16 bit per performance e sicurezza elevate

MICROCONTROLLORI –

Per ottenere le prestazioni l’affidabilità richieste anche con dimensioni minime, Sick ha puntato per la progettazione del più piccolo scanner laser di sicurezza al mondo sui microcontrollori a 16 bit di Infineon.

L’S300 Mini di Sick è il più piccolo scanner laser di sicurezza che vanta caratteristiche di performance sostanziali in fatto di sensori e tecnica dell'automazione. 102 x 116 x 105 mm sono le misure del dispositivo S300 Mini. La loro compattezza li rende idonei ad installazioni che richiedono il minimo ingombro. Dal punto di vista dell'integrazione la serie è talmente flessibile da soddisfare i requisiti posti dalle più varie condizioni d'uso e dagli utenti dell'intralogistica. I moduli della tecnologia di movimentazione fissa che presentano aree di rischio, come traslatori, carrelli di trasporto trasversale o sistemi di trasporto orizzontale, si possono monitorare ai fini della sicurezza come le autonome piattaforme mobili di piccole dimensioni o i veicoli di trasporto dalla messa in sicurezza complessa. Al tempo stesso gli scanner laser di sicurezza consentono l'ottimizzazione delle velocità di marcia e quindi rendimenti più elevati. La serie S300 Mini offre sicurezza certificata ai costruttori meccanici e ai gestori di impianti: è conforme ai requisiti dei sistemi di sicurezza del Performance Level d stabilito dallo standard EN Iso 13849 nonché del Sil 2 definito dalla norma Iec 61508 e rispetta i requisiti per i dispositivi optoelettronici di sicurezza di Tipo 3 stabiliti dalla norma Iec 61496. La serie S300 Mini comprende attualmente due scanner laser di sicurezza con caratteristiche diverse. Le applicazioni che prevedono esclusivamente di assicurare una protezione affidabile per le persone e contro le collisioni ricorrendo a un sensore certificato ai fini della sicurezza sono soddisfatte dalla versione standard, soluzione di base dal punto di vista dei sistemi di sicurezza. La variante a controllo remoto dell'S300 Mini è stata sviluppata quale soluzione per requisiti di sicurezza complessi. In tal modo, avvalendosi del controllore di sicurezza del sistema modulare di sicurezza Flexi-Soft, si possono configurare fino a 16 set di campi con funzione tripla e fino a 32 monitoraggi - l'ideale quindi, a titolo esemplificativo, per sistemi di trasporto senza conducente e per carrelli elevatori a forche senza uomo a bordo, ma anche per aree di rischio fisse con dimensioni variabili dei campi di protezione.

Principio di funzionamento
L'S300 Mini è un sensore ottico a scansione bidimensionale dell'ambiente circostante con raggi laser infrarossi. Opera in base al principio del tempo di volo – ossia, emette brevissimi impulsi luminosi che un timer contemporaneamente cronometra. Quando un oggetto intercetta la luce, questa viene riflessa e rimbalza verso lo scanner, che la riceve. La distanza dall'oggetto è determinata dalla differenza tra il tempo trascorso fra il momento dell'emissione e quello della ricezione. L'S300 Mini integra uno specchio a rotazione regolare, che deflette gli impulsi luminosi, coprendo in tal modo un arco di 270°. Entro tale raggio, un oggetto è sicuramente acquisibile all'interno di un raggio massimo di 2 m. I campi di protezione sono programmabili a piacere entro tali limiti. L'S300 Mini emette impulsi luminosi con una risoluzione angolare di 0,5° che consente di ottenere risoluzioni di oggetti fino a 30 mm. Il sensore reagisce con un tempo di risposta base di soli 80 ms. Grazie al suo principio di scansione attivo, all'S300 Mini non servono altri ricevitori e riflettori esterni.

Criteri di progettazione
Per conseguire il livello di sicurezza SIL 2 e la relativa prestazione necessari per le applicazioni desiderate si è tra l'altro selezionata un'architettura dei microcontrollori a due canali. Inoltre i microcontrollori dovevano fornire la prestazione di calcolo richiesta (40 MHz). In questo caso sono stati utilizzati due controllori XC161CS-32F40F in package Tqfp-144 (della famiglia XC166 con core C166SV2). In linea generale, per la selezione di un microcontrollore embedded, si utilizzano generalmente i seguenti criteri:
- prestazioni real-time;
- ciclo di interrupt;
- efficienza del codice (set d'istruzioni, compilatore);
- prestazioni equivalenti a un processore Dsp;
- periferiche (in funzione dell'applicazione);
- capacità di memoria (Flash);
- periferiche autonome (sgravio della Cpu);
- tool, interface standard;
- debugging on-chip;
- potenza assorbita;
- costi complessivi (costi dei chip e di sviluppo).

Oltre a questi aspetti, spiccano come assolutamente essenziali anche altri punti di vista, come i prodotti e gli strumenti di sviluppo già in uso in azienda, specialmente riguardo alla riutilizzabilità del software, e le esperienze con il servizio di supporto e assistenza tecnica. Per l'S300 Mini si sono rivelati decisivi questi criteri: affidabilità di funzionamento del controllore; performance di calcolo ottimale per il prodotto; hardware on-chip sofisticato (sgravando così il core e riducendo la complessità di programmazione); vasto set di periferiche (Can Bus, IIC Bus, diverse interfacce Spi, tipo Uart e High-Speed); possibilità di controllo/programmazione flessibili di timer e uscite Pwm; infine un veloce convertitore analogico-digitale interno con risoluzione a 10 bit precisione che soddisfa la precisione richiesta. L'utilizzo del vasto set di unità periferiche ha contribuito a minimizzare l'ingombro e i costi di produzione. Attraverso le funzioni di interrupt e Pec è stato possibile implementare un'ottimale gestione delle attività in tempo reale. In tal modo si è potuto ottimizzare l'uso della performance di calcolo. Grazie a un sicuro tempo di reazione del sistema di pochi millisecondi è stato quindi possibile concretizzare gli elevati requisiti di tempo reale.
"Il microcontrollore di Infineon ha trovato impiego ormai dal 2005 nella famiglia di prodotti di Sick. La compatibilità funzionale e la riutilizzabilità del codice sorgente sviluppato sulla base del presente controllore sono stati ulteriori elementi decisivi per l'attuale utilizzo anche nella gamma ampliata. Degno di particolare considerazione è il servizio di supporto tecnico di Infineon, sempre rapido e competente nel corso di tutto il periodo di sviluppo", è il commento circa la scelta del microcontrollore di Ralph Rapp, responsabile del settore Ricerca e Sviluppo per i sensori multidimensionali di Sick.
Anche per un prodotto come l'S300 Mini il time-to-market è un criterio importante. Pertanto, al puro hardware del microcontrollore si aggiunge il non meno importante l'ambiente di sviluppo software. I microcontrollori XC166 beneficiano di un enorme repertorio di strumenti di sviluppo software forniti da terzi. Gli strumenti di sviluppo, come il compilatore Keil, non sono solo di provata efficacia ma offrono anche vantaggi decisivi per quanto riguarda la gestione delle risorse, il tempo di esecuzione e la gestione della memoria.
Il modello XC161CS-32F40F è un derivato della famiglia XC166 ed è stato ideato per un flusso dati elevato e tempi di risposta veloci agli interrupt esterni (per esempio segnali di sensori). Il tempo di ciclo è di soli 25 ns (40 MHz). Il chip offre una Ram di 12 KByte e una memoria Flash di 256 KByte. Il convertitore AD a 10 bit, da 12 canali, richiede un tempo di conversione < 3 μs. Il vasto insieme di periferiche annovera due unità Pwm, moduli I2C Bus, moduli Serial Data Link (SDLM), timer, Usart, Spi e moduli TwinCan.

Una storia di successo in continuo sviluppo
Poche altre architetture di microcontrollori sono riuscite ad affermarsi nell'industria per un lasso di tempo talmente lungo come la famiglia C166, nata vent’anni fa con il modello 80C166. L'architettura C166 è stata progettata tenendo conto fin dal principio dell'elevata potenza di calcolo in tempo reale, della rapida esecuzione delle istruzioni, dei tempi di risposta minimi e delle funzioni periferiche intelligenti. Rispetto ai componenti di C164/161/167 la famiglia XC166 - analogamente alla serie XC161CS impiegata nell'S300 Mini - ha apportato dei miglioramenti grazie al clock a 40 MHz, alle memorie Flash embedded nonché all'esecuzione delle istruzioni in ciclo singolo ed ai moduli TwinCan e Ocds. Rispetto ai predecessori della famiglia XC166, l'ultima generazione di Rtsc (Real-Time Signal Controller) della famiglia XE166 offre un'ulteriore crescita di performance con il passaggio del microcontrollore a 16 bit alla classe a 32 bit. Alle eccellenti prestazioni di tempo reale provvedono la rapidità dei tempi di risposta all'interrupt e al context switch con altri due registri locali. Tutti gli Rtsc della famiglia XE166 si basano inoltre su un core ottimizzato C166S V2. I dispositivi XE166 offrono una performance di 80 Mips a 80 MHz e un solo un ciclo di clock per ogni esecuzione di una istruzione. Si tratta del doppio rispetto alla precedente famiglia XC166; mentre la capacità di memoria Flash, con i suoi 1.600 KByte, ha subito un ulteriore, significativo aumento.

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