Aktuální vydání

celé číslo

11

2020

Systémy řízení výroby a výrobních podniků

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Ethernet a USB společně v průmyslových řídicích systémech

Modularita a konektivita jsou zdánlivě protichůdné trendy. Modulární design přináší množství výhod, ale bez konektivity bude výsledné řešení izolované.

Použití modulárních řídicích jednotek, často založených na vestavných jednodeskových počítačích (SBC) a doplňkových kartách, se stalo populární a efektivní alternativou k vývoji řešení na zakázku, zejména při malých objemech výroby. Růst nabídky procesorů a čipových sad založených na architektuře x86 a vhodných pro průmyslové použití od společnosti Intel podstatně urychlilo nástup SBC do průmyslové automatizace. V současné době se stále více objevují alternativní SBC s procesory ARM, které mohou být zacíleny na cenově citlivější obory.

Návrh řídicích systémů s využitím modulárních počítačů také přináší výhody v oblasti konektivity. Výrobci SBC, nezávisle na preferované architektuře procesorů, jednohlasně, byť mlčky uznávají, že v současnosti je nezbytné, aby počítač měl za každých okolností dvě rozhraní – USB a Ethernet.

USB a Ethernet

Oba standardy, USB a Ethernet, pocházejí ze sektoru neprůmyslového charakteru, ale v současnosti jsou stále více používány i v průmyslu. Především díky své univerzální kompatibilitě jsou ovladače pro USB a Ethernet dostupné pro téměř všechny operační systémy používané v modulárních počítačích. Nejpopulárnější je pravděpodobně OS Linux, který bez problémů pracuje na architekturách x86, MIPS i ARM. USB a Ethernet podporuje také stále rostoucí počet mikroprocesorů, a to nativně, bez závislosti na operačním systému.

Rozhraní USB

Moderní vestavné počítače mají rozhraní USB téměř vždy, ale jeho výhody lze využít také u starších systémů, které je možné tímto rozhraním doplnit. Společnost Future Technology Devices International (FTDI) nabízí široké spektrum možností, jak toto doplnění realizovat.

Klíčovými komponentami jsou řadiče masterslave Vinculum nebo Vinculum-II, které obsahují šestnáctibitový mikroprocesor a paměti flash a RAM. Data protokolu USB zpracovávají hardwarové zdroje uvnitř zařízení. Modely řady Vinculum umožňují jednoduše proměnit volný sériový port na hostitelském systému v plně funkční port USB, aniž by bylo třeba vyvíjet podpůrný software protokolu nebo firmware ovladače.

Společnost FTDI nedávno oznámila uvedení další řady modulů na trh. Vinculo (obr. 1) je vývojová platforma pro přidání rozhraní USB 2.0 do integrovaných systémů, inspirovaná platformou Arduino Duemilanove/Uno. Platforma Vinculo umožňuje návrhářům integrovat USB 2.0 prostřednictvím dvoukanálového řadiče master/slave Vinculum II VNC2-64, který podporuje rozhraní pro stále rostoucí počet aplikačních I/O obvodů, známých ve světě Arduina jako shields a vyvinutých tzv. open-source komunitou okolo platformy Arduino.

Vývojové sady Vinculo a Shield Vinculo dodává společnost RS Components (skladová čísla RS 720-3732 a 720-3723). Sada Vinculo obsahuje veškerý hardware i software potřebný pro vývoj a je v ní integrován osmikanálový desetibitový analogově-digitální převodník (ADC), který spolu s rozhraním PWM na desce VNC2 dává možnost využít ji v analogových řídicích obvodech. Digitální ovládání umožňuje 38 univerzálních I/O (GPIO). Programovací jazyk Vinculo, který je odvozen z jazyka ANSI C, je podporován bezplatnými nástroji pro vývoj softwaru, softwarovými knihovnami a referenčními příklady od společnosti FTDI. Součástí balíčku jsou knihovny ovladačů potřebných k vytvoření velkokapacitního paměťového zařízení USB, rozhraní HMI, tiskárny a komunikačního nebo řídicího zařízení. Deska Proto (obr. 2) také dovoluje vývojářům vytvořit vlastní aplikační I/O obvody.

Ethernet s Arduinem

Arduino také umožňuje vývojářům využívat internet prostřednictvím ethernetového připojení s využitím ethernetového zásuvného modulu Arduino (skladové číslo RS 715-4072), který používá mikroprocesor Atmel ve spojení s ethernetovým čipem Wiznet W5100. Spolu poskytují síťové rozhraní s podporou protokolů TCP i UDP.

Jsou podporována čtyři současná spojení. Deska je rovněž vybavena konektorem pro kartu microSD, kterou lze využít k uložení souborů pro jejich distribuci prostřednictvím ethernetové sítě.

Nativní podpora USB a Ethernetu

Nativní podpora USB a Ethernetu znamená, že podpora těchto rozhraní je vlastní přímo mikroprocesorům. Díky výkonu 32bitových procesorů je stále snazší nativně podporovat vysokorychlostní kabelové i bezdrátové protokoly, což se projevuje v rostoucí nabídce těchto zařízení od různých výrobců, např. NXP, STMicroelectronics a Atmel (mikroprocesory na architektuře ARM) nebo Microchip (mikroprocesory PIC32 založené na architektuře MIPS).

 Dlouhodobá dostupnost

Ethernet i USB se v průmyslovém prostředí prosazují stále více. Jedním z důvodů je, že USB a Ethernet jsou obecně tak rozšířeny, že jejich nahrazení alternativními řešeními by bylo obtížné, což je přesně to, co průmyslový trh potřebuje – je tím zaručena dlouhodobá dostupnost obou rozhraní.

 Lance Hemmings, RS Components

Obr. 1. Vývojová sada Vinculo

Obr. 2. Sada Vinculo Proto pro vývoj vlastních I/O obvodů