Implementarea controlului în timp real în aplicaţiile sensibile din punct de vedere al costului

21 FEBRUARIE 2009

Pe măsură ce lumea continuă să se automatizeze – de la senzorii de proximitate ai maşinilor la iluminarea inovativă cu LED-uri – există o nevoie din ce în ce mai mare de a gestiona şi de a controla sisteme electronice tot mai complexe. Aceste sisteme de control embedded în timp real utilizează prin natura lor algoritmi de control matematici, implicând deseori atât semnale analogice, cât şi semnale digitale, care trebuie să fie procesate rapid astfel ca datele să nu fie pierdute. Aceste aplicaţii tind de asemenea să fie sensibile din punct de vedere al costului, astfel că înalta integrare şi dimensiunile reduse joacă un rol foarte important. Îndeplinirea acestor condiţii şi asigurarea unui control sigur şi precis, pot fi dificile pentru dezvoltatori. În timp ce procesoarele de semnal digital (DSP) oferă performanţă ridicată, I/O rapid şi capabilităţi calcul accelerate, aplicaţiile de control în timp real necesită deseori un set diferit de capabilităţi periferice şi de întreruperi. Microcontrolerele tipice, pe de altă parte, sunt dispozitive de semnal mixt proiectate cu arhitecturi şi capabilităţi periferice pentru gestionarea întreruperilor şi a sarcinilor de control în timp real, dar deseori nu dispun de capacitatea de calcul intens necesară pentru procesor. De exemplu, eficienţa din punct de vedere al energiei devine o problemă din ce în ce mai importantă pentru producătorii de echipamente din întreaga lume. Nevoia de creştere a eficienţei din punct de vedere energetic reiese nu numai dintr-o conştientizare globală a rolului critic pe care electronicele “verzi” îl vor juca în următorii ani, dar şi din economiile operaţionale pe care le aduce un echipament mai eficient din punct de vedere energetic. Având în vedere faptul că, în aplicaţiile industriale, aproximativ două treimi din sarcina electrică este consumată pentru acţionarea motoarelor electrice, orice îmbunătăţire a eficienţei în conversia şi utilizarea puterii va produce economii impresionante în întreaga industrie.
De exemplu, numai cinci procente din motoarele industriale au drivere de viteză variabilă, deşi acestea asigură o eficienţă de până la opt ori mai mare decât în cazul motoarelor cu viteză constantă. Aceste cinci procente din motoare economisesc energia produsă anual de 10 centrale electrice şi împiedică emisia a 68 de milioane de tone de gaze cu efect de seră.
Electronica de putere avansată este o tehnologie importantă pentru aplicaţiile de control embedded. Totuşi, dezvoltatorii doresc să adauge aceste capabilităţi fără a avea nevoie să introducă procesoare sau componente adiţionale. Soluţia? Un microcontroler care oferă nivelul potrivit de performanţă, include o combinaţie aproximativă de periferice, uşor de programat şi este disponibil la preţul potrivit. TI nu este deloc nouă pe piaţa microcontrolerelor, deţinând de fapt primul patent pentru un microcontroler, acordat în 1972. Din portofoliul său de MCU-uri, platforma de microcontrolere MSP430 furnizează putere ultra-redusă, performanţă pe 16-biţi pentru aplicaţii portabile operate pe baterii; controlerele C2000 de 32-biţi sunt utile pentru aplicaţii intensive de calcul în timp real, în timp ce dispozitivele bazate pe ARM de 32-biţi ţintesc aplicaţii de uz general cu host-control.
Cu cea mai recentă arhitectură de microcontroler, seria de MCU-uri TMS320F2803x/2x denumită şi Piccolo, TI îşi lărgeşte oferta de microcontrolere pentru a aduce control în timp real pe 32-biţi aplicaţiilor sensibile din punct de vedere al costului.
TI şi-a crescut expertiza la nivel de sistem şi procesare embedded pentru a aduce capabilităţi avansate de procesare aplicaţiilor unde microcontrolerele nu au fost în mod tipic utilizate anterior datorită performanţei insuficiente sau a costului excesiv. Dispozitivele Piccolo TMS320 F2803x/2x combină cele mai bune caracteristici din procesarea de semnal digital şi mixt cu control în timp real şi fiabilitate pentru a crea un microcontroler puternic ideal pentru o gamă largă de aplicaţii (v. figura), inclusiv controlul motoarelor, managementul digital de putere, industria auto, echipamente radar (evitarea coliziunilor), senzorică avansată, iluminat cu LED-uri industrial/comercial, audio (amplificatoare de cost mic Clasa D) şi echipamente casnice precum: spălătoare, uscătoare, aparate de gătit cu inducţie, compresoare frigidere şi altele.
Capacităţile şi integrarea de înaltă performanţă ale F2803x/2x scad semnificativ costul sistemului prin eliminarea nevoii de MCU-uri multiple şi componente externe. Instalaţiile de aer condiţionat cu frecvenţă variabilă, de exemplu, necesită două motoare: unul pentru compresor şi unul pentru ventilatorul propriu-zis, şi trebuie să implementeze de asemenea corecţia factorului de putere (PFC), care este cerută actualmente în 30% din pieţele din lume inclusiv Europa, China, Japonia şi India. Un singur controler Piccolo poate gestiona simultan ambele motoare complexe, să execute algoritmi PFC de calcul intensiv, să suporte interfeţe de viteză ridicată multiple şi să realizeze auto-diagnoză în timp real.
Alternativ, în aplicaţiile de iluminare industriale şi comerciale, sistemele de control al LED-urilor bazate pe Piccolo scad complexitatea sistemului şi costul gestionării amestecului de culori şi compensarea temperaturii, toate cu un singur procesor. Tehnologia LED poate aduce cu până la 50% mai multă eficienţă în comparaţie cu lămpile cu sodiu de mare presiune. Cu avantajele lor de cost, performanţă şi putere, dispozitivele Piccolo promit de asemenea să faciliteze o gamă nouă de aplicaţii. De exemplu, pe piaţa energiei solare, sistemele tradiţionale folosesc un singur invertor pentru mai multe panouri solare. Totuşi, invertoare individuale sau micro-invertoare conectate la fiecare panou solar într-un sistem pot conduce la o eficienţă mai mare a conversiei de energie şi pot maximiza randamentul fiecărui panou în comparaţie cu invertoarele pentru întreg sistemul care maximizează randamentul mediu al panoului. Costul scăzut şi dimensiunea mică al Piccolo vor permite dezvoltatorilor să proiecteze micro-invertoare care să implementeze noua generaţie de tehnologie în utilizarea energiei solare. Dispozitivele Piccolo se bazează pe nucleul de procesor de 32-biţi C28x, cu o performanţă variind de la 40 la 60MHz. În plus, noua serie de dispozitive încorporează un CLA (control law accelerator) integrat – circuite avansate de accelerare proiectate special pentru a descărca algoritmii de control de la CPU-ul principal, eliberând aceste cicluri pentru procesarea aplicaţiei. Depinzând de fiecare aplicaţie, descărcarea realizată de CLA poate duce la o performanţă de până la cinci ori mai mare, în special când se rulează bucle de mare viteză şi algoritmi de control intensivi. În mod tipic, aplicaţiile de control al motoarelor pot fi gestionate cu PWM (pulse-width modulation), operând la frecvenţă de la 10 până la 20 kHz, cu mult în raza multor microcontrolere cu preţ scăzut.
Frecvenţele necesare pentru a permite managementul digital al puterii, funcţionează la un nivel mai înalt faţă de controlul motorului: de la 300kHz cu aşteptări de a ajunge 1 MHz în viitorul apropiat. Aceste frecvenţe depăşesc capacitatea unor PWM-uri conduse prin software, dar şi a PWM-urilor integrate destinate numai pentru controlul motorului.
Pentru ca un singur microcontroler să suporte atât controlul motorului cât şi managementul avansat digital de putere, microcontrolerul are nevoie de acces la un PWM de rezoluţie ridicată. De exemplu, când se implementează PFC, microcontrolerul va eşantiona curentul printr-un pin al invertorului.
Transferul valorii printr-un algoritm de control realizează un reglaj determinist asupra a cum să se modifice factorul de umplere al PWM-ului. Cu cât este mai mare frecvenţa, cu atât mai puţin timp este între captarea eşantionului şi următoarea margine descrescătoare a semnalului. Cu un PWM standard nu există un timp suficient pentru a realiza calculele, iar dacă este un pas mare, microcontrolerul ar putea să rateze următoarea margine descrescătoare, un dezastru pentru aplicaţiile de control în timp real.
MCU-urile F2803x/2x oferă un PWM îmbunătăţit (EPWM) integrat, furnizând PWM-ul cu cea mai mare rezoluţie cu modularea frecvenţei de până la 150 picosecunde. Combinat cu capacitatea sa mare de procesare şi arhitectura optimizată, un singur dispozitiv Piccolo poate gestiona concomitent atât controlul motorului cât şi sarcinile de management avansat al puterii. EPWM-ul de rezoluţie mai mare permite dispozitivelor să reducă întârzierea eşantionare-ieşire. EPWM-ul poate de asemenea să fie folosit pentru înlăturarea armonicilor care ajung în banda FM, oferind proiectanţilor un control mai exact al puterii.
Un aspect critic al aplicaţilor de control în timp real este coordonarea precisă, atât în termeni de achiziţie a semnalelor reale dar şi pentru coordonarea sigură a interfeţelor de comunicaţie de mare viteză. Chiar dacă multe MCU-uri pun la dispoziţie un fel de oscilator intern, acestea necesită de obicei unul sau mai multe oscilatoare externe pentru a gestiona tactul de ceas. Aceasta se întâmplă deoarece majoritatea MCU-urilor utilizează oscilatoare inel, care au o deviere de până la 50%, făcându-le complet nepotrivite pentru orice aplicaţie care necesită sincronizarea cu semnale reale sau cu alte dispozitive.
Microcontrolerele Piccolo integrează pe chip două oscilatoare de mare precizie, fiecare operând la 10Hz cu o precizie de ±1%, eliminând complet nevoia pentru oscilatoare externe şi costurile asociate acestora. Aceste oscilatoare sunt de asemenea triplu-redundante, crescând fiabilitatea şi siguranţa pentru aplicaţii.
Pentru multe aplicaţii de control embedded în timp real, fiabilitatea şi siguranţa sunt o preocupare principală. Echipamentele electrocasnice, de exemplu, trebuie să îndeplinească standardele de siguranţă IEC 60730 cerute în Europa. Arhitectura de putere simplă elimină nevoia pentru IC-uri cu alimentare externă şi foloseşte o singură alimentare de 3,3V cu regulatoare interne de până la 1,9V, în timp ce asigură protecţie la cădere de alimentare şi reset pe alimentare. Integrarea ridicată cu combinaţia potrivită de periferice este preocuparea principală când se optimizează un MCU pentru aplicaţii de control embedded în timp real, în plus faţă de ajutorul dat la simplificarea dezvoltării produsului. Există aplicaţii de control, care au standardizat diferite interfeţe. Din acest motiv, în plus faţă de interfeţele de comunicaţie standard şi o gamă de pini GPIO, Piccolo suportă atât CAN cât şi LIN pentru aplicaţiile de control pentru automobile şi industriale.
Pentru procesarea precisă de semnal, Piccolo a integrat un convertor ADC pe 12-biţi capabil de eşantionări de până la 4,6 M eşantioane/secundă. ADC-ul este ratio-metric şi oferă triggere de canal individuale, dar şi funcţii îmbunătăţite cum sunt auto-declanşare şi auto-secvenţiere. Dispozitivele Piccolo oferă de asemenea comparatoare on-chip multiple pentru numeroasele aplicaţii care necesită comparaţii de nivel (ex., cum sunt cele de nivel de declanşare şi de întreruperi bazate pe faptul că semnalul unui senzor poate fi deasupra sau dedesubtul unei valori specificate).
MCU-urile F2803x/2x folosesc de asemenea o arhitectură de alimentare de 3,3V unică, ce elimină nevoia de IC-uri cu alimentare externă, care au nevoie de suprafaţă de PCB şi cresc costul sistemului. Tensiunea de 1,9V a nucleului dispozitivului este reglată intern de la sursa unică de 3,3V şi furnizează atât protecţie la cădere de alimentare cât şi capabilităţi de reset al alimentării. Pentru a accelera dezvoltarea şi inovarea produselor, TI a creat un ecosistem de dezvoltare cuprinzător. Dezvoltatorii pot să cumpere din decembrie 2008 kit-ul experimental bazat pe MCU F2803x/2x pentru numai $79. Porţiunea CARD de control a kitului experimental este compatibilă cu staţiile modulare de conectare F28x de 32-biţi ale TI şi permite dezvoltatorilor o interfaţare uşoară cu toate kit-urile de dezvoltare ale aplicaţiilor generice şi specifice. Kit-urile includ fişiere Gerber cu detalii complete de hardware şi software pentru aplicaţii gratuit, realizat cu oferte extensive de terţă parte, şi suport tehnic. Microcontrolerele Piccolo sunt de asemenea compatibile software cu dispozitivele F28x, permiţând dezvoltatorilor să utilizeze gama variată de programe deja existente.
TI oferă o versiune gratuită a programatorului standard industrial (o versiune limitată la 32-K). Dezvoltatorii au de asemenea opţiunea de a se pregăti în cadrul workshop-urilor de instruire ce au loc regulat în locaţii din întreaga lume. Per total, dezvoltatorii au acces la infrastructură de dezvoltare completă, incluzând hardware, instrumente, software şi suport, la un cost redus în mod drastic în comparaţie cu microcontrolerele competitoare.
Dispozitivele F2803x/2x iniţiale vor include variaţii de la 40 la 60 MHz, până la 128 KB de memorie flash, ADC de 12-biţi şi EPWM, împreună cu periferice standard din industrie incluzând protocoalele de comunicaţie, oscilatoare on-chip, comparatoare analogice şi GPIO-uri. Dispozitivele viitoare vor combina performanţa ridicată şi dimensiunile memoriei împreună cu perifericele de comunicaţie CLA, LIN şi CAN. Pentru a micşora în continuare costul sistemului, TI a redus numărul de pini de suport de pe MCU-urile F2803x/2x în favoarea unor pini de interfaţă şi I/O cu funcţionalitate crescută, astfel reducând dimensiunea de încapsulare (TQFP), spaţiul necesar pe placa PCB şi costul.
Keith Ogboenyiya, Texas Instruments.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre