এই পেপারটি ইন্ডাস্ট্রিয়াল অটোমেশনে মাইক্রোকন্ট্রোলারের (MCUs) ভূমিকার উপর ফোকাস করে, বিশেষভাবে পরীক্ষা করে যে কিভাবে তারা সেন্সর এবং অ্যাকুয়েটরদের জন্য বাস্তব-ওয়ার্ল্ড ইন্টারফেস প্রদান করে। এটি অ্যানালগ ডিভাইসের ADuCM360 এবং EMF32 সিরিজের মতো নির্ভুলতা এবং বিশেষায়িত পেরিফেরাল সহ ARM® এর Cortex™-M3 এর মতো উচ্চ-পারফরম্যান্স কোরগুলির একীকরণ নিয়ে আলোচনা করে। এটি এই অ্যাপ্লিকেশন ডোমেনের জন্য তুলনামূলকভাবে নতুন প্রোটোকলগুলিও পরীক্ষা করে, বিশেষভাবে Infineon's XC800 এবং XC16x সিরিজ এবং টেক্সাস ইন্সট্রুমেন্টের MSP430F2274, সেইসাথে ম্যাক্সিমের MAX14821-এর মতো ডেডিকেটেড ট্রান্সসিভারগুলি সহ নিম্ন-এমসিইউগুলিকে উল্লেখ করে৷
মাইক্রোকন্ট্রোলার ক্রমবর্ধমান হাইব্রিড-সংকেত ক্ষমতা এবং প্রক্রিয়াকরণ শক্তিকে একীভূত করে, তবুও অন্যান্য উন্নয়নগুলি নিম্ন-মাইক্রোকন্ট্রোলারের জীবনচক্রকে প্রসারিত করছে।
সংজ্ঞা অনুসারে, মাইক্রোকন্ট্রোলার (MCUs) অপ্রয়োজনীয়, "বাস্তব জগতের" সরাসরি ইন্টারফেসের অভাব। এগুলি ইনপুট এবং আউটপুটগুলির জন্য কেন্দ্রীয় হাব হিসাবে পরিবেশন করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, শর্তসাপেক্ষ প্রতিক্রিয়াগুলি সম্পাদন করে এবং অনুক্রমিক এবং সমান্তরাল প্রক্রিয়াগুলি পরিচালনা করে। তাদের ভূমিকা নিয়ন্ত্রণ দ্বারা সংজ্ঞায়িত করা হয়, এবং তাদের প্রোগ্রামেবল প্রকৃতি মানে এই নিয়ন্ত্রণ যুক্তি দ্বারা পরিচালিত হয়। যাইহোক, এগুলি মৌলিকভাবে এনালগ জগতের ইন্টারফেস হিসাবে ডিজাইন করা হয়েছে, এইভাবে এনালগ-থেকে-ডিজিটাল রূপান্তরের উপর অনেক বেশি নির্ভরশীল। সাধারণত, এটি একটি অ্যানালগ প্যারামিটারের ডিজিটাল উপস্থাপনা-প্রায়শই কোনো কোনো সেন্সর থেকে-যা নিয়ন্ত্রণ প্রক্রিয়াকে চালিত করে, যা অটোমেশন অ্যাপ্লিকেশনের চেয়ে বেশি স্পষ্ট নয়।
সুনির্দিষ্ট কর্মক্ষমতা
বাণিজ্যিক চাপগুলি দাবি করে যে ডেটা রূপান্তর প্রক্রিয়াগুলি তাদের ক্রিয়াকলাপের জন্য গুরুত্বপূর্ণ-চিপে কার্যকরভাবে-মিশ্র সংকেত একীকরণের উচ্চ স্তরের ড্রাইভিং খরচ পরিচালনা করা। তদ্ব্যতীত, বর্ধিত একীকরণ মূলের উপর বৃহত্তর প্রক্রিয়াকরণের বোঝা নিয়ে আসে।
তাদের স্বল্প খরচ এবং নমনীয়তার অর্থ হল MCUগুলি প্রায়শই অবাধে নিযুক্ত করা হয়, কিন্তু শিল্প জুড়ে নির্মাতারা এখন খরচ, জটিলতা বা নিরাপত্তার কারণে কার্যকারিতা একত্রিত করার চেষ্টা করে; যেখানে একসময় কয়েক ডজন MCU ব্যবহার করা হতো, এখন শুধুমাত্র একটিই যথেষ্ট।
এইভাবে, এটা আশ্চর্যজনক নয় যে সহজ 4-বিট ডিভাইসগুলি অত্যন্ত জটিল 32-বিট প্রসেসিং ইঞ্জিনে বিকশিত হয়েছে, যার সাথে ARM Cortex-M সিরিজ অনেক সরবরাহকারীর মূল পছন্দ হয়ে উঠেছে।
সুনির্দিষ্ট, স্থিতিশীল অ্যানালগ রূপান্তরের সাথে উচ্চ-পারফরম্যান্স প্রসেসিং কোর মিশ্রিত করা কোন সহজ কাজ নয়। CMOS উচ্চ -গতির ডিজিটাল, কিন্তু সংবেদনশীল অ্যানালগ পেরিফেরালগুলিকে তাৎক্ষণিকভাবে তৈরি করা চ্যালেঞ্জিং হতে পারে৷ এই ডোমেনে গভীর দক্ষতার সাথে একটি কোম্পানি হল এনালগ ডিভাইস, ইনকর্পোরেটেড। এর ADuCM সিরিজের সম্পূর্ণ ইন্টিগ্রেটেড ডেটা অধিগ্রহণ সিস্টেমগুলি নির্ভুল এনালগ সেন্সরগুলির সাথে সরাসরি সংযোগের জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। এই পদ্ধতিটি শুধুমাত্র উপাদানের সংখ্যা কমিয়ে দেয় না কিন্তু অ্যানালগ এবং/অথবা ডিজিটাল পর্যায়গুলিকে বাদ দিয়ে নির্ভুলতাও সংরক্ষণ করে।
উদাহরণস্বরূপ, ARM কর্টেক্স-M3-ভিত্তিক ADuCM360-এ বাস্তবায়িত রূপান্তর হল একটি 24-বিট সিগমা ডেল্টা ADC, যা ডিভাইসের অ্যানালগ সাবসিস্টেমের অংশ। এর মধ্যে একটি প্রোগ্রামেবল বর্তমান উত্তেজনা উত্স এবং একটি পক্ষপাত ভোল্টেজ জেনারেটর অন্তর্ভুক্ত রয়েছে, তবে আরও গুরুত্বপূর্ণভাবে, অভ্যন্তরীণ ফিল্টার-একটি নির্ভুল পরিমাপের জন্য এবং আরেকটি দ্রুত পরিমাপের জন্য যা উত্স সংকেতের বড় বৈচিত্র সনাক্তকরণের জন্য উপযুক্ত।
ডিপ স্লিপ সেন্সিং
এমসিইউ নির্মাতারা অটোমেশনে সেন্সর যে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে তা স্বীকার করে এবং ইন্ডাকটিভ, ক্যাপাসিটিভ এবং প্রতিরোধী সেন্সরগুলির জন্য ডেডিকেটেড ইন্টারফেসের সাথে অপ্টিমাইজড এনালগ ফ্রন্ট এন্ড তৈরি করা শুরু করেছে।
এর মধ্যে কিছু সামনের প্রান্তগুলি এমনকি স্বায়ত্তশাসিতভাবে কাজ করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, যেমন এনার্জি মাইক্রোর অতি-লো-শক্তির MCU সিরিজে LESENSE (লো এনার্জি সেন্সর) ইন্টারফেস। এটি একটি এনালগ তুলনাকারী, একটি DAC (ডিজিটাল-থেকে-এনালগ রূপান্তরকারী), এবং একটি কম-পাওয়ার সিকোয়েন্সারকে অন্তর্ভুক্ত করে, যা এটিকে MCU-এর কোর দ্বারা কনফিগার করার অনুমতি দেয় এবং বাকি ডিভাইসটি গভীর ঘুমের মোডে থাকা অবস্থায় কাজ করে৷
সিকোয়েন্সার একটি 32 kHz ঘড়ি থেকে কাজ করে এবং কার্যকলাপ নিয়ন্ত্রণ করে, যখন তুলনাকারী আউটপুটটি CPU-কে জাগানোর জন্য একটি বাধা তৈরি করতে কনফিগার করা যেতে পারে। DAC একটি তুলনাকারী রেফারেন্স বা একটি ড্রাইভ উত্স হিসাবে নির্বাচন করা যেতে পারে। LESENSE প্রযুক্তি একটি কনফিগারযোগ্য ডিকোডারও অন্তর্ভুক্ত করে যেটি শুধুমাত্র যখন একাধিক সেন্সর শর্ত একই সাথে পূরণ করা হয় তখনই বাধা তৈরি করতে সেট করা যেতে পারে। ডিজি-কী এনার্জি মাইক্রোর EFM32 টিনি গেকো স্টার্টার কিট অফার করে, যার মধ্যে একটি LESENSE প্রদর্শন রয়েছে। এআরএম কর্টেক্স-এম৩-এর উপর ভিত্তি করে এনার্জি মাইক্রো-এর ক্ষুদ্র গেকো সিরিজের এমসিইউ এবং 32 মেগাহার্টজ পর্যন্ত ফ্রিকোয়েন্সিতে কাজ করে, তাপমাত্রা, কম্পন, চাপ এবং গতি সংবেদনের মতো শিল্প অটোমেশন অ্যাপ্লিকেশনগুলিকে লক্ষ্য করে।
চিত্র 1: এনার্জি মাইক্রোর কম-পাওয়ার সেন্সর ইন্টারফেস, LESENSE, শিল্প নিয়ন্ত্রণ এবং অটোমেশন সিস্টেমের জন্য নমনীয় সেন্সর সংযোগ প্রদান করে।
IO-লিঙ্ক
একটি শক্তিশালী নতুন সেন্সর এবং অ্যাকুয়েটর ইন্টারফেসের প্রবর্তন অনেক নির্মাতাকে শিল্প অটোমেশনে 8-বিট এবং 16-বিট ডিভাইসের আয়ু বাড়াতে সাহায্য করছে। এই ইন্টারফেসের পিছনের প্রোটোকলটিকে IO-Link বলা হয় এবং এটি শিল্প অটোমেশন, বিশেষ করে MCU সরবরাহকারীদের অনেক নেতাদের কাছ থেকে সমর্থন পেয়েছে।
IO-লিঙ্ক একটি 3-তারের সীমাহীন তার ব্যবহার করে যার সর্বোচ্চ দৈর্ঘ্য 20 মিটার, এটিকে বিদ্যমান ইনস্টলেশনগুলিতে স্মার্ট সেন্সর এবং অ্যাকুয়েটরগুলিকে পুনরুদ্ধার করার জন্য উপযুক্ত করে তোলে৷ এটির প্রতিটি প্রান্তে "বুদ্ধিমত্তা" প্রয়োজন, সাধারণত একটি MCU তে প্রয়োগ করা হয়। যাইহোক, প্রোটোকলের আপেক্ষিক সরলতার কারণে, এটি কম-মূল্যের 8-বিট এমসিইউ-এর মধ্যে মিটমাট করা যেতে পারে- যা অনেক নির্মাতারা এখন বিকাশ করছে।
প্রোটোকল (এসডিসিআই নামেও পরিচিত, একক-পয়েন্ট ডিজিটাল কমিউনিকেশন ইন্টারফেসের জন্য দাঁড়িয়েছে, এবং IEC 61131-9 এর অধীনে প্রমিত) একটি পিয়ার-টু-পিয়ার কমিউনিকেশন সমাধান হিসাবে তৈরি করা হয়েছিল যা সেন্সর এবং অ্যাকচুয়েটরগুলির মধ্যে সহজেই এম্বেড করা যেতে পারে, "তাদেরকে একটি ডিগ্রি প্রদান করে।" অতএব, এটি ফিল্ডবাস, প্রোফিনেট, বা HART-এর মতো বিদ্যমান যোগাযোগ স্তরগুলিকে প্রতিস্থাপন করার উদ্দেশ্যে নয়, বরং কম খরচের MCU-এর জন্য উচ্চ-নির্ভুল সেন্সর এবং অ্যাকুয়েটরগুলির সাথে ইন্টারফেস করা সহজ করে তাদের পাশাপাশি কাজ করা।
IO-লিঙ্কের পিছনে থাকা কনসোর্টিয়াম বিশ্বাস করে যে এটি প্যারামিটার পর্যবেক্ষণের মাধ্যমে বাস্তব-সময় ডায়াগনস্টিকসের মতো দরকারী বৈশিষ্ট্যগুলি প্রবর্তন করার সময় সিস্টেমের জটিলতাকে উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করতে পারে। যখন গেটওয়ের মাধ্যমে ফিল্ডবাস টপোলজিতে একীভূত করা হয় (এমসিইউ বা পিএলসি দ্বারা প্রয়োগ করা হয়), জটিল সিস্টেমগুলি কেন্দ্রীয়ভাবে নিয়ন্ত্রণ কক্ষ থেকে নিরীক্ষণ ও পরিচালনা করা যেতে পারে। সেন্সরগুলি দূরবর্তীভাবে কনফিগার করা যেতে পারে, আংশিকভাবে কারণ IO-লিঙ্ক-সঙ্গত সেন্সরগুলি "প্রচলিত" সেন্সরগুলির চেয়ে নিজেদের সম্পর্কে আরও বেশি জানে৷
প্রথমত, তাদের পরিচয় (এবং প্রস্তুতকারকের) XML ফর্ম্যাটে সেন্সরের মধ্যে এমবেড করা হয়েছে, অনুরোধের ভিত্তিতে উপলব্ধ। এটি সিস্টেমটিকে অবিলম্বে সেন্সরকে চিনতে এবং এর ক্ষমতা বুঝতে দেয়। আরও গুরুত্বপূর্ণভাবে, IO-লিঙ্ক সেন্সরকে (এবং অ্যাকচুয়েটরদের) কন্ট্রোলারকে ক্রমাগত, রিয়েল টাইম ডেটা স্ট্রিম প্রদান করতে সক্ষম করে। প্রকৃতপক্ষে, IO-লিঙ্ক তিন ধরনের ডেটা আদান-প্রদানের সুবিধা দেয়: ডেটা, পরিষেবা ডেটা এবং ইভেন্টগুলি প্রক্রিয়াকরণ৷ প্রক্রিয়া ডেটা চক্রাকারে প্রেরণ করা হয়, যখন পরিষেবা ডেটা আদান-প্রদান করা হয় অ-চক্রীয়ভাবে এবং সর্বদা IO-লিঙ্ক মাস্টারের অনুরোধে। পরিষেবা ডেটা ডিভাইসে/থেকে প্যারামিটার ডেটা পড়তে এবং লিখতে ব্যবহার করা যেতে পারে।
IO-লিঙ্ক MCU-গুলিকে স্মার্ট সেন্সরগুলির সাথে ইন্টারফেস করার একটি সহজ উপায় প্রদান করে, সিস্টেম ইঞ্জিনিয়ারদের আরও বুদ্ধিমান শিল্প অটোমেশন সমাধানগুলি বিকাশ করতে সক্ষম করে৷
অসংখ্য MCU সরবরাহকারী IO-লিঙ্ক কনসোর্টিয়ামে যোগদান করেছে, যেটি সম্প্রতি PI (PROFIBUS এবং PROFINET International) এর মধ্যে একটি টেকনিক্যাল কমিটি (TC6) হয়ে উঠেছে। মৌলিকভাবে, IO-লিঙ্ক কন্ট্রোলারগুলিকে-এমসিইউ এবং পিএলসি সহ-শনাক্তকরণ, নিয়ন্ত্রণ এবং সাধারণত সেন্সর এবং অ্যাকুয়েটরদের সাথে যোগাযোগ করার জন্য একটি প্রমিত পদ্ধতির সাথে প্রদান করে যা এই প্রোটোকল গ্রহণ করে। এমসিইউ প্রস্তুতকারকদের কাছ থেকে ক্রমবর্ধমান সমর্থনের পাশাপাশি সামঞ্জস্যপূর্ণ ডিভাইস সরবরাহকারী নির্মাতাদের তালিকা বাড়ছে।
জার্মান ডিজাইন হাউস মেস্কো ইঞ্জিনিয়ারিং-এর মতো বিশেষজ্ঞদের কাছ থেকে আংশিকভাবে সহায়তা আসে, যেটি একাধিক সেমিকন্ডাক্টর নির্মাতাদের সাথে IO-লিঙ্ক সলিউশন তৈরি করতে সহযোগিতা করছে। এর অংশীদার তালিকায় রয়েছে Infineon, STMicroelectronics, Atmel, এবং Texas Instruments. উদাহরণ স্বরূপ, Infineon মেস্কোর IO-লিঙ্ক স্ট্যাককে তার XC800-এ পোর্ট করেছে, একটি 8051-সঙ্গত 8-বিট MCU যা ডিভাইসের (সেন্সর/অ্যাকচুয়েটর) প্রান্তে বুদ্ধিমত্তা সরবরাহ করে। Infineon XE16x সিরিজ সহ তার 16-বিট ডিভাইসগুলির জন্য IO-Link সমর্থন সক্ষম করছে।
মেস্কোর স্ট্যাকটি টেক্সাস ইন্সট্রুমেন্টস-এর কম-পাওয়ার MSP430 সিরিজ-একটি মালিকানাধীন কোরের উপর ভিত্তি করে অন্য 16-বিট MCU-তেও পোর্ট করা হয়েছে। বিশেষত, এটি MSP430F2274 কে লক্ষ্য করে।
নির্মাতারা ম্যাক্সিমের MAX14821-এর মতো বিচ্ছিন্ন IO-লিঙ্ক ট্রান্সসিভারের একটি পরিসরও তৈরি করছে। এই ট্রান্সসিভারটি IO-লিঙ্ক ডিভাইস এবং 24 V বাইনারি সেন্সর/অ্যাকচুয়েটরকে লক্ষ্য করে, ডাটা লিঙ্ক লেয়ার প্রোটোকল (চিত্র 3) চালিত MCU-এর জন্য ফিজিক্যাল লেয়ার ইন্টারফেস হিসেবে কাজ করে। দুটি অভ্যন্তরীণ রৈখিক নিয়ন্ত্রক 5 V এবং 3.3 V এ সাধারণ সেন্সর এবং অ্যাকুয়েটর পাওয়ার প্রয়োজনীয়তা তৈরি করে এবং ডিভাইসটিকে একটি SPI ইন্টারফেসের মাধ্যমে কনফিগার করা এবং পর্যবেক্ষণ করা হয়। এটিতে একটি IO ট্রান্সসিভার ইন্টারফেস রয়েছে যা 36 V পর্যন্ত ভোল্টেজে কাজ করতে সক্ষম।
চিত্র: ম্যাক্সিমের IO-লিঙ্ক ট্রান্সসিভার এমসিইউগুলির জন্য ডেটা লিঙ্ক লেয়ার প্রোটোকল চালানোর জন্য একটি ফিজিক্যাল লেয়ার ইন্টারফেস প্রদান করে।
যেহেতু IO-লিঙ্কটি অনুপ্রবেশের উচ্চ স্তর অর্জন করে, এটা দেখা যাচ্ছে যে আরও নির্মাতারা শিল্প অটোমেশন অ্যাপ্লিকেশনের জন্য MCU-তে অন্যান্য ডেডিকেটেড পেরিফেরালগুলির সাথে এই শারীরিক ইন্টারফেসগুলিকে একীভূত করছে৷
শিল্প অটোমেশন সর্বদা পরিমাপ এবং নিয়ন্ত্রণের একীকরণের উপর নির্ভর করে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে নেটওয়ার্কিংয়ের ক্রমবর্ধমান প্রবর্তন সত্ত্বেও, ডিজিটাল এবং এনালগ ডোমেনের মধ্যে ইন্টারফেস তুলনামূলকভাবে অপরিবর্তিত রয়েছে। যাইহোক, IO-লিঙ্কের প্রবর্তনের সাথে, সেন্সর এবং অ্যাকুয়েটরগুলি এখন তৈরি করা হচ্ছে যা MCU-এর সাথে আরও পরিশীলিত উপায়ে সংযোগ করতে পারে। পয়েন্ট-টু-পয়েন্ট সংযোগগুলি কেবল ইন্টারফেসিং নিয়ন্ত্রণ উপাদানগুলির জন্য একটি সহজ পদ্ধতি প্রদান করে না বরং নিম্ন-এমসিইউগুলির সক্ষমতা প্রসারিত করার একটি কার্যকর উপায়ও প্রদান করে।