בשעה שדינמיקת השוק הנוכחית השואפת להשיג מחזורי תכנון קצרים יותר, תפקודיות מערכת משופרת ומערכות סופיות יותר ניידות, הצורך במתודולוגיה חדשה כדי לפשט אתגרים אלה מבלי להוסיף מורכבות בתכנון הוא חיוני. מאמר זה יטפל באתגרי מערכת חיוניים אחדים לצורכי בקרה ומדידה שהם שימושיים עבור יישומים רבים, הכוללים מערכות איסוף נתונים, אוטומציה תעשייתית, בקרי לוגיקה מתוכנתים ובקרת מנועים.
איור 1. השימוש ב-DAC דו-קוטבי בעל רזולוציה גבוהה ורב-תפקידי מפשט את הכיול במערכת חישת הלחץ הנ”ל
המאמר ידון גם בחידושים האחרונים בארכיטקטורות של ממירים דיגיטליים לאנלוגיים (digital-to-analog converter – ) דו-קוטביים וכיצד טופולוגיות אלו יכולות לענות לאתגרי מערכות-סופיות, הכוללות הוספה של אף יותר פונקציונליות ובינה במסגרת אותו המקום או פחות מזה. מעל הכל, הוא ידון בפתרונות דיסקרטיים ויותר שלמים פונקציונלית, כמו גם יציין מספר חלופות לטופולוגיית התכנון הישנה התומכת בגמישות גבוהה יותר בשימוש החוזר של התכנון ובמודולריות המערכת. יש לציין שהאיורים המוצגים להלן הם לא הסכמות המעשיות, אלא דוגמאות כיצד ניתן לבצע יישומים בעזרת DACs רבי-פונקציות ורכיבים אחרים. בעוד הם לא כוללים היבטים כדוגמת המעגלים עבור ספקי-כוח, מעקפים ורכיבים פסיביים אחרים, איורים אלה מציגים כיצד ניתן ליישם יישומים באופן כללי.
מערכות איסוף נתונים
מערכות איסוף נתונים (Data-acquisition systems-DAQs) משמשות למדידת ייחודיות חשמלית או פיסיקלית, דוגמת מתח, זרם או לחץ, בעזרת מיקרו-בקר או מיקרו-מעבד לצורכי עיבוד הנתונים. DAQs מורכבים מחיישנים, מגברים, ממירי נתונים ובקר בעל תוכנה מוטבעת המבקרת את תהליך האיסוף. ביישום בקרת-תהליך, חיוני שהחיישן יהיה מספיק רגיש כדי לשמור על איכות האות שיש למדוד. אולם אף אם החיישן רגיש דיו, שגיאות בשרשרת האותות דוגמת שבח והיסט עלולים עדיין להפריע לאיכות האות. יישומים בעלי ביצועים גבוהים משתמשים ב-DACs בכיול האוטומטי של מעגלי התנייה במערכות איסוף נתונים. איור 1 מראה את הדיאגרמה המלבנית של מערכת חישת-לחץ. הוא מציג כיצד ניתן להשתמש ב-DACs דו-קוטביים בסכימת שבח אוטומטי וכיול ההיסט. מתמר הגשר המדויק מקבל אות עירור מחיישן לחץ ומפיק מתח מוצא. בשל האמפליטודה הנמוכה של אות המתמר, משתמשים לרוב במגבר מכשור בתור מכפיל-אות. אות בעל אמפליטודה נמוכה זה חשוף לשגיאות. שגיאות אלו נגרמות לרוב על-ידי סחיפה (drift) בשל שינויי הטמפרטורה, שגיאות פרזיטיות בכרטיסי המעגל ואפיצויות של רכיבים פסיביים.
איור 2. ביצועים של יחידות איסוף הנתונים והבקרה מגדירים את היעילות המבצעית של מערכת תעשייתית אוטומטית
בעזרת השימוש ב-DAC דו-קוטבי, ניתן לממש את כיולי השבח והסחיפה לתוך המערכת כדי לתקן בצורה דינמית את השגיאות בשעה שהמערכת פועלת במשך הזמן. בתלות ברמת הכיוונון והקוטביות הדרושה, DAC דו-קוטבי מלא, בעל רזולוציה גבוהה ורב-פונקציות יכול לפשט בהרבה את תהליך הכיול. ניתן לתכנת את ה-DAC דרך ממשק SPI מהיר, בעל ארבעה מוליכים, עם קו מוצא נתונים טורי (serial data output – ) זמין כדי להקל על פעולת שרשרת ה-daisy וה-read-back.
אוטומציה תעשייתית
קיים מגוון רחב של יישומים בתוך תחום האוטומציה התעשייתית. ללא תלות בעצם היישום, הפונקציונליות והביצועים של מערכות אוטומטיות כאלה תלויים ביחידות איסוף הנתונים והבקרה. מבחינת האיסוף, הרגישות של החיישנים, מידת התאימות של מעגלי ההתניה והמהירות של השגת מידע נכון מתוך אותות בעלי רמה נמוכה הן מאוד חשובות. מבחינת הבקרה, הגמישות להתאמה לדרישות המפעילים (actuators) והמניעים (drivers) השונים היא חיונית. איור 2 מראה דוגמה של מערכת תעשייתית אוטומטית. צמד תרמי בעל קיזוז לחיבור-קר (cold-junction) משמש למדידת הטמפרטורה של ציוד תעשייתי, כגון מכונת לייזר או מנוע בעל עומס כבד (heavy-duty). המתח הוא נצבר, מסונן ונשלח ל-IC חזיתי (front-end) אנלוגי משולב לשם המרה ואילו הנתונים הדיגיטליים מועברים לתוך המעבד לשם ניתוח.
על-בסיס הנתונים המעובדים, המעבד שולח אות ל-DAC בקרה, שהוא גם מבודד במלואו, כדי להזין מאוורר תעשייתי, להפעיל מכשור קירור דוגמת Peltier, או לפתוח את הברז של מערכת קירור-מים. בנוסף, המשתמש יכול לחבר במבוא פקודת אכיפה דרך התקן ממשק-בקרה. ניתן לאמץ את אותה המערכת עבור מדידה ובקרה של לחץ ורעידות. ניתן להשתמש בד”כ במערכת חיישני לחץ עבור ניטור רעידות של ראשי מכונות מהירות. יישומים אלה מחלקים את ה-AFE, המבודד במלואו מהסביבה החיצונית.
DAC דו-קוטבי בעל מתח גבוה, רזולוציה גבוהה עם ייחוס פנימי של סחיפה נמוכה ותחום מוצא הניתן לבחירה על-ידי תוכנה מהווה חלופה מעשית ל-DACs מרובים או DAC מרובב יחיד. הוא מספק מתחים חד-קוטביים ודו-קוטביים תוך שמירה על אותו הדיוק עם אופציה למוצא על-תחומי. ה-DAC הדו-קוטבי תומך בצרכים השונים של המפעיל, כולל כוונון יחידת הבקרה באמצעות תוכנה, ומונע על-ידי כך שינויים בחומרה. גישה חדשה זו של בקרה תעשייתית מסייעת למזער את המקום בכרטיס ולהקטין את העלויות.
איור 3. מערך בקרת תהליך PLC בסיסי מורכב ממבוא, MCU ומודול מוצא
בקרים בעלי לוגיקה בת-תכנות
בקרים בעלי לוגיקה בת-תכנות (programmable-logic controllers – PLCs) מכילים ספקי-כוח, יחידות עיבוד מרכזיות ומודולי I/O אנלוגיים ודיגיטליים אחדים כדי לפקח, להפעיל ולנטר שינויי מכונה מורכבים. PLCs נמצאים בשימוש רחב בתעשייה, ומציעים תחומי טמפרטורה מורחבים, חסינות בפני רעש חשמלי והתנגדות לרעידות ואימפקט. במבנה מודולרי יסודי של בקרת תהליך (איור 3), אות מבוא המדווח על המצב של משתנה בתהליך מנוטר דרך מודול המבוא ומועבר אל ה-MCU לצורכי ניתוח. על בסיס תוצאות ניתוח זה, תגובה המכילה את ההסדרים הדרושים מועברת על-ידי מודול המוצא כדי לבקר את ההתקנים הכלולים בתוך המערכת.
איור 4 מראה מערכת PLC תעשייתית יותר מורכבת, הכוללת בקר/מעבד מוטבע ואת בקר המערכת הראשי המתמשק עם מודולי המבוא והמוצא המבודדים במלואם. מלבד מודול ספק-הכוח, המערכת מחולקת לארבע תת-מערכות המבדילות בין מודולי המבוא האנלוגי, המוצא האנלוגי, המבוא הדיגיטלי והמוצא הדיגיטלי. סוגים אחדים של חיישנים פרוסים כדי לקבל את האותות האנלוגיים בעלי אמפליטודת ותדרים שונים. את האותות הללו יש לעבד מראש ולהמיר לצורה דיגיטלית לשם ניתוח נוסף. מגברים בעלי שבח הניתן לתכנות קובעים את האותות בעלי המבוא הקטן כדי שיוכלו להימדד במדויק ולהיות מומרים לתצוגה הדיגיטלית שלהם על-ידי ממירים אנלוגי-לדיגיטלי (analog-to-digital-converters – ADCs). דרוש בידוד כדי להגן על הבקר או המעבד ממתח-על בלתי-צפוי הנובע מהשדה, עבורו מוצבים מבודדים אופטיים או משולבים בין המעבד ומודולי המבוא והמוצא.
דרישות הדיוק והרזולוציה עבור מודולי המבוא והמוצא הן שונות בתכלית. בעוד מודולי המבוא מנטרים את איסוף הנתונים המדויק ביותר של התהליך, מודולי המוצא מתאימים לרוב את המוצא ברזולוציה ודיוק של -16ביט ביישומים יקרים ביותר. כתוצאה מתנאים אלה, ADCs סיגמה-דלתא משמשים לרוב עבור מודולי מבוא במערכות PLC מהן זמינים בשוק מגוון רחב של ADCs מבודדים, חד-ערוציים ורב-ערוציים ובעלי דגימה בו-זמנית. מודולי מוצא עשויים להציע DACs בעלי מתח מדויק, בעלי זרם מדויק או שילוב ביניהם. שיטות אחדות מאפשרות הפקת רמות של זרם ומתח עבור המוצא האנלוגי של ה-PLC. מערכות PLC נהנים משמעותית מההתפתחות של DACs דו-קוטביים מדויקים המספקים תפקודיות-יתר ורמה גבוהה של שילוב, בשל הקטנת מורכבות המערכת, ממדי הכרטיסים והעלות.
בקרי מנוע
DACs מבצעים תפקיד משולב בחוגי בקרת-מנוע, לדוגמה, במערכות משאבות אינפוזיה (איור 5). משאבות אינפוזיה משמשות הרבה ברפואה האנושית כדי לספק טיפול רפואי למטופלים בעלי גיל כלשהו. התפקיד של משאבת אינפוזיה הוא לספק נוזלים, תרופות או תוספים למערכת הלב וכלי-הדם בנוהל רגעי או מתמשך. אם כי משאבות אינפוזיה דורשות משתמש מקצועי כדי לתכנן את הפרמטרים המסוימים עבור הטיפול, היתרונות הקיימים לעומת מסירה ידנית משפיעים על אימון גדול יותר של המשתמש. היכולת של מכשירים אלה לספק במדויק מנות זעירות בפרקי-זמן קבועים בצורה עצמאית מבטלת את הצורך בנוכחות אחות או רופא כדי לכוון ידנית את זרימת הנוזל אל המטופל. רופאים ומנהלים רפואיים יכולים לסמוך על ביטחון מערכות משאבות האינפוזיה כדי להציג מידע בזמן-אמת של המערכות אודות הגבלות המינון לשם ביטחון הכיול, או כדי למנוע מינון-יתר. המידע יכול גם ליצור אמון-יתר שמנגנון ההספקה הפיזי בעצמו יהיה אמין ומדויק. במהלך הפעולה, המיקרו-בקר מקבל את אותות המהירות והכיוון המנוטרים מהמנוע dc, כשהם מנותחים ומותאמים (אם דרוש) כדי להתאים לנקודת הכיוון. ה-DAC בנתיב ההזנה-קדימה מבצע כיווני מערכת בעוד ה-ADC במשוב מנטר את ההשפעה של כל כיוון. מתח הכיוון הדרוש הנקבע על-ידי ה-DAC מוגבר דרך רשת הנהיגה כדי לספק את הזרם הדוחף הדרוש אל המנוע dc.
Analog Devices () מציעה פתרונות עיבוד בעלי אותות אנלוגיים ומעורבים לשם גילוי, מדידה ובקרה של החיישנים והמפעילים המשמשים בנתחי כימיה, סייטומטרי זרימה, משאבות אינפוזיה, ציוד דיאליזה, מאווררים, קטטרים ומכשירים רפואיים רבים אחרים. במיוחד, ה-AD5761R, DAC דו-קוטבי בעל רזולוציה גבוהה ובעל שמונה תחומי מוצא זמינים הנבחרים על-ידי תוכנה אשר שומרים על דיוק משותף, מיועד ליישומי בקרת-מנועים, ותומך בשינויי המתח השונים הדרושים על-ידי המנועים.
איור 5. DACs מספקים תפקיד משולב בלולאות בקרת מנועים, דוגמת מערכת משאבת האינפוזיה הגדולה הזו
סיכום
DACs משחקים תפקיד מפתח בקביעת הביצועים והדיוק של הרבה מערכות בקרה ומעגלי המרה פשוטים, כמו גם יישומים מורכבים נוספים. משפחת ה-AD5761R, שהיא DAC דו-קוטבי מלא -16ביט בעל רזולוציה מדויקת עם תחומי מוצא מרובים הנקבעים על-ידי תוכנה, תמצא שימוש במספר יישומים אשר הוזכרו לעיל. היא מציעה תחומים הניתנים לשינוי רב (0 וולט ל-5 וולט, 0 וולט ל-10 וולט, 0 וולט ל-16 וולט, 0 וולט ל-20 וולט, וולט, וולט, וולט ו-2.5 – וולט עד +7.5 וולט; 5% על-תחום) כדי התאים למערכות DAQ, אוטומציה תעשייתית, בקרי לוגיקה מתוכנתים ובקרי מנועים. השילוב בתוך המשפחה, הכולל חוצץ מוצא וייחוס פנימי חצוץ 2-ppm/0C, מסייע לפישוט תכנון הכרטיס, מקטין את ממדי הכרטיס וממזער את צריכת ההספק והעלות.
Estibaliz Sanz Obaldia received her bachelor’s degree in electronic engineering and automation from University of Deusto. Estibaliz, joined ADI in 2010 and works as an applications engineer in the Precision Converter Group in Limerick, Ireland.
Junifer Frenila received his bachelor’s degree in electronics and communications engineering from WVCST in 2005. He joined ADI in 2006 and works as a design evaluation engineer in the Precision Converter Group in ADI Philippines. Junifer is currently working on his doctoral degree in electronics engineering at Mapúa Institute of Technology.
