системы автоматизации
преобразователи частоты, регулятор напряжения, автоматика управления, умный дом, автоматика коттеджей, системы водоснабжения, вентиляции, комплексные системы автоматизации
Оглавление



О компании
 
  • Информация о компании
  •  
  • Технология автоматизации ICAN™
  •  
  • Концептуальный подход к автоматизации производства
  • продукция
    область применения
     
  • Удаленный мониторинг состояния силовых щитов
  • Автоматизированная система водоснабжения и полива
  • Автоматизация системы вентиляции цеха
  • Автоматизированная система управления теплицей
  • Автоматизация линии резки металла
  • Автоматизированная система управления дозаторами
  • Как сделать умный дом бесплатно?
  • технология автоматизации iCAN™
    Аналитический отдел
     
  • Распределенная система управления умным домом
  •  
  • Концепция компании Конвир
  •  
  • Автоматика позиционирования
  •  
  • История электричества
  •  
  • История автоматизированного электропривода
  •  
  • Перспективы развития автоматизированного электропривода
  •  
  • Перспективы использования беспроводных ZigBee - интерфейсов в электроприводе
  • вопрос-ответ

    Перспективы использования беспроводных ZigBee - интерфейсов в электроприводе

    1.Введение
    2.Стандарты беспроводной связи
    3.Стандарт беспроводной связи ZigBee
    4.Микросхемы и модули для обеспечения связи по стандарту ZigBee
    5.Первый опыт разработки преобразователей частоты и регуляторов напряжения с ZigBee-интерфейсом

    Микросхемы и модули для обеспечения связи по стандарту ZigBee

    Создание любого конечного устройства, поддерживающего возможность беспроводной передачи данных по стандарту ZigBee, подразумевает, что в составе этого устройства будет содержаться соответствующая программно-аппаратная часть. Ее проектирование является достаточно трудоемкой задачей для производителей конечных устройств, в том числе, силовых преобразователей и комплектных электроприводов.

    Сегодня на рынке, предлагается два основных вида решений по применению ZigBee технологии в конечных устройствах.

    В первом случае разработчику конечного устройства, предлагается самостоятельно сконструировать аппаратную часть, отвечающую за ZigBee коммуникацию, используя различные микросхемы с поддержкой радио-интерфейса, работающего по стандарту IEEE 802.15.4. При этом разработчику, как правило, доступна документация, описывающая правила конструирования и примеры проектирования аппаратной части. Программная часть может быть создана разработчиком полностью самостоятельно (используя спецификации протокола), либо с применением стандартных сетевых протоколов, разработанных и отлаженных производителями микросхем. Эти протоколы могут иметь разный уровень совместимости со стандартом и поставляться в виде библиотек или наборов разработчика программного обеспечения (SDK).

    В настоящее время выпускается 5 основных типов микросхем, выполняющих функции приема/передачи данных по радиоканалу в стандарте IEEE 802.15.4:

    1. «Классический» радио-трансивер в стандарте IEEE 802.15.4. Выполняет только функции приема и передачи информации по радиоканалу и не содержит никакого программного обеспечения, реализующего стек протокола ZigBee. Программная реализация стека ZigBee возлагается на внешний микроконтроллер, к которому микросхема трансивера подключается по одному из стандартных интерфейсов, например, - по синхронному периферийному интерфейсу (SPI) или параллельному интерфейсу. Дополнительно для работы трансивера требуется «обвязка», включающая в себя антенну, кварцевый резонатор, а также небольшое число пассивных компонентов.

    2. Интегрально гибридные микросхемы (SiP), объединяющие в одном корпусе кристаллы «классического» радио-трансивера и микроконтроллера общего назначения. Данное решение позволяет разместить программный стек ZigBee непосредственно во встроенной памяти микроконтроллера и тем самым существенно снизить нагрузку на внешний микроконтроллер, обеспечивающий решение задач конкретного приложения. Эти микросхемы требуют минимальной «обвязки», включая антенну.

    3. Системы на кристалле (SoC). Данный вид микросхем фактически повторяет возможности SiP, но в отличии от них и трансивер и встроенный микроконтроллер выполнены на одном кристалле. Некоторые фирмы, например, Texas Instruments называют такие кристаллы ZigBee-процессорами. Они взаимодействуют с внешним контроллером приложения по одному из стандартных интерфейсов (SPI, UART) и допускают загрузку в память сетевых протоколов разной сложности в зависимости от предполагаемой сложности и структуры реализуемой сети.

    4. ZigBee-акселераторы. Микросхемы аналогичные SoC, но с уже «зашитым» во внутренний микроконтроллер стеком ZigBee протокола. Данный вид микросхем является идеальным выбором для тех разработчиков, которые предпочитают работать с привычным для него микроконтроллером и хотят добавить ZigBee-функционал без изучения сложного набора протоколов ZigBee-стека. Небольшая внешняя «обвязка» требуется и в этом случае.

    5. Платформы в едином корпусе (PiP). Наиболее функциональное решение, подразумевающее объединение высокопроизводительного микроконтроллера с широким набором встроенных периферийных модулей (таймеров, АЦП и т.д.) и IEEE 802.15.4 трансивера на одном кристалле. В этом случае вычислительных возможностей встроенного микроконтроллера и набора встроенной периферии достаточно не только для реализации стека ZegBee, но и для поддержки конкретного приложения. Дополнительный процессор не требуется.

     

    Следует обратить внимание на то, что ZigBee-микросхемы от разных производителей обладают различными вспомогательными периферийными модулями, которые позволяют увеличить их быстродействие и функциональность. Такими модулями, например, могут быть: модуль аппаратной поддержки функций уровня управления доступом к среде передачи данных (MAC) или модуль аппаратной поддержки функций шифрования передаваемых данных (AES-128).

    Во втором случае разработчику конечного устройства, предлагается использовать готовые ZigBee-модули, не требующие ни дополнительной доработки, ни обвязки. Такие модули представляют собой размещенные на одной плате IEEE 802.15.4-трансивер, микроконтроллер, содержащий в себе стек ZigBee протокола, необходимые внешние элементы «обвязки» (антенну, схемы питания, тактирования и др). Они выпускаются небольшими компаниями, специализирующимися на этой продукции. Использование готовых модулей наиболее целесообразно на начальной стадии проектирования, когда необходимо быстро оценить принципиальную возможность решения задачи.


    Поясним описанные выше возможности на примере комплектного частотно-регулируемого электропривода. Преобразователь частоты (ПЧ) состоит из силовой и управляющей части. Управляющая часть преобразователя построена на специализированном DSP-микроконтроллере, выполняющем функции управления силовой частью ПЧ и двигателем (рис. 7). Для интерактивной настройки, мониторинга состояния привода и управления в реальном времени преобразователь необходимо снабдить беспроводным сетевым интерфейсом ZigBee.


    Структура современного преобразователя частоты.

    Рис. 7. Структура современного преобразователя частоты.


    На базе ZigBee-микросхем возможны следующие варианты построения управляющей части преобразователя частоты – рис. 8.

    Структура управляющей части ПЧ с различными вариантами

    а)

     

    Структура управляющей части ПЧ с различными вариантами

    б)

     

    Структура управляющей части ПЧ с различными вариантами

    в)

     

    Структура управляющей части ПЧ с различными вариантами

    г)

    Рис. 8. Структура управляющей части ПЧ с различными вариантами

    реализации ZigBee интерфейса.


    Схема на рис.8.а предполагает, что ресурсов мощного DSP-микроконтроллера достаточно не только для реализации основных функций приложения, но и стека ZigBee. В схему контроллера ПЧ добавляется микросхема радио-трансивера IEEE 802.15.4, имеющая интерфейс SPI для сопряжении с базовым процессором. Вся тяжесть работ по реализации ZigBee-стека лежит на разработчиках комплектного привода.

    Как правило, в современных системах векторного управления приводами, центральный процессор сильно загружен прикладными задачами. При этом для реализации беспроводного интерфейса больше подходят решения по рис. 8.б или в. Стек ZigBee реализуется на дополнительном микроконтроллере, что позволяет существенно снизить нагрузку на основной DSP контроллер. Решение на рис. 8.в основано на использовании системы на кристалле или ZigBee-процессора. Применительно к силовой электронике и электроприводу это наиболее правильное решение, если речь идет о создании серийной продукции, а не опытно-промышленных образцов.

    Ну и наконец, в случае если к основному DSP контроллеру не предъявляется особых требований по быстродействию, то управляющую часть ПЧ можно реализовать по схеме 8.г. В этом случае все основано на одной микросхеме. Пока такое решение может быть рекомендовано только для относительно простых систем привода, например, со скалярным управлением двигателями, источников питания, регуляторов напряжения.

    При использовании готовых ZigBee-модулей серьёзной модификации управляющей части преобразователя вообще не требуется - рис. 9.а, б. При этом ZigBee-стек реализуется внутри модуля. Важным является лишь наличие у модуля нужного интерфейса для сопряжения с целевым микроконтроллером. Это решение позволяет существенно уменьшить время разработки конечного устройства с поддержкой беспроводной сети и сократить время выхода на рынок.


    Структура управляющей части ПЧ с готовыми ZigBee модулями.

    а)

     

    Структура управляющей части ПЧ с готовыми ZigBee модулями.

    б)


    Рис. 9. Структура управляющей части ПЧ с готовыми ZigBee модулями.


    Окончательный выбор элементной базы для конкретной разработки остается за прикладными специалистами. Для облегчения этой задачи мы приводим краткий обзор решений в этой области от наиболее крупных производителей, среди которых по степени интеграции и комплектности решений выделяются Freescale Semiconductor и Texas Instruments (табл. 1).


    Табл. 1. Решения в области ZigBee технологии от различных производителей.

    Произво-дитель

    Аппаратные решения

    Программные решения

    Freescale Semiconductor [6]

    Радио-трансиверы IEEE 802.15.4:

    • MC13192

    • MC13193

    • MC13202

    • MC13203

    Гибридные интегральные микросхемы (SiP).:

    • MC13212

    • MC13213

    • MC13214

    «Платформы в едином корпусе» (PiP):

    • MC1322x

    BeeKit – программный инструмент для создания и конфигурирования программных модулей, реализующих коммуникационную технологию ZigBee.

    Texas Instruments

    [7]

    Радио-трансиверы IEEE 802.15.4:

    • СС2420

    • СС2520

    «Системы на кристалле» (SoC):

    • CC2430

    • CC2431

    «ZigBee акселераторы»:

    • CC2480A1

    Простой сетевой протокол SimplisityTI для сетей с небольшим числом узлов до 256.

    Более сложный набор ПО TIMAC, поддерживающий топологии точка-точка и звезда.

    Z-stack – набор программных модулей для реализации полной технологии ZigBee.

    Сетевые протоколы поддерживают все аппаратные платформы, вплоть до систем на кристалле.

    Ember

    «Системы на кристалле» (SoC):

    • EM250

    «ZigBee акселераторы»:

    • EM260

    ZigBee Development Tools - набор программных инструментов для создания и конфигурирования программных модулей для реализации технологии ZigBee.

    Digi International

    Готовые ZigBee модули:

    • XB24-X

    • XBP24-X

    Программное обеспечение для модулей, позволяющее создавать ZigBee сети на их основе (ZB и ZNet firmware).

    STMicroelec-tronics

    Готовые ZigBee модули:

    • SPZB250

    • SPZB260

    Предлагается использовать программные решения от Ember, поскольку модули основаны на микросхемах этой компании.

    Panasonic

    Готовые ZigBee модули:

    • PAN802154HAR00

    • PAN4555

    • PAN4570

    Предлагается использовать программные решения от Freescale Semiconductor и Ember, поскольку модули основаны на микросхемах этих компаний.


    Компания Freescale Semiconductor одной из первых начала предлагать свои решения в области ZigBee коммуникаций и на сегодняшний день выпускает широкую гамму различных устройств и необходимые программные пакеты, предназначенные для организации связи согласно этому стандарту. Из её ассортимента можно выделить «классические» IEEE 802.15.4 трансиверы, гибридные интегральные микросхемы (SiP) и «платформы в едином корпусе» (PiP). Основные характеристики этих микросхем приведены в табл. 2, 3 и 4.


    Табл. 2. Основные характеристики трансиверов компании Freescale Semiconductor.

    Параметр

    MC13192/MC13193/MC13202/MC13203

    Напряжение питания

    2…3.4В

    Рабочий частотный диапазон

    2.405…2.485 ГГц

    Число каналов/шаг

    16/5МГц

    Максимальная скорость радиопередачи информации

    250 Кбит/с

    Выходная мощность радиопередатчика

    3.6<дБм (настраивается программно)

    Чувствительность радиоприемника

    -92 дБм

    Наличие встроенного Rx/Tx переключателя

    MC13192/MC13193 - Нет,

    MC13202/MC13203 - Есть

    Возможность подключения внешнего усилителя

    Есть

    Поддерживаемые сетевые топологии

    «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево», «каждый с каждым»

    Интерфейс связи с ведущим микроконтроллером

    4х проводной SPI

    Рабочий температурный диапазон

    -40…+85°C

    Особенности

    • 4 канала событий внутреннего таймера.

    • Возможность тактирования внешнего микроконтроллера.

    • *Адаптирован под применение ZigBee стека «Figure 8 Wireless Z-Stack».

    * - Только для трансиверов MC13193 и MC13203.


    Табл. 3. Основные характеристики SiP от компании Freescale Semiconductor.

    Параметр

    MC13212/MC13213/MC13214

    Интегрированный трансивер

    MC1320x

    Интегрированный микроконтроллер

    MC9S08GTx

    Частота ядра

    40 МГц

    Flash память

    32/60/60 Кбайт

    RAM память

    2/4/4 Кбайт

    Напряжение питания

    1.8…3.6В

    АЦП

    10-бит 8 каналов

    Последовательные интерфейсы

    SPI, 2SCI (UART), I2C

    Рабочий температурный диапазон

    -40…+85°C

    Особенности

    MC13214 полностью адаптирован под применение ZigBee стека «Figure 8 Wireless Z-Stack».


    Табл. 4. Основные характеристики PiP от компании Freescale Semiconductor.

    Параметр

    MC1322x

    Рабочий частотный диапазон

    2.405…2.485 ГГц

    Число каналов/шаг

    16/5МГц

    Максимальная скорость радиопередачи информации

    250 Кбит/с

    Выходная мощность радиопередатчика

    -30…+4 дБм (настраивается программно)

    Чувствительность радиоприемника

    -95дБм

    Наличие встроенного Rx/Tx переключателя

    Есть

    Возможность подключения внешнего усилителя

    Есть

    Поддерживаемые сетевые топологии

    «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево», «каждый с каждым»

    Ядро микроконтроллера

    ARM7

    Частота ядра

    26МГц

    Flash память

    До 128 Кбайт

    RAM память

    96 Кбайт

    ROM память

    80 Кбайт

    Напряжение питания

    2.0…3.6В

    Рабочий температурный диапазон

    -40…+105°C

    Особенности

    • 6 активных режимов работы, 3 энергосберегающих.

    • Наличие аппаратного MAC акселератора.

    • Аппаратный AES-128 кодировщик.

    • Расширенный набор периферии микроконтроллера.

    • Требуется малое количество внешних компонентов.


    Помимо аппаратных решений компания Freescale Semiconductor предлагает необходимые программные инструменты для создания и конфигурации программных модулей, реализующих коммуникационную технологию ZigBee на основе выше описанной аппаратной части.

    Компания Texas Instruments также предлагает широкую гамму продукции, нацеленную на решение задачи коммуникации устройств по стандарту ZigBee. В ее ассортименте присутствуют «классические» IEEE 802.15.4 трансиверы и «системы на кристалле» (SoC), но дополняют линейку решений, так называемые «ZigBee акселераторы», которые фактически являются «системой на кристалле», но с уже интегрированным обработчиком ZigBee стека. Основные характеристики решений от Texas Instruments представлены в табл. 5, 6 и 7.


    Табл. 5. Основные характеристики трансиверов компании Texas Instruments.

    Параметр

    CC2420

    CC2520

    Напряжение питания

    2.1…3.6В

    1.8…3.8В

    Рабочий частотный диапазон

    2.405…2.485 ГГц

    2.405…2.485 ГГц

    Число каналов/шаг

    16/5МГц

    16/5МГц

    Максимальная скорость радиопередачи информации

    250 Кбит/с

    250 Кбит/с

    Выходная мощность радиопередатчика

    -25…0дБм (настраивается программно)

    -20…+5дБм

    Чувствительность радиоприемника

    -95дБм

    -98дБм

    Наличие встроенного Rx/Tx переключателя

    Есть

    Есть

    Возможность подключения внешнего усилителя

    Есть

    Нет

    Поддерживаемые сетевые топологии

    «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево», «каждый с каждым»

    «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево», «каждый с каждым»

    Интерфейс связи с ведущим микроконтроллером

    4х проводной SPI

    4х проводной SPI

    Рабочий температурный диапазон

    -40…+85°C

    -40…+125°C

    Особенности

    • Наличие аппаратного MAC акселератора.

    • Аппаратный AES-128 кодировщик.

    • Возможность тактирования внешнего микроконтроллера.

    • Наличие аппаратного MAC акселератора.

    • Аппаратный AES-128 кодировщик.


    Табл. 6. Основные характеристики SoC от компании Texas Instruments.

    Параметр

    CC2430/CC2431

    Интегрированный трансивер

    CC2420

    Ядро интегрированного микроконтроллера

    8051

    Частота ядра

    32 МГц

    Flash память

    До 128 Кбайт

    RAM память

    До 8 Кбайт

    Напряжение питания

    2.0…3.6В

    АЦП

    12-бит 8 каналов

    Последовательные интерфейсы

    2SCI (UART)

    Рабочий температурный диапазон

    -40…+85°C

    Особенности

    СС2431 содержит модуль определения положения узла в сети.


    Табл. 7. Основные характеристики ZigBee акселераторов от компании Texas Instruments.

    Параметр

    CC2430/CC2431

    Напряжение питания

    2…3.6В

    Рабочий частотный диапазон

    2.405…2.485 ГГц

    Число каналов/шаг

    16/5МГц

    Максимальная скорость радиопередачи информации

    250 Кбит/с

    Выходная мощность радиопередатчика

    До 0дБм (настраивается программно)

    Чувствительность радиоприемника

    -92 дБм

    Наличие встроенного Rx/Tx переключателя

    Нет

    Возможность подключения внешнего усилителя

    Есть

    Поддерживаемые сетевые топологии

    «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево», «каждый с каждым»

    Интерфейс связи с ведущим микроконтроллером

    4х проводной SPI/UART

    Рабочий температурный диапазон

    -40…+85°C


    Важно обратить внимание, что ZigBee акселераторы предназначены лишь для выполнения стека протокола, а пользовательское приложение должно выполняться на внешнем микроконтроллере.

    Для удобства внедрения ZigBee технологии в конечные устройства, большинство фирм производителей соответствующих решений, предлагают различные вспомогательные и отладочные средства и комплекты.

     
     
        Компания «Конвир»
    комплексные системы автоматизации
    ул. Ленинская слобода, д.26, стр.1
    тел.: (495) 744-28-49
    отдел продаж: [email protected]


    идея дизайна сайта - ideashunter
    Преобразователь частоты высокого напряжения