בין אם הם משמשים במתקן בקרת תהליכים או במערכת לאוטומציה תעשייתית, מודול הכניסות והיציאות (I/O) או תיבת פיצולים בשטח מציבים מגוון של אתגרים ייחודיים במחזור החיים הכולל של המוצר. העוסקים בתחום של ניהול מוצרים, ניצבים בפני החלטות לגבי מה מספר הערוצים שיידרשו לכל מוצר ובאילו שילובים הם ישמשו. אנשי תכנון בתחום האלקטרוניקה חייבים להחליט כיצד לממש בפרוייקטים שלהם את המערכת כך שתהיה בעלת הביצועים הטובים ביותר והכדאית ביותר מבחינת עלויות, עבור אותות אנלוגיים או דיגיטליים שונים. טכנאי מתקנים יכולים לעמוד משתאים מול מגוון המוצרים השונים ואין ספור תרשימי החיווט. כלום לא היו החיים יכולים להיות קלים יותר אם היינו יכולים לתכנן מערכת עם גמישות מוחלטת שתתמודד עם כל הקשיים האלו? משפחת המוצרים החדשה של Analog Devices, הכוללת מעגלים משולבים (IC) לכניסות ויציאות, ניתנים לקונפיגורציה בתוכנה (SWIO), מצליחה להגיע למטרה זו על ידי תמיכה ממשית בכל פונקציה ובכל שילוב על כל פין ובכל זמן.
לקוחות קצה ויישומים, נבדלים בדרישותיהם מבחינת בקרים מתוכנתים תעשייתיים (PLC) או מערכות בקרה מבוזרות (DCS) שמשמשות בבקרת תהליכים או באוטומציה תעשייתית. מבחינת מנהלי מוצר, הגדרה נכונה של המוצר, האסטרטגיה והאופטימיזציה היא משימה אדירה1. לקוח קצה אחד יכול לבקש יותר ערוצי יציאות אנלוגיות, כגון 4 מילי אמפר עד 20 מילי אמפר, בשעה שלקוח אחר יכול לבקש יותר יציאות דיגיטליות. לחלופין, אותו לקוח יבקש יותר ערוצים אנלוגיים לפלטפורמה אחת, ועבור פלטפורמה אחרת הוא יבקש עוד ערוצים דיגיטליים. דוגמאות לדילמה כזו מוצגות באיור 1. עם הופעת התקן Industry 4.0, ליצרנים יש צורך במערכות גמישות, שאפשר בקלות ובמהירות להתאים אותן לדרישות המשתנות, כולן מונעות מהשינויים בהתנהגות הצרכנים ובדרישותיהם. כתוצאה מכך, יצרנים לא יכולים עוד להסתמך על מערכות קבועות, בקנה מידה גדול, שמתוכננות עבור מוצרי שוק בייצור המוני ולפי דרישות צפויות מראש. במקום זאת, יש להם צורך במערכות גמישות ניתנות להגדרת קונפיגורציה במהירות, במינימום זמן השבתה ובהשקעה הונית מזערית.
איור 1. אפשרויות של שילובים ומספר הערוצים
רכיבי SWIO מאפשרים לתכנת את הערוצים שלהם, לא רק לקבוע אותם כיציאות או כניסות, אלא גם כאנלוגיות או דיגיטליות. יתר על כן, אפשר להגדיר אותם באופן יעיל כגלאי טמפרטורה התנגדותיים (RTD) בעלי 2 או 3 מוליכים או כצמדים תרמיים.
כניסה ויציאה ניתנת להגדרה בתוכנה פועלת גם כגשר לרשתות בקרה מבוססות Ethernet, מפני שאפשר להפעיל אותה בנוסף על מתקנים קיימים (brownfield), שלהם נדרש עדכון אל מערכות Ethernet מסוג 10BASE-T1L בתקן תעשייתי. כך מתאפשר הפיתוח של יחידות כניסה ויציאה מתוקננות ניתנות להגדרה בקונפיגורציה, לשימוש בשטח, שיכולות לבצע המרה בין חיישנים ואקטואטורים קיימים מאופשרי HART® ב- 4 מילי אמפר עד 20 מילי אמפר לבין חיבורי הגישה (backhaul) מסוג 10BASE-T1L או בסיב אופטי של 100 מטר.
איור 2 מציג התקן SWIO ארבע-ערוצי — AD74413R — שמתוכנן לעמוד בבקרת תהליכים, באוטומצית מפעלים או ביישומי בקרת מבנים (מאמר זה מתמקד ביישומים תעשייתיים). ההתקן הוא פתרון מונוליטי משולב במלואו לפעולה בכניסות ויציאות תעשייתיות. הרכיב AD74413R כולל ממיר מאנלוגי לספרתי (ADC) בסיגמה דלתא (∑-Δ) ל- 16 סיביות וארבעה ממירים מספרתי לאנלוגי (DAC) ל- 13 סיביות, והוא נתון במארז LFCSP בן 64 מוליכים בגודל 9 מ”מ x 9 מ”מ שתומך בטווח טמפרטורות פעולה שבין – 40OC עד + 105OC. כל אחד מארבעת הערוצים מוגדר על ידי כתיבה לאוגרי קונפיגורציה דרך אפיק SPI שאות השעון שלו יכול להגיע עד 24 מגה הרץ. משתמשים יכולים לשכלל את הגדרות קונפיגורציית ברירת מחדל של כל מצב פעולה דרך מפת האוגרים של AD74413R.
איור 2. רכיב I/O ניתן להגדרה בתוכנה ודוגמה ליישום אופייני
הממיר מאנלוגי לספרתי סיגמה דלתה ל- 16 סיביות של AD74413R יכול למדוד זרם או מתח באחד מבין ארבעה ערוצים או ביותר, עד לארבע כניסות אבחון, דרך בקשת המרה יחידה. קצב ההמרה הוא עד 4.8 קילו-דגימות בשנייה, ואפשר לקבל מסנני דחייה אופציונליים ל- 50 הרץ ול- 60 הרץ.
הממירים מספרתי לאנלוגי של 13 סיביות לכל ערוץ, במחרוזת נגדים, הם מונוטוניים וליניאריים באופן מובנה. ממירים מספרתי לאנלוגי אלו תומכים ביציאות זרם שמגיע עד 25 מילי אמפר ויש להם יכולת גילוי מעגל פתוח לאבחון של תקלות. באופן דומה, הם יכולים לספק יציאות מתח בטווח אמיתי של 0 וולט עד 11 וולט.
לרכיב AD74413R יש מתח ייחוס פנימי מדויק ביותר לדחיפה של ממירים מספרתי לאנלוגי וממירים מאנלוגי לספרתי ביישומים בעלי רגישות לעלות, בזמן שאפשר להשתמש במתח ייחוס חיצוני כאשר יש צורך בביצועים ברמה הגבוהה ביותר.
מצבים אפשריים של פונקציות ופעולה
את סקירת הפונקציות של כל אחד מהערוצים אפשר לראות בטבלה 1. הרכיב יכול לתמוך ביציאת מתח, ביציאת זרם, בכניסת מתח, בכניסת זרם (ממקור חיצוני), בכניסת זרם (בהפעלה של לולאת זרם), במדידה של חיישן טמפרטורה (RTD) חיצוני, בלוגיקת כניסה ספרתית ובכניסה ספרתית בהפעלה בלולאה. קיים גם מצב עכבה גבוהה כפונקציה ברירת מחדל לאחר הפעלת המכשיר או אתחולו.
טבלה 1. בחירות בפונקציות אפשריות
| פונקציית הערוצים (תכנות דרך אוגרי הפונקציה CH_FUNC_SETUPx | תכונות של הדוגמה |
| עכבה (אימפדאנס) גבוהה | התנגדות לאפס (אופציה) |
| יציאת מתח | הגנה מפני קצר |
| יציאת זרם | גילוי מעגל פתוח |
| כניסת מתח | התנגדות לאפס (אופציה), מצב מדידת צמד תרמי |
| כניסת זרם (מופעלת חיצונית) | הגנה מפני קצר, מצב תואם HART |
| כניסת זרם (מופעלת בלולאה) | הגנה מפני קצר, מצב תואם HART |
| מדידת התנגדות | מדידת יחס, חיישני טמפרטורה (RTD) ב- 2 חוטים או אפשרות ב- 3 חוטים |
| לוגיקת כניסה ספרתית | מדידות מתח עם סינון או ללא סינון, פונקצית ביטול צלצולים (debounce) |
| כניסה ספרתית, מופעלת בלולאה | מדידות מתח עם סינון או ללא סינון, פונקצית ביטול צלצולים (debounce) |
מגבר המתח במוצא יכול לחולל מתחים חד קוטביים עד 11 וולט. משאבת מטען (charge pump) פנימית למתח נמוך מאפשרת יצירה של מתח אפס אמיתי במוצא המגבר. במצב זה, נגד חישה חיצוני מספק משוב זרם (גישת זרם מדידה במתח מאולץ – FVMI) כאשר משוב שלילי על פני הפין SENSEL_x מייצב את רמת המתח הנכונה.
במצב של יציאת זרם, הממיר מספרתי לאנלוגי מספק יציאת זרם (אופיינית 0 מילי אמפר עד 25 מילי אמפר) שעובר ייצוב על ידי חישה של המתח ההפרשי על פני נגד החישה (הפינים SENSEL_x ו- SENSEH_x). על מנת להקטין את פיזור ההספק על השבב במקרים שבהם קיים עומס התנגדותי נמוך, אפשר לחבר התקן PMOS חיצוני כדי להעביר זרם של 0 מילי אמפר עד 25 מילי אמפר במוצא.
מצב של כניסת זרם יכול לתמוך בתצורות שמופעלות באופן חיצוני ובכאלו שמופעלות בלולאה. הממיר מאנלוגי לספרתי סיגמה–דלתה ל- 16 סיביות מודד באופן אוטומטי את הזרם דרך נגד החישה. פיני החישה, שניתנים לסינון (הפינים SENSEHF_x ו- SENSELF_x) משמשים למטרה זו. בנוסף, לשני הסוגים של פונקציות כניסת הזרם יש מצב נוסף תואם HART עם עכבת קליטה מובטחת של 230 אוהם.
במצב של כניסת מתח נמדדים מתחים בתוך הממיר מאנלוגי לספרתי דרך אחד מחיבורי port שעוברים סינון (SENSELF_x) וחיבור חישת ההארקה. אפשר לבחור באפשרויות נוספות של נגד מוריד מפני מתחים צפים. במצב כניסת מתח, אפשר גם לבצע קריאות של צמדים תרמיים הודות להגדרות טווח ייעודיות בממיר מאנלוגי לספרתי.
מצב מדידת ההתנגדות יוצר ממתח לגלאי טמפרטורה התנגדותי בשני חוטים עם מתח שנגזר ממתח של 2.5 וולט. מדידה יחסית (ratiometric) מדויקת תובטח בזכות נגדים מעלים (pull–up) המחוברים למתח ממתח. זרם העירור הנמוך מקטין למינימום את צריכת ההספק.
מצב כניסה ספרתי תומך בהתקנים העומדים בתקן IEC 61131–2 סוג I, סוג II וסוג III. ערכי הסף ניתנים לתכנות דרך אוגר ייעודי. לכל ערוץ יש יציאה ייעודית לשימוש כללי (GPO) וסינון ביטול ניתור (debounce) ניתן לתכנות על ידי המשתמש.
עמידות ואבחונים
בשל האופי של סביבה תעשייתית, הרכיב AD74413R מתוכנן להיות עמיד בתנאים של סביבה רועשת ויכול לעמוד בפני מקרי מתח יתר, כגון חיווט שגוי ואירועים של נחשולי מתח. הודות להתקני הגנת קו על השבב, חיבורי הברגים לא מעבירים הספק אל תוך המעגל המשולב כאשר הם מחוברים לפוטנציאל גבוה יותר מאשר פין AVDD. אפשר להשתמש בדיודות TVS נוספות כדי לעמוד בפני נחשולי מתח גבוהים בחיבורי הכניסות/ יציאות. יתר על כן, על מנת להגדיל את העמידות של הרכיב AD74413R, בדיקת יתירות מחזורית (CRC) מובנית בתוך ממשק היקפי טורי (SPI).
איור 3. מעגל יישום ופייני של הרכיב AD7441xR עם יחידת ניהול הספקים ADP1032
תכונות אבחון מרובות מבטיחות שהרכיב AD74413R יפעל כהלכה, והן מספקות אזהרה מפני רוב תרחישי התקלות השכיחות. האבחון שעל השבב יכול לנטר מתחי אספקת המתח, מתח ייחוס, טמפרטורת השבב (גם כהתרעה או לכיבוי) וחיבורי ברגים. אבחונים עבור הגורם האחרון יכולים לעזור בגילוי של חיווט שגוי, באבחונים כאשר יש מתח שגוי של יותר מ- AVDD או פחות מ- 0 וולט בחיבורים. נגד החישה החיצוני מסייע עוד באבחון כמו גם בפעולה רגילה. למשל, הוא מספק גילוי של קצר במצבי מתח או שהוא מסייע בייצוב של מצבי המוצא הפועלים. בפני המשתמשים עומדת גם אפשרות לתכנת את שגרות האבחון שלהם כדי לבדוק חיישנים/ אקטואטורים (מפעילים) שמחוברים, מאחר שהרכיב AD74413R יכול לאלץ ערכי מתח או זרם ותגובות קריאה של מתח או זרם מההתקן בשטח.
הפין ALERT מודיע אם מתרחש אירוע שמעורר התרעה. האוגר ALERT_STATUS קובע את מקור התקלה.
פתרונות נלווים
אחת הבקשות הנפוצות ליישום היא שמודולי כניסות/ יציאות (I/O) או שבקרים מתוכנתים (PLC) יופעלו לצורך בידוד של מעבד מיקרו או שתהיה להם יחידת בקרה אלקטרונית מכיוון האפיק. מקורות הנתונים ומקורות אספקת המתח צריכים כולם להיות מופרדים מבחינה גלוונית. עבור שתי המטרות, חברת Analog Devices פיתחה מבודד ייעודי לאספקת המתח ולנתונים עבור משפחת SWIO. הרכיב AD74413R הוא יחידת ניהול הספקים מבודדת (PMU) בעלת ביצועים גבוהים, אשר יוצרת מעגל תירה (flyback) עם מייצב מוריד מתח ישר (buck) וערוצי בידוד נתונים, והוא מוצג באיור 2.
שני מייצבים מוזזים במופע לקבלת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) נמוכות ביותר. בקר מעגל התירה במצב זרם יכול לספק 6 וולט עד 28 וולט. משולבים בו השבתה במקרה של מתח נמוך (UVLO), הגנה מפני מתח יתר או זרם יתר, בקרת אפשור (enable) אתחול רך ובקרת קצב שינוי מתח המוצא (slew rate). בנוסף, יש לו שבעה ערוצי בידוד ספרתיים בהספק נמוך – ארבעה עבור ממשקי SPI ושלושה לתקשורת לשימוש כללי.
צורך אופייני נוסף במודולי כניסות ויציאות הוא לדחיפה של ממסרים או נוריות. לרכיב AD74413R יש יציאות לשימוש כללי שאותן אפשר לתכנת כיציאות ספרתיות (DO) מיוחדות. עם התקן PMOS חיצוני ובקר הגבלת הזרם ADM1270, אפשר בעזרת פין זה לייצב זרם של כמה מאות מילי אמפר לדחיפה של ממסרים או נוריות. ADM1270 מספק הגבלת זרם אתחול רגעי (inrush) והגנה מפני זרם יתר עבור התקני עומס השראיים או התנגדותיים כאלה. דוגמה אופיינית לשימוש אפשר למצוא במעגל ההערכה של AD74413R.
כאשר נדרש אפנון HART, AD5700 יכול לספק פונקציונליות של מודם עבור מערכות מבוססות AD74413R.
מאחר שתחום המאמר הזה מקיף יישומים תעשייתיים, דנו בעיקר בהתקן AD74413R. קיימת גם גרסה פשוטה יותר, AD74412R, אשר מיועדת ליישומים של בקרת מבנים. יש לה טווח מוקטן של טמפרטורות הפעלה, שבין –40 לבין +85 מעלות צלזיוס, כניסת זרם קטנה יותר וערכי דיוק פחותים במוצא ומתח אספקה של עד 26.4 וולט.
מסקנות
עם המעגלים המשולבים הנכונים של כניסות ויציאות SWIO, היצרנים יכולים לפתח פלטפורמה שתחליף מודולי I/O ישנים מרובים הפועלים עם פונקציה קבועה. יתר על כן, הם יכולים להשתמש בטכנולוגיה זו על פני יישומי קצה מרובים, שבהם מעגלי I/O משתנים באופן דינמי בכל התקנה. הצורך בחומרה נעלם מבחינת מערכות שבאופן מסורתי מסתמכות על ארונות בקרה עם מודולי I/O מרובים ועל חיווט ייעודי עבור כל סוג ערוץ, מפני שמשתמשי הקצה יכולים מעתה להתקין מודול יחיד ניתן לתכנות מחדר בקרה, ובכך לעזור להקטין את העלויות של הניהול, הלוגיסטיקה, הייצור והתמיכה של המוצרים. טכנולוגית SWIO פועלת גם כגשר לרשתות בקרה מבוססות Ethernet, מאחר שאפשר ליישם אותה בהתקנות שכבר קיימות.
אודות המחבר
Hakan Uenlue הוא מהנדס יישומים בכיר בחברת Analog Devices. הוא מחזיק בתואר MSc בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה מאוניברסיטת שטוטגרט. לאחר שעבד קודם לכן כמפתח חומרה וכמהנדס יישומים בשטח, הוא הצטרף לחברת Analog Devices בשנת 2015. אפשר ליצור עמו קשר בכתובת: hakan.uenlue@analog.com.
