Instalațiile industriale prezintă multe provocări în dezvoltarea lor. Pentru a le depăși, pe lângă alegerea microcontrolerului adecvat, este esențială realizarea unor studii prealabile ample, testarea riguroasă și respectarea standardelor și reglementărilor industriale.
Atunci când se dezvoltă aplicații de vârf – precum robotica, sistemele de acționare industriale sau cele destinate vehiculelor electrice – energia, performanța, eficiența și securitatea sunt de o importanță capitală. Alegerea microcontrolerului optim contribuie semnificativ la atingerea obiectivelor. Acesta trebuie să fie de înaltă calitate, flexibil, puternic și eficient și să aibă caracteristici care să îi permită să se adapteze la un mediu exigent, în continuă schimbare.
Cerințele impuse sistemelor de control din instalațiile industriale moderne devin din ce în ce mai complexe, iar volumele de date prelucrate sunt în continuă creștere. Acest lucru reprezintă provocări enorme pentru dezvoltatorii de astfel de dispozitive de control. Pe lângă prelucrarea eficientă a acestor volume de date, sistemele trebuie, de asemenea, să mențină integritatea datelor. Gestionarea și alocarea eficientă a resurselor la nivelul procesorului, precum și utilizarea memoriei interne și externe sunt de o mare importanță.
În plus, aplicațiile industriale includ diverse specificații de operare în timp real. Pentru a se asigura că toate sarcinile sunt efectuate în condiții de siguranță și securitate în aceste perioade, întârzierile și erorile trebuie să fie menținute la un minim absolut. În cazul activităților de producție cu flux continuu, acest lucru poate fi dificil de pus în aplicare, de exemplu din cauza actualizărilor periodice de software, a căror frecvență și durată nu sunt întotdeauna cunoscute.
Pentru operarea neîntreruptă a întregului sistem într-un mediu industrial, este nevoie de o serie de funcții și integrări cheie pentru a asigura fiabilitatea, performanța și compatibilitatea cu cerințele specifice ale aplicației. Aceasta include utilizarea de componente de calitate industrială, caracterizate printr-o durată lungă de viață și un interval extins de temperatură și tensiune. De asemenea, microcontrolerul trebuie să suporte interfețele potrivite și protocoalele de comunicație asociate și să fie compatibil cu o gamă largă de instrumente software și biblioteci industriale.
Un dispozitiv care îndeplinește toate aceste criterii este microcontrolerul pe 32-biți XMC7000 de la Infineon. Acesta se bazează pe un nucleu de procesor Arm Cortex M7 și a fost dezvoltat, în primul rând, pentru scopuri industriale. Ca atare, este echipat cu diverse periferice, cum ar fi CAN-FD, TCPWM și Gigabit Ethernet, precum și cu funcții pentru securitatea hardware. Modurile sale cu consum redus de putere ajung până la 8 µA. Datorită intervalului larg de temperatură de la -40°C la +125°C, XMC7000 oferă un nivel ridicat de rezistență în medii industriale dificile. Pentru a răspunde cât mai precis cerințelor de proiectare, XMC7000 asigură o scalabilitate ridicată în ceea ce privește numărul de nuclee de procesare și dimensiunea memoriilor flash și RAM și este disponibil în patru tipuri de capsule/pini și 17 variante de coduri de referință.
Totodată, este necesară o rețea de comunicație locală robustă pentru interoperabilitatea fiabilă și securizată a tuturor componentelor importante pentru controlul motoarelor și al puterii, cum ar fi motoarele, dispozitivele de acționare și de control și senzorii. În acest scop, XMC7000 oferă interfețe de comunicație standardizate, precum CAN-FD, blocuri de comunicație serială (SCB) și interfețe Ethernet. O memorie externă, o interfață SDHC, o interfață I2S/TDM și numeroase I/O facilitează integrarea și comunicația între diverse dispozitive și platforme.
În majoritatea cazurilor, sarcini precum achiziția de date de la senzori sau controlul semiconductorilor de putere externi trebuie efectuate în timp real. Pentru a îndeplini astfel de cerințe, XMC7000 este echipat cu până la două nuclee Arm Cortex M7 cu frecvențe de ceas de până la 350 MHz, până la 8 MB de memorie Flash și până la 1 MB de memorie SRAM. În plus, există 256 kB de memorie Flash de lucru (Work Flash), care, spre deosebire de memoria Flash de program (Flash Code) este optimizată pentru o reprogramare mult mai frecventă.
Protecție împotriva amenințărilor cibernetice
Creșterea conectivității și schimbul extins de date în mediile de producție și automatizare conduc, inevitabil, la amenințări cibernetice. Sistemele de control al motoarelor și al puterii sunt deosebit de vulnerabile la aceste amenințări, iar atacurile pot perturba grav procesele de producție și pot reprezenta un risc major pentru datele sensibile.
Figura 1: Performanța, eficiența energetică și securitatea sunt în centrul atenției atunci când se dezvoltă aplicații robotice, acționări industriale și aplicații pentru vehicule electrice. (Imagine creată din surse Infineon)
Având în vedere aceste riscuri, măsurile de securitate, cum ar fi actualizările de firmware SOTA (Secure-Over-The-Air) și inițializarea securizată, sunt esențiale atunci când vine vorba de asigurarea rulării în siguranță a firmware-ului potrivit. Elementele fixe de securitate, precum criptarea, controlul accesului și sistemele de detectare a intruziunilor, contribuie, de asemenea, la protejarea împotriva acestor amenințări. Asemenea funcții sunt executate în timp real de un procesor Arm Cortex M0+.
Convertoarele A/D, timerele/numărătoarele și PWM-urile (TCPWM) sunt componente esențiale
Figura 2: XMC7000 de la Infineon are tot ce îi trebuie unui microcontroler pentru aplicații industriale. (Imagine creată din surse Infineon)
Pentru a susține aplicațiile cu sisteme de acționare pe mai multe axe și eșantionarea sincronă a semnalelor senzorilor analogici, microcontrolerul are trei convertoare ADC independente cu multiplexoare în amonte bazate pe principiul unui registru cu aproximări succesive (SAR) cu cea mai mică latență pentru eșantioane în timp real. XMC7000 dispune, de asemenea, de un număr mare de blocuri TCPWM care pot fi utilizate flexibil. De exemplu, pentru acționarea motoarelor asincrone trifazate, tensiunea medie aplicată motorului poate fi reglată fin, printr-o ajustare inteligentă a ciclului de funcționare a semnalului PWM, pentru a obține performanțe și reacție optime. În acest scop, blocurile TCPWM sunt interconectate la nivel hardware și oferă o varietate de posibilități de parametrizare. În plus, există module PWM speciale pentru controlul motoarelor, care oferă diverse funcții, cum ar fi cuadratură extinsă, generare PWM asimetrică și reglare timp mort.
În plus, XMC7000 are și alte funcții speciale I/O, denumite intrări/ieșiri inteligente (smart I/Os). Acestea pot fi parametrizate într-o logică de conectare digitală (AND, OR, XOR și tabele de căutare predefinite). Semnalele de intrare pot fi astfel procesate fără intervenția unității centrale. Acest lucru face posibilă, de exemplu, detectarea unui anumit tipar pe unul sau mai mulți pini în modul de economisire a energiei al controlerului și reacția la acesta (circuit de siguranță).
Instrumente de dezvoltare
Există multe soluții software pentru XMC7000 care oferă utilizatorului posibilitatea de a dezvolta mai ușor aplicații de control al motoarelor sau de conversie a energiei, de exemplu. Infineon oferă în acest scop platforma de dezvoltare ModusToolbox, care conține instrumente software și resurse pentru a simplifica procesul de proiectare. Aceasta poate fi utilizată ca o versiune autonomă sau complet integrată cu IDE-ul bazat pe Eclipse. Configuratorul de dispozitive ușor de utilizat permite o dezvoltare uniformă pe mai multe platforme standard din industrie, cum ar fi Eclipse, VS code și IAR. În plus, ModusToolbox include un set de instrumente de dezvoltare, biblioteci și resurse embedded de execuție. Acesta este disponibil gratuit și suportă multe alte produse Infineon.
(Sursa imaginii: Infineon)
Principalele caracteristici ale XMC7000
- Microcontroler pe 32-biți
- Dispozitivul poate fi configurat fie cu un singur nucleu, fie cu două nuclee: Arm Cortex M7 de 350 MHz și Arm Cortex M0+ de 100 MHz pentru criptografie
- Până la 8 MB memorie flash, până la 1 MB memorie SRAM și memorie cache I/D
- Interval de tensiune: 2,7 … 5,5 V
- Interval extins de temperatură, până la 125°C
- Interfețe: CAN FD cu până la 10 canale, SCB cu până la 11 canale
- eMMC, SMIF (QSPI/HS-SPI), Ethernet 10/100/1000 Mbps cu până la două canale
- Convertor AD
- Până la 96 de canale bazate pe trei convertoare A/D pe 12-biți folosind principiul unui registru cu aproximări succesive (SAR ADC)
- Timer
- Controlul motorului cu până la 15 canale, 87 de canale TCPWM pe 16-biți (Timer/Counter/Pulse Width Modulation), 16 canale TCPWM pe 32-biți
- Timer pentru generarea de evenimente
- Capsulă: 100/144 și 176 pini TQFP, LFBGA-272
Vizionați un demo referitor la un braț robotizat pentru a afla cum funcționează în aplicații industriale: https://www.youtube.com/watch?v=Su1ZCZ-LtoY
Autori:
Andreas Heder, Field Application Engineer, Rutronik
Panagiotis Venardos, Senior Manager of Industrial MCUs,
Rutronik | https://www.rutronik.com
