凯利讯半导体

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楼宇自动化系统得益于最古老和最新的微控制器

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  建筑自动化超越了便利;它引入了一种全新的方法来提高我们生活的各个方面的效率。因此,在辅助生活、个人和财产安全以及能源效率方面,它将被视为必不可少。比物联网这个概念已经存在太久,当然,但可以说是最近的趋势如物联网和大数据,加上更成熟但同样进步发展公用事业的分布——由智能电表授权提供理想的背景下采取智能建筑更上一层楼。


  建立技术

  在把所有东西连接成现实之前很久,数据就在建筑物内的服务之间共享,以协调和控制它们。这些建筑自动化系统(BAS)在过去的三十年中不断发展;从不同的、定制的解决方案(可能难以扩展或维护)到基于邀请互操作性的行业标准的系统。

  因此,虽然可能还没有确定的范例,但这些系统现在显示了一个日益普遍的拓扑;建筑物管理系统位于建筑物的控制系统之上,而该系统则负责监督区域控制器,这些控制器将监控多个终端节点。这种层次结构决定了对公共网络基础结构和协议的需求。物理接口可能在不同的层之间变化;以太网可能在BMS级别流行,但低成本和低功耗无线协议(如ZigBee和Bluetooth)正在成为节点级别的热门,这一点也不足为奇。

  但是,BAS有来自每个“参与者”的特定需求,因此,他们需要能够以一致和可靠的方式进行通信。为了实现这一目标,该行业在BACnet协议上已基本标准化,BACnet协议能够在各种有线或无线连接上运行。BACnet标准定义了一种通过以太网、RS-485、RS-232和其他协议标准(包括ARCNET和LonTalk)通信的方法,以及支持web服务的协议,如UDP、IP和HTTP。因此,它实际上已经成为贯穿BAS各个层的公共线程。

  重要的是,BACnet在一个大型的应用程序处理器上是一样的,因为它是在一个低功率的微控制器上,这意味着它可以部署在最小的节点上。


  传感器节点

  可以将BACnet功能添加到一系列的微控制器中,例如基于Cortex-M3的核心,或者更简单的8位设备,如Atmel的AVR ATMega644P家庭。该设备的核心提供了32个通用8位工作寄存器,所有这些寄存器都直接连接到ALU(图1),它构成了一个开源BACnet开发工具包(Reference 1)的基础。

  以及RISC核心交付20 MIPS 20 MHz,ATMega644P提供一系列的外围设备,使它的使用作为一个节点设备BAS,六脉宽调制信道和摘要等10位ADC,连同一系列串行接口(图2)。这将使它有用节点监控访问或占用,例如,在本地计算的要求相对较低。

  Atmel ATMega644P RISC核心图。

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  图1:ATMega644P RISC核心提供了与ALU直接相连的32个8位通用寄存器。

  Atmel ATMega644P图

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  图2:ATMega644P提供了许多外围设备,它们可以被配置为构建自动化系统中的传感器节点。

  对于需要更多本地处理的应用程序,可能需要一个更有能力的单片机。

  在这种情况下,类似于模拟设备的ADuCM360s可能更合适。基于ARM的cortexm3 - m3核心,它具有更强大的内核,但更重要的是,它是一个更复杂的混合信号块,如图3所示。

  模拟设备的ADuCM360图。

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  图3:模拟设备的ADuCM360将一个精确的数据采集系统集成到ARM cortexm3的核心。

  具有双24位adc,可支持6个差分或11个单端输入通道。它还具有可编程传感器激励源,专门为包括自动化和过程控制和智能传感器系统的应用程序设计。数据采集系统可以达到3.9 k的采样/s,并设计成直接与电池供电的应用程序中的精密传感器接口。芯片上的固件支持在串行接口上的电路编程,也支持UART的非侵入性仿真。


  显示技术

  随着构建自动化系统变得更加复杂,它们周围的节点也会变得更加复杂;从简单的,不显眼的传感器到旨在与人更直接互动的设备。这在MCU上引入了额外的需求,比如接口的能力或驱动显示器的能力,可能有某种形式的用户界面,比如电容式触摸感应。与其他传感器接口的需求将会增加,因为需要在节点本地执行更复杂的预处理。

  所有这些都指向了更强大的MCUs,这是ARM以其Cortex-M技术的形式培育出来的。Cortex-M家族最近的一个新产品是Cortex-M7核心,也是第一个进入市场的设备,是STM32F7家族的STMicroelectronics。核心代表了皮层家族的重要发展;它提供了一个具有动态分支预测的六期双问题管道,并支持一组DSP指令,提供更有效的信号处理和复杂的算法执行。一个单精度浮点单元也包含在内,但是核心仍然与cortexm4家族兼容。图4显示STM32F745xx和STM32F746xx家族的框图。

  STMicroelectronics STM32F745xx和STM32F746xx家族的方框图(点击全称)

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  图4:ST的STM32F745xx和STM32F746xx家庭的框图。

  除了核心之外,ST还集成了一个液晶显示控制器,可以直接连接到XGA (1024x768)分辨率的LCD和TFT面板。为了补充核心的功能,ST还添加了自己的chroma - art加速器;一种图形加速器,提供先进的位、闪点、行数据拷贝和像素格式转换。还包括一个数码相机接口,它可以连接CMOS传感器和相机模块,虽然8位到14位的并行接口,可以接收视频数据。该接口可以在54兆赫时维持高达54兆字节/秒的数据传输速率。


  结论

  楼宇自动化的概念已经存在了许多年,它代表了技术和终端市场之间的协同作用。随着技术的发展,这个概念也有了发展,随着物联网的发展,智能建筑的潜力也在不断增长。由于MCUs使节点变得更加“智能”,消费者将从更安全、更有回报的自动化水平中获益,而这反过来又会产生更大的需求。

  然而,也许非典型的是,它仍然是一个可以利用更成熟的MCUs的部门;8位设备仍然在BAS节点中占有一席之地,而基于前沿核心的最新设备无疑将成为提供更大用户体验的节点的流行解决方案。