本文著眼于微控制器 （MCU） 在工業自動化中的作用，特別是研究它們如何為傳感器和執行器提供真實世界的接口。它討論了將高性能內核（如 ARM? 的 Cortex?-M3）與精密和專用外設（如 Analog Devices 的ADuCM360和 EMF32系列。它還研究了針對該應用領域的相對較新的協議，具體參考了低端 MCU，包括英飛凌的 XC800和 XC16x 系列以及德州儀器的 MSP430F2274，以及包括Maxim 的 MAX14821在內的專用收發器。

　　微控制器集成了越來越多的混合信號能力和處理能力，但其他發展正在延長低端微控制器的生命周期。

　　根據定義，微控制器 （MCU） 是冗余的，沒有與“現實世界”的接口。它們旨在充當輸入和輸出的中心，執行條件響應并管理順序和并行流程。它們的角色由控制定義，而它們的可編程特性意味著控制由邏輯管理。然而，它們基本上被設計為模擬世界的接口，因此嚴重依賴模擬/數字轉換。通常是模擬參數的數字表示——通常來自某種傳感器——驅動控制過程，這并不比在自動化應用中更明顯。

　　精確的性能

　　商業壓力意味著對其操作至關重要的數據轉換過程必須在片上進行經濟高效的處理，從而提高混合信號集成的水平。此外，隨著集成度的提高，核心的處理負擔也隨之增加。

　　它們的低成本和靈活性意味著 MCU 經常被自由使用，但出于成本、復雜性或安全原因，各行各業的制造商現在都在努力整合功能；曾經可能有數十個 MCU，現在可能只有一個。

　　因此，從最初的簡單 4 位設備演變為高度復雜的 32 位處理引擎也就不足為奇了，其中 ARM Cortex-M 系列成為許多供應商的核心選擇。

　　將高性能處理內核與精確穩定的模擬轉換混合在一起并不簡單。CMOS 非常適合高速數字，但實例化敏感的模擬外設可能是一個挑戰。在這一領域擁有豐富專業知識的公司之一是 ADI 公司。其 ADuCM 系列完全集成的數據采集系統旨在直接連接到精密模擬傳感器。這種方法不僅可以最大限度地減少組件數量，還可以通過消除模擬和/或數字級來保持精度。

　　例如，在基于 ARM Cortex-M3 的 ADuCM360 上實現的轉換器是一個 24 位 Sigma Delta ADC，它構成了設備模擬子系統的一部分。其中包括一個可編程電流激勵源和一個偏置電壓發生器，但更重要的是內部濾波器，其中一個用于精密測量，一個用于快速測量，適用于檢測源信號的大變化。

　　深度睡眠感應

　　MCU 制造商認識到傳感器在自動化中發揮的重要作用，并開始開發優化的模擬前端，為電感、電容和電阻傳感器提供專用接口。

　　其中一些前端甚至設計為自主運行，例如 Energy Micro 超低功耗 MCU 系列中的 LESENSE（低功耗傳感器）接口。它包括模擬比較器、DAC（數模轉換器）和低功耗定序器，允許它由 MCU 的內核進行配置，然后在設備的其余部分處于深度睡眠模式時運行。

　　定序器從 32 kHz 時鐘運行并控制活動，而比較器輸出可配置為中斷以喚醒 CPU，DAC 可選擇作為比較器參考和激勵源。LESENSE 技術還包括一個可配置的解碼器，可配置為僅在同時滿足多個傳感器條件時才生成中斷。Digi-Key 提供 Energy Micro 的 EFM32 Tiny Gecko 入門套件，其中包括 LESENSE 演示。Energy Micro 的 Tiny Gecko 系列 MCU 基于 ARM Cortex-M3，運行頻率高達 32 MHz，面向溫度、振動、壓力和運動傳感等工業自動化應用領域。

　　圖 1：Energy Micro 的低能耗傳感器接口 LESENSE 為工業控制和自動化系統提供靈活的傳感器接口。

　　IO-Link

　　功能強大的新型傳感器和執行器接口的推出正在幫助許多制造商延長工業自動化領域中 8 位和 16 位設備的使用壽命。接口背后的協議稱為 IO-Link，并且已經得到工業自動化領域的許多領導者的支持，尤其是 MCU 供應商。

　　IO-Link 使用 3 線非屏蔽電纜，最長可達 20 米，適合將智能傳感器和執行器改裝到現有裝置中。它在每一端都需要“智能”，通常在 MCU 中實現，但由于協議相對簡單，它可以容納在低成本的 8 位 MCU 中，這正是許多制造商現在正在開發的。

　　該協議（也稱為 SDCI，代表單點數字通信接口，并根據 IEC 61131-9 規范進行標準化）已被開發為可輕松嵌入傳感器和執行器中的點對點通信解決方案，給他們一定程度的“智力”。因此，它并不打算取代現有的通信層，如現場總線、Profinet 或 HART，而是通過使低成本 MCU 更容易與高精度傳感器和執行器接口來與它們一起工作。

　　IO-Link 背后的聯盟相信它可以顯著降低系統復雜性，并引入有用的功能，例如通過參數監控進行實時診斷。當通過網關（同樣，通過 MCU 或 PLC 實現）集成到現場總線拓撲中時，可以從控制室集中監控和管理復雜的系統。傳感器可以遠程配置，部分原因是符合 IO-Link 規范的傳感器比“常規”傳感器更了解自身。

　　首先，他們的身份（和制造商的）以 XML 形式嵌入傳感器中，在詢問時可用。這允許系統立即計算傳感器，并了解它可以為系統做出什么貢獻。但是，更重要的是，IO-Link 使傳感器（和執行器）能夠向控制器提供連續的實時數據流。事實上，IO-Link 提供了三種類型的數據交換：過程數據、服務數據和事件。過程數據是循環傳輸的，而服務數據是非循環交換的，并且始終應 IO-Link 主站的請求。服務數據可用于從/向設備讀取和寫入參數數據。

　　IO-Link 為 MCU 與智能傳感器的接口提供了一種更簡單的方式，使系統工程師能夠開發更智能的工業自動化解決方案。

　　許多 MCU 供應商已加入 IO-Link 聯盟，該聯盟最近成為 PI（PROFIBUS 和 PROFINET 國際）內的技術委員會 （TC6）。從根本上說，IO-Link 為控制器（包括 MCU 和 PLC）提供了一種標準化方法，用于識別、控制并與采用該協議的傳感器和執行器進行一般通信。提供兼容設備的制造商名單正在增加，MCU 制造商的支持也在增加。

　　部分支持來自專家，例如德國設計公司 Mesco Engineering，該公司正與多家半導體制造商合作開發 IO-Link 解決方案。其合作伙伴名單包括英飛凌、意法半導體、愛特梅爾和德州儀器。例如，英飛凌已將 Mesco 的 IO-Link 堆棧移植到其 XC800，這是一款兼容 8051 的 8 位 MCU，可在鏈路的設備（傳感器/執行器）端提供智能，而英飛凌正在為 IO-Link 提供支持Master 使用它的 16 位設備，包括 XE16x。

　　Mesco 的堆棧也已移植到德州儀器的低功耗 MSP430 系列；另一個基于專有內核的 16 位 MCU。具體來說，它以 MSP430F2274 為目標。

　　制造商還致力于開發一系列分立式 IO-Link 收發器，例如 Maxim 的 MAX14821。該收發器以 IO-Link 設備和 24 V 二進制傳感器/執行器為目標，并充當運行數據鏈路層協議的 MCU 的物理層接口（圖 3）。兩個內部線性穩壓器在 5 V 和 3.3 V 下產生共同的傳感器和執行器電源要求，并且該設備通過 SPI 接口進行配置和監控。它還具有一個 IO 收發器接口，能夠在高達 36 V 的電壓下工作。

　　圖 ：Maxim 的 IO-Link 收發器為運行數據鏈路層協議的 MCU 提供物理層接口。

　　隨著 IO-Link 實現更高水平的滲透，似乎有更多制造商將這些物理接口與針對工業自動化應用的 MCU 上的其他專用外設集成。瑞薩電子已經基于其 78 K 16 位 MCU 內核創建了一系列專用 IO-Link 主/從控制器。

　　工業自動化一直依賴于測量和控制的結合。盡管近年來引入了越來越多的網絡，但數字域和模擬域之間的接口保持相對不變。然而，隨著 IO-Link 的引入，現在正在開發能夠以更復雜的方式與 MCU 連接的傳感器和執行器。點對點連接不僅提供了一種更簡單的控制元件接口方式，而且還提供了一種擴展低端 MCU 功能的有效方式。