David Katz & Rick Gentile, Analog Devices
מעבדי אותות לשימוש כללי רבים קבילים לצורכי יישומים תעשייתיים המבוססים על ביצועי המחשוב ומאפייני הקישוריות בשורת הבסיס שלהם. אולם, קיימים שיפורים היקפיים חשובים העשויים לשדרג משמעותית את יכולות המעבד עבור מערכות תעשייתיות יותר תובעניות. מאמר זה יבחן שתי דוגמאות של שיפורים אלה, בתחומי הרישות ובקרת המנועים.
ממשק ה-Ethernet
עבור יישומי תעשייה מסורתיים, בקר Ethernet מספק את קישוריות הרשת הבסיסית. הבקר (MAC) ממוקם לרוב על אותו השבב כמו המעבד. הוא מחובר לרוב עם שבב PHY חיצוני כדי להשלים את הממשק.
קיימים גם שבבי MAC/PHY חיצוניים, אותם ניתן לחבר לעתים קרובות ישירות לממשק זיכרון אסינכרוני על המעבד. בעוד שבבי שילוב MAC/PHY הוסיפו לרדת במחיר עד הנקודה בה הם כמעט בשיוויון-עלויות עם שבבי PHY עצמאיים, הם ככלל אינם יכולים להתחרות עם קצב ההעברה של פיתרון MAC/PHY חיצוני. זאת בשל העובדה ש-MAC פנימי מחובר לרוב אל ערוץ DMA במערכת, הניתן לכיוון לנתוני שידור וקליטה עם מעורבות עיבוד ליבה מזערית. בקר ה-MAC הפנימי יכול להגיע לרוב קרוב למהירות הקו, בתלות בפרוטוקול.
היבט חשוב אחר של ביצועים הוא עומס המעבד הדרוש כדי להשיג תפוקה נתונה. זהו החלק של הביצועים הכלליים אשר יבחין ביותר בין פתרונות MAC פנימי וחיצוני.
ברשת מסוג תעשייתי, Ethernet יכולה לספק זמן מערכת בסיסי תוך שימוש ב-Network Time Protocol (NTP). הסנכרון של רשת מבוקרת של מערכת מבוססת-NTP נמדד בקנה-מידה של זמני “ממשק אנושי”. בעוד פרוטוקול זה מתאים עבור מידע תזמון מערכת כללי,הוא איננו מדויק דיו במערכות בקרה תעשייתיות רבות בהם דרוש סנכרון מדויק יותר.
כדי לשפר את הדיוק, פותח תקן IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) כדי לשמש בשילוב עם הבקר ומחסנית הרשת של ה-Ethernet לשם סנכרון שעונים “מקומיים” של הרשת עם שעון ראשי. כלומר, כל צומת עיבוד או בקרה מסונכרן עם ייחוס זמן ראשי השולט על המערכת.
על-ידי הנהגת קשר מדידת זמן מדויקת ברשת תעשייתית, ניתן לסנכרן אירועים מתוזמנים לרמות מתחת למילי-שניות. אירועים מתוזמנים אלה יכולים לכלול מתי מדגימים ממיר אנלוגי לדיגיטלי, מתי מופעלים ממירים דיגיטליים/אנלוגיים, או מתי מפעילים קווי I/O עבור בקרת המערכת.
ה-IEEE 1588 PTP דורש חילופין של מנות ספציפיות כדי לספק מידע-זמן משני צמתים. מנות אלה משמשות לחישוב ההפרש בזמן ובתדר בין שעונים בכל צומת. בנוסף, הפרוטוקול מציע דרך לכיוון רצוף של השעונים כך שהם יישארו מסונכרנים.
פרוטוקול ה-IEEE 1588 PTP ניתן למימוש בתוכנה בלבד או דרך שילוב של חומרה ותוכנה. הפיתרון המבוסס על חומרה יספק את הדיוק הגבוה ביותר ולכן את הסנכרון הטוב ביותר בין הצמתים. בפיתרון החומרה, אפשר להחתים זמנים על המנה קרוב ככל האפשר לנקודת הפעולה ההדדית עם ה-PHY. התוצאה היא ריצוד נמוך יותר בין הצמתים.
יחידות PWM
ציוד היקפי תקני במיקרו-מעבדים ו-DSPs הוא קוצב-הזמן לשימוש כללי. יחידה זו מספקת תפקוד של קוצב-זמן תקני המבוסס על ייחוסי שעון אחד או יותר שיכולים להיות פנימיים או חיצוניים לשבב. בממשק הפין, היא יכולה גם לספק יכולת של לכידת-רוחב או מניית-פולסים כמו גם צורות-גל מוצא מאופנני-רוחב-פולס (PWM) מוארקים. מוצאי PWM אלה מצוידים לרוב ברוחב-פולס ומחזור מיתכנתים, וניתן להשתמש בהם ביישומי בקרה תעשייתית רבים, כולל הפקת רמת DC והעברת אותות אנלוגיים נוגדי-רעש (בעזרת סינון מעביר-נמוכים מתאים).
אולם, כדי להיות שימושי באמת עבור בקרת מנועי ז”י, יש להוסיף מספר שדרוגים לתפקודי PWM הבסיסיים. איור 1 מציג דיאגרמת מלבנית מפושטת של בקרת מנוע, בה מוצאי ה-PWM מהמעבד מפעילים דיפרנציאלית התקני הספק מהצד הגבוה והנמוך כדי להסדיר את מומנט הסיבוב ומהירות המנוע. ADCs משמשים להספקת משוב של מדידת זרם למעבד כך שמחזורי ה-PWM ניתנים לשליטה במערכת סגורה בעלת רצף הדוק כדי לפקח על המנוע.
בהשוואה לגושי ה-PWM במעבדים לשימוש כללי, ליחידות ה-PWM לבקרת מנועים מספר שיפורים. כפו שהוצג לעיל, PWMs לבקרת מנועים מסופקים בזוגות משלימים, כדי לכוון לחילופין את הצד הגבוה והנמוך של מתג ההספק עבור מופע מנוע נתון. במנועי ז”י תלת-פאזיים, משתמשים ב-3 זוגות של PWM.
כמתואר באיור 1, חשוב לעתים קרובות לספק בידוד בין בקרת ה-PWM של המעבד והתקני הפעלת השער עבור טרנזיסטורי הספק. בד”כ, בידוד זה מושג או דרך מבודדים אופטיים או דרך שנאי פולסים. למטרה זו, PWMs אחדים מכילים Gate Drive Unit המקלה על עירוב המוצאים עם אות קיטום (chopping) בתדר גבוה לשם חיבור לשנאי הפולסים, תוך כדי הענקה למובילי הפינים זרם מקור וקולט מספיק כדי להפעיל את רוב המבודדים האופטיים.
חשוב, PWMs לבקרת מנועים צריכים לספק “זמן מת” מובטח בין הניתוק של התקן הספק אחד לחיבור של הזוג המשלים שלו בכל פאזה. אחרת עלול להיווצר קצר ז”י דרך מתג הכוח.
יתרה מזו, צריכה תמיד להיות דרך לנתק מידית ובצורה אסינכרונית את מוצאי ה-PWM במקרה של תקלה כאשר עלולים להפעיל בו-זמנית פאזות של מוצאים מרובים. תכונת ה-”PWM Trip” זו מאפשרת לאות אסינכרוני חיצוני לנתק את כל מוצאי ה-PWM ללא תלות במצב שעון המעבד.
לבסוף, בעוד שמקובל לאפשר לקוצבי-זמן לשימוש כללי להיות מופעלים סינכרונית, סנכרון קוצב הזמן של ה-PWM חשוב ביותר עבור בקרת המנועים. אות “PWM Sync” המוזן פנימית או חיצונית יכול לשמש להפקת פסק (לעתים יותר מאשר אחד למחזור) כך שהמעבד יוכל לתאם מחזורי פעולה בהתאם לאלגוריתם הבקרה, וכדי שה-ADC יוכל לקלוט ולהעביר את מדידות הזרם הבאות.
בשלב זה, ברור שבעוד יישומי תעשייה רבים עשויים להעדיף שימוש במעבדים בעלי מערך היקפי לשימוש כללי, נבון יהיה לשקול קודם אילו “שדרוגים תעשייתיים” ייהנו מהיישום הנדון. בחרנו לבחון רק שתי דוגמאות כאן – קישוריות הרשת ויכולות ה-PWM – אולם קיימים קווים מקבילים לתת-מערכות אחרות רבות, כולל מבני זיכרון וממשקי המרת נתונים. על-ידי ניצול הערך המוסף של יחידות היקפיות מוגברות אלו, ניתן לתכנן מוצרים תעשייתיים בעלי חוסן ובקרת מערכת משופרים.
