированные решения для промышленных шин на физическом уровне, включая блоки доступа к среде (Media Access Unit, MAU) промышленной шины с параметрами производительности, представленными на Рисунке 3. Этот протокол представляет собой полный физический интерфейс между сетевой проводкой и собственно системой и отвечает спецификациям стандарта для физического уровня IEC, включая протоколы для промышленных шин Foundation H1 и Profibus PA.

Успех концепции смешанного сигнала высокого напряжения при реализации стандартного физического уровня подготавливает почву для высокой степени интеграции, в результате чего должны еще больше сократиться размеры схем, а значит, и занимаемое место (см. Рисунок 4). Таким образом можно будет интегрировать приемопередатчик CAN и управляющую функциональность непосредственно в интерфейс датчика, исполнительный элемент или мотор.

Рисунок 4. Полупроводниковая техника со смешанным сигналом высокого напряжения позволяет осуществить интеграцию множества функций на одном физическом уровне.

Кроме того, появится возможность добавлять новые функции или повышать производительность без увеличения общей площади печатных плат.

Ян Пофлит — менеджер по продукции ASSP в бельгийской компании API Semiconductor; Андреас Хельдвайн — менеджер по маркетингу ASSP в североамериканском отделении API Semiconductor.

? AWi Verlag