RUTRONIK GmbH
Avtorja: Andreas Heder, terenski inženir za aplikacije v podjetju Rutronik in
Panagiotis Venardos, višji vodja za industrijske mikrokontrolerje v podjetju Infineon Technologies
Robotika in industrijski pogoni zahtevajo tehnično raznolikost, veliko računsko moč ter visoko raven varnosti.
Industrijski sistemi postavljajo razvojnikom številne izzive. Njihovo obvladovanje zahteva obsežno vnaprejšnje načrtovanje, strogo preizkušanje in skladnost z industrijskimi standardi ter predpisi, predvsem pa zahteva pravi mikrokontroler.
Pri razvoju vrhunskih sistemov, kot so robotika, industrijski pogoni ali električna vozila, so najpomembnejše energija, zmogljivost, učinkovitost in varnost. Izbira optimalnega mikrokontrolerja pomembno prispeva k doseganju teh ciljev. Biti mora kakovosten, prilagodljiv in zmogljiv, delovati učinkovito ter imeti funkcije, s katerimi ga je mogoče prilagoditi zahtevnemu in stalno spreminjajočemu se okolju.
Zahteve za krmilnike v sodobnih industrijskih sistemih so vse bolj zapletene, obdelati pa je treba vedno večje količine podatkov. To predstavlja izredne izzive za razvijalce takšnih krmilnikov. Sistemi morajo te količine podatkov obdelati učinkovito in pri tem ohraniti njihovo celovitost. Učinkovito upravljanje in dodeljevanje virov znotraj CPE ter uporaba notranjega in zunanjih pomnilnikov so zelo pomembni.
Poleg tega imamo pri uporabi v industriji različne zahteve za delovanje v realnem času. Zanesljivo izvajanje vseh nalog v predpisanem času zahteva izredno strogo omejevanje zakasnitev in napak. Pri 24-urni proizvodnji je to v praksi težko izvedljivo, npr. zaradi rednih posodobitev programske opreme, katerih pogostost in trajanje nista vedno znana.
Za neprekinjeno delovanje celotnega sistema v industrijskem okolju je potrebnih več ključnih funkcij in integracij, ki zagotavljajo zanesljivost, zmogljivost ter združljivost s posebnimi zahtevami posameznih sistemov. To vključuje uporabo komponent industrijske kakovosti, za katere so značilni dolga življenjska doba ter razširjeno temperaturno in napetostno območje. Mikrokontroler mora prav tako podpirati prave vmesnike in pripadajoče komunikacijske protokole ter biti združljiv s široko paleto industrijskih programskih orodij in knjižnic.
Takšen je 32-bitni mikrokontroler XMC7000 podjetja Infineon. Temelji na procesorskem jedru Arm® Cortex® M7 in je razvit predvsem za industrijo. V ta namen je opremljen z različnimi perifernimi napravami, kot so CAN FD, TCPWM in Gigabit Ethernet, ter funkcijami za strojno varnost. Njegovi načini za nizko porabo sežejo vse do 8 µA. S širokim temperaturnim območjem od –40 do 125 °C zagotavlja mikrokontroler XMC7000 veliko trpežnost v zahtevnih industrijskih okoljih. Za čim boljše izpolnjevanje projektnih zahtev zagotavlja mikrokontroler XMC7000 s štirimi razpoložljivimi ohišji in števili priključkov ter 17 izvedbami veliko razširljivost v smislu števila procesorskih jeder in velikosti Flash pomnilnika ter pomnilnika RAM.
Zanesljivo in varno medsebojno sodelovanje vseh pomembnih delov za krmiljenje motorjev ter močnostnih sistemov, kot so motorji, pogoni, krmilni sistemi in tipala, zahteva robustno krajevno komunikacijsko omrežje. V ta namen ima mikrokontroler XMC7000 standardizirane komunikacijske vmesnike, kot so CAN FD, gradniki za zaporedno komunikacijo (Serial Communication Block – SCB) in vmesniki Ethernet. Zunanji pomnilnik, vmesnik SDHC, vmesnik I2S/TDM in številne V/I-enote olajšajo integracijo ter komunikacijo med različnimi napravami in platformami.
Naloge, kot je zbiranje podatkov tipal ali krmiljenje zunanjih močnostnih polprevodnikov, morajo največkrat potekati v realnem času. Take zahteve lahko mikrokontroler XMC7000 obvlada z do dvema jedroma Arm Cortex M7 s frekvenco ure do 350 MHz, do 8 MB Flash pomnilnika in do 1 MB pomnilnika SRAM. Ima tudi 256 kB delovnega Flash pomnilnika, ki je v nasprotju s Flash pomnilnikom za kodo optimiziran za bistveno pogostejše programiranje.
Zaščita pred kibernetskimi grožnjami
Vse obširnejše povezovanje in izmenjava podatkov v proizvodnih ter avtomatizacijskih okoljih neizogibno pomeni večje kibernetske grožnje. Sistemi za krmiljenje motorjev in močnostnih sistemov so za to še posebej občutljivi; napadi lahko resno zmotijo proizvodne procese in pomenijo nevarnost za občutljive podatke. Zaradi teh tveganj so za zagotovitev zanesljivega izvajanja prave ugnezdeneprogramske opreme odločilni varnostni ukrepi, kot so zavarovane daljinske (Secure Over The Air – SOTA) posodobitve ugnezdeneprogramske opreme in varen zagon (Secure Boot). Pred temi grožnjami se lahko zavarujemo tudi z drugimi ukrepi, kot so šifriranje, omejevanje dostopa in sistemi za zaznavanje vdorov. Te funkcije v realnem času izvaja vgrajeno procesno jedro Arm Cortex M0+.
Bistveni gradniki so A/D-pretvorniki, časovniki/števci in enote PWM (TCPWM)
Za sisteme z večosnimi pogoni in sinhronim vzorčenjem signalov analognih tipal ima mikrokontroler tri neodvisne ADC pretvornike z multiplekserji, ki delujejo po načelu zaporednega približevanja (Successive Approximation Register – SAR) z minimalnimi zakasnitvami za vzorčenje v realnem času. Mikrokontroler XMC7000 ima tudi veliko število prilagodljivih blokov TCPWM. Pri krmiljenju trifaznih asinhronskih motorjev je mogoče na primer fino uravnavati povprečno napetost na motorju s spretnim prilagajanjem razmerja vklopa signala PWM, kar omogoča optimalno zmogljivost in odzivnost. Bloki TCPWM so v ta namen med seboj povezani na strojni ravni in ponujajo številne možnosti parametriranja. Na voljo so posebne enote PWM za krmiljenje motorjev s funkcijami, kot so razširjeni vmesniki za kvadraturne kodirnike, asimetrično proizvajanje signalov PWM in nastavitev mrtvega časa.
Poleg tega ima mikrokontroler XMC7000 tudi posebne V/I-gradnike SMART I/O. Te je mogoče parametrirati kot digitalno povezovalno logiko (AND, OR, XOR in vnaprej določene tabele). Vhodne signale je zato mogoče obdelati brez posredovanja procesorja. V načinu varčevanja lahko tako na primer prepoznamo določen vzorec signalov na enem ali več polih in se nanj odzovemo (varnostno vezje).
Razvojna orodja
Obstaja veliko programskih rešitev za XMC7000, ki uporabnikom olajšajo razvoj npr. krmilnikov za motorje ali sistemov za pretvorbo energije. Podjetje Infineon zagotavlja razvojno platformo ModusToolbox™, ki vključuje programska orodja in vire za poenostavljanje procesa načrtovanja. Uporabljati ga je mogoče samostojno ali v celoti integrirano v razvojno okolje IDE, ki temelji na okolju Eclipse. Uporabniku prijazen konfigurator naprav omogoča dosleden razvoj v različnih industrijskih standardnih razvojnih okoljih, kot so Eclipse, VS Code ali IAR. ModusToolbox vključuje tudi vrsto razvojnih orodij, knjižnic in okolij za izvajanje za vgrajene sisteme. Na voljo je brezplačno in podpira številne druge izdelke Infineon.
Demonstracija krmiljenja robotske roke z mikrokontrolerom XMC7000:
https://www.youtube.com/watch?v=Su1ZCZ-LtoY
