הוספת צמתים-ילדים עם יחס עלות-תועלת מיטבי לנקודות-הקצה של ה- IIoT בקלות וביעילות באמצעות מרחיבי נקודות-חיבור

עבור יישומי אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT), המאפיינים והגמישות של נקודות-הקצה של ה- IIoT התרחבו לא רק בפונקציונליות אלא גם בהרחבת אזור הבקרה הפיזית למרחק רב מהמיקרו-בקר המארח בנקודת-הקצה. בעוד שניתן להשתמש בכמה פיני I/O של המיקרו-בקר המארח של נקודת-הקצה של ה- IIoT כדי להגיע למיקומים מורחבים אלו, קווי ה- I/O הופכים לרגישים יותר להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ככל שהמרחק גדל, וכתוצאה מכך נפגעת האמינות. למרות שניתן להשתמש במיקרו-בקר אחר כצומת-ילד של המיקרו-בקר המארח של נקודת-הקצה של ה- IIoT, זה עשוי להגדיל שלא-לצורך את המורכבות כאשר הנתונים משמשים רק עבור אותות I/O דיגיטליים פשוטים.

במקום להרחיב את קווי ה- I/O עבור בקרה רחבה יותר, המפתחים יכולים להשתמש במרחיבי נקודות-חיבור כצמתים-ילדים עם יחס עלות-תועלת מיטבי מחוץ לנקודת-הקצה של ה- IIoT.

מאמר זה מתאר את תפקידם של מרחיבי נקודות-חיבור לפני הצגת שני מרחיבי נקודות-חיבור מבית Maxim Integrated. מרחיבים אלו מתממשקים בקלות למיקרו-בקר המארח עם ממשקים טוריים המרחיבים משמעותית את פונקציונליות ה- I/O הדיגיטליים של צומת ה- IIoT. הם עושים זאת תוך שמירה על פונקציונליות I/O לשימוש כללי (GPIO) קונבנציונלית כגון יצירת אפנון רוחב פולס (PWM) וגילוי הפרעות.

מדוע צריכים מרחיבי נקודות-חיבור עבור רשת IIoT

כאשר מתכננים רשת IIoT, אחד הצעדים הראשונים כרוך בהחלטה על מספר נקודות-הקצה. כל ציוד שידרוש לסנכרן את התנהגותו עם שאר המפעל ידרוש לפחות נקודת-קצה אחת. דוגמה טובה לכך היא פס הייצור של המפעל. יש לסנכרן כל תחנה לקצב ההתקדמות בכל פס הייצור כדי לבצע את תהליך ההרכבה הנכון בזמן הנכון.

עם זאת, נקודת קצה IIoT בפס הייצור של המפעל עשויה שלא להיות ממוקמת ליד אזור פיזי אחד, אלא עשויה במקום זאת להשתמש בחיווט או בכבלים כדי להרחיב את נקודת-הקצה של ה- IIoT של נקודות-חיבור GPIO של המיקרו-בקר המארח של שבמרחק רב, בדומה לתצורת כוכב עם המיקרו-בקר המארח כרכזת. הסיומת של כל נקודה בכוכב עשויה להיות מורכבת דיה כדי לפעול כצומת-ילד מחוץ לנקודת-הקצה העיקרית של ה- IIoT, אך יתכן שהיא לא מספיק מתוחכמת כדי להיות מוגדרת כנקודת-קצה IIoT עצמה עם חיבור רשת משלה. אמנם ניתן לתכנן את צומת-הילד כך שתהיה מבוקרת על ידי מיקרו-בקר משלו, אך עבור GPIO פשוט זה עשוי להוסיף מורכבות ועלות לא-נחוצות.

דוגמה מהעולם האמיתי תהיה נקודת-קצה IIoT המבקרת מנועים באמצעות אותות PWM. אם המנועים מרוחקים כמה מטרים, יהיה צורך לשלוח למנועים מספר אותות PWM, מה שיגדיל את ה- EMI עבור האזור שמסביב. ניתן להשתמש בכבל מסוכך כדי לשדר את אותות ה- PWM, אך הדבר יגדיל את עלות המערכת ולא ימנע שגיאות, עקב שיהויי פאזה על פני המרחק או ערב-דיבור (Crosstalk‏). במקום זאת, ניתן להשתמש באפיק טורי כגון C‏^2‏I או SPI כדי לשלוח פקודות למערכת הניתנת-לתכנות הממוקמת בסמוך למנועים שתיצור את אותות ה- PWM. אלקטרוניקה זו תהיה צומת-ילד שתוכנתה ליצור את אותות ה- PWM הנדרשים.

פיתרון פרקטי עבור הצומת-ילד עשוי להיות שימוש במרחיב נקודות-חיבור מעל הממשק הטורי למיקרו-בקר המארח. מרחיבי נקודות-חיבור הם פשוטים יותר להגדרה לעומת מיקרו-בקרים והם מרחיבים את הכיסוי של ה- GPIO של המיקרו-בקר המארח. במקום להריץ שמונה או יותר קווי GPIO לצומת-ילד, ניתן לגשת בקלות למרחיב נקודות-החיבור בצומת-ילד על ידי המיקרו-בקר המארח באמצעות ממשק C‏^2‏I או SPI פשוט. כתיבה לתוך אוגר במרחיב נקודות-החיבור מגדירה או מנקה GPIO בעוד שקריאה מחזירה את הסטטוס של ה- GPIO, בדומה לבקרה על GPIO במיקרו-בקר המארח. מרחיבי נקודות-חיבור גם שומרים על מרבית הפונקציונליות של ה- GPIO של המיקרו-בקר, כולל יצירת PWM וכניסות פסק (Interrupt).

דוגמה למרחיב נקודות-חיבור קל לשימוש הוא ה- MAX7315AUE+T מבית Maxim Integrated עם שמונה GPIO וממשק C‏^2‏I‏ (איור 1).

איור 1: מרחיב נקודות-החיבור MAX7315A מבית Maxim Integrated מספק עד שמונה GPIO ויכול ליצור פסק (Interrupt) למיקרו-בקר המארח על שינוי מצב של כל GPIO. ניתן לגשת אליו באמצעות ממשק C‏^2‏I‏ דו-חוטי. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

ה- MAX7315A תומך בשמונה GPIO שכל אחד מהם יכול להיות מוגדר באופן עצמאי ככניסה או יציאת מרזב (Drain)-פתוח. מיקרו-בקר מארח מתקשר עם ה- MAX7315A באמצעות ממשק C‏^2‏I הפועל עד 400 קילוהרץ (KHz). כתובת ההתקן באפיק C‏^2‏I‏ מוגדרת על ידי שלושת פיני הכתובת [AD [0:2, לפי איור 1. ההתקן יכול גם ליצור פסק (Interrupt) למיקרו-בקר המארח.

ה- MAX7315A מאפשר לנהל בקלות שמונה GPIO על ידי שלושה פינים בלבד: שני פיני C‏^2‏I ופין פסק (Interrupt). ניתן למקם את ההתקן בכל מרחק מהמיקרו-בקר המארח כל עוד התנאים מאפשרים תקשורת C‏^2‏I אמינה. בתלות בפרישת הלוח וב- EMI של הסביבה, כאשר השעון הטורי (SCL) פועל במהירות של kHz‏ 400‏, בדרך כלל מרחק של מטר אחד הוא מרחק אמין, ועם SCL של kHz‏ 100‏ ניתן להשיג מרחק של שלושה מטר או יותר.

עם זאת, חשוב לבדוק זאת בסביבה פעילה כדי להבטיח שתנאי הסביבה או ה- EMI לא ישפיעו בצורה משמעותית על המרחק.

גילוי פסק (Interrupt) בצומת-ילד

ההתקן תומך ביציאת פסק נמוך-אקטיבי בפין 13, אך אם אין צורך בפונקציית הפסק ניתן להגדיר את פין 13 כ- GPIO תשיעי. ניתן להגדיר את הפסק כך שימשיך להיות נמוך בכל החלפת מצב בפין הכניסה. זה מאפשר למיקרו-בקר המארח להיות מודע לפעילות בצומת-ילד ללא תשאול (Polling) ה- MAX7315A. כאשר פונקציית הפסק (Interrupt) מאופשרת, כל GPIO המוגדר ככניסה ושהפסק שלו מאופשר, יפעל ככניסת פסק. בכל שינוי במצב של GPIO כלשהו המוגדר כפסק, פין 13 הופך לנמוך כדי לאותת על השינוי למיקרו-בקר המארח. המיקרו-בקר המארח קורא אז את הסטטוס של ה- MAX7315A כדי לקבוע איזה GPIO שינה את הסטטוס.

תהליך זה מונע מאיבוד פונקציונליות פסק (Interrupt) מלהשתמש במרחיב נקודות-החיבור עבור ה- GPIO, שהוא קריטי לא רק ב- IIoT אלא גם במערכות מיקרו-בקרים הדורשות פסקים (Interrupts) לפעולת קושחה יעילה.

יש להשבית את פונקציית הפסק לפני שינוי התצורה של ה- MAX7315A כדי למנוע יצירת פסק שגוי.

למרות שה- MAX7315A יכול לפעול מהספקת-כוח של 2 וולט עד 3.6 וולט, ה- GPIO פועלים גם מ- 5.5 וולט. זה מאפשר ל- GPIO להיות תואם לרמות לוגיקה סטנדרטיות כולל מערכות דיגיטליות של 2.0 וולט, 3.6 וולט ו- 5.0 וולט. כל GPIO המוגדר כיציאת מרזב (Drain)-פתוח יכול לקבל עד 50 מיליאמפר (mA) ברמת לוגיקה גבוהה. ניתן לחבר את היציאות יחד כדי להגדיל את זרם היציאה. זה הופך את ה- MAX7315A לישים עבור מחווני LED ותאורה אחורית של מקלדות עם זרם גבוה.

יצירת PWM בצומת-ילד

ה- MAX7315A גם מאפשר יציאות PWM ניתנות-לתכנות ללא מעורבות של המיקרו-בקר המארח. מתנד kHz‏ 32‏ פנימי משמש כבסיס זמן עבור צורות-גל PWM. מערך עוצמת מאסטר של bit‏-4 מגדיר את תצורת עוצמת PWM‏ kHz‏ 32‏ הזמינה עבור כל היציאות מ- 0 עד 15, בדומה ל- Prescaler. כל צורת-גל של יציאת PWM עבור כל GPIO מחולקת ל 15 משבצות זמן. מערך עוצמת מאסטר קובע כמה משבצות זמינות עבור יצירת PWM. לכל GPIO בודד יש אוגר עוצמה אינדיבידואלי משלו המשמש לקביעת יחס המחזור עבור צורת-הגל במשבצות הפעילות. זה מוסבר בצורה הטובה ביותר בעזרת דוגמה באמצעות צורת-גל היציאה של פין GPIO אינדיבידואלי (איור 2).

איור 2: ל- MAX7315A יש מחולל PWM ניתן-לתכנות הפועל משעון kHz‏ 32‏ המיוצר פנימית. ל- PWM זה יש עוצמת מאסטר = 2 ועוצמת יחס מחזור GPIO אינדיבידואלי = 2. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

עוצמת המאסטר מוגדרת כ- 2, כך שרק משבצות 1 ו- 2 זמינות עבור יצירת PWM, בעוד שמשבצות 3 עד 15 הם ברמת לוגיקה אפס. עוצמת יחס המחזור האינדיבידואלי עבור GPIO זה מוגדרת ל- 2, כך שצורות-הגל במשבצות 1 ו- 2 הן עם יחס מחזור של 2/16‏ = 12.5%.

ניתן להגדיר את עוצמת מאסטר PWM מ- 0 עד 15, כאשר 15 משמעותו שכל 15 המשבצות זמינות. עוצמת מאסטר של אפס משמעותה שיצירת PWM מושבתת עבור כל ה- GPIO כך ששעון kHz‏ 32 מושבת כדי לחסוך הספק.

כל GPIO אינדיבידואלי יכול להגדיר עוצמת יחס מחזור PWM של 1 עד 16, כאשר 16 הוא יחס מחזור של 100 אחוז, תוך הגדרת המשבצת כרמת-לוגיקה גבוהה.

עבור גמישות נוספת, לכל GPIO יש ביט קוטביות היכול להפוך את צורת-הגל של ה- PWM. איור 2 מציג את צורת-הגל עם ביט הקוטביות עבור אותו GPIO המוגדר ל- 1. צורת-הגל של ה- PWM באיור 3 מציגה את אותו GPIO באותה עוצמת מאסטר ועוצמת יחס מחזור כמו באיור 2, אך ביט הקוטביות הוא ב- 0.

איור 3: לכל PWM GPIO ב- MAX7215A מבית Maxim Integrated יש ביט קוטביות ההופך את צורת-הגל. ל- PWM זה יש עוצמת מאסטר = 2 ועוצמת יחס מחזור GPIO אינדיבידואלי = 2 עם ביט קוטביות = 0 ההופך את צורת-הגל. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

עם גמישות זו בייצור צורת-גל PWM, ניתן להשתמש ב- MAX7315A בצומת-ילד מחוץ לנקודת-הקצה של ה- IIoT לבקרת עמעום של מחווני LED, טרנזיסטורי הספק של דוחפים עבור מנועי DC, ולבקרת סולנואידים ומפעילים (Actuators). כעת, במקום להפעיל שמונה קווים דיגיטליים הנושאים צורות-גל PWM על פני סביבה תעשייתית רועשת, המיקרו-בקר המארח פשוט צריך להגדיר את התצורה של ה- MAX7315A ולאפשר לו לפעול באופן עצמאי.

הרחבת הפונקציונליות בצמתים-ילדים

עבור צמתים-ילדים מורכבים יותר, Maxim Integrated מציעה את מרחיב נקודות-החיבור MAX7301AAX+T עם עד 28 GPIO. ה- MAX7301AAX מתממשק למיקרו-בקר המארח בנקודת-הקצה של ה- IIoT באמצעות ממשק SPI רגיל עם ארבעה פינים (איור 4). הוא גם תומך בפונקציית פסק (Interrupt) פעיל גבוה כפונקציה חלופית מחוץ ל- P31. ניתן להגדיר את ה- MAX7315AAX ליצירת פסק חזרה למיקרו-בקר המארח על שינוי מצב של GPIO אחד או יותר. זה מאפשר לבקר על 27 GPIO בצומת-ילד במערכת מונעת-פסק (Interrupt) באמצעות חמישה קווי בקרה בלבד: ארבעת קווי הבקרה של ה- SPI וקו פסק אחד.

איור 4: למרחיב נקודות-החיבור MAX7301 מבית Maxim Integrated יש ממשק SPI והוא תומך בעד 28 פיני GPIO הזמינים עבור כניסה או יציאה. פין 31 תומך בפונקציה חלופית כפסק (Interrupt) פעיל גבוה, המאפשרת בקרה על 27 קווי GPIO באמצעות חמישה אותות בקרה. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

ה- MAX7301AAX פועל בתחום הספקת-כוח רחב של 2.25 וולט עד 5.5 וולט, ההופך אותו לתואם למרבית מערכות לוגיקה דיגיטלית. ניתן להגדיר את ה- GPIO ככניסות Schmitt-Trigger עם או בלי נגד Pull-Up פנימי. ניתן להגדיר את ה- GPIO גם כיציאות Push-Pull היכולות לקלוט עד mA‏ 10‏. זה הופך את ה- MAX7301AAX למתאים עבור ממשקים למעגלי רמות-לוגיקה המשמשים לבקרת ציוד אחר כגון פקדים תעשייתיים, כמו גם לניטור מערכות ולמעגלי התרעה.

סיכום

ככל שהמתכננים מגדילים את הכיסוי הפיזי של נקודות-הקצה של ה- IIoT, הבקרה על צמתים-ילדים יכולה להיות מאתגרת, מאחר והרחבת מספר קווי בקרה על פני מרחקים של מטרים רבים יוצרת בעיות של EMI, פרישה ומורכבות המעגלים. הודות לשימוש במרחיבי נקודות-חיבור כדי לבקר צמתים-ילדים במערכות מונעות-פסק (Interrupt), המפתחים יכולים לפשט את פרישת לוחות המעגלים-המודפסים ולשפר את האמינות תוך הוספת פונקציונליות משמעותית לנקודת-הקצה של ה- IIoT.