Steuerung von mikrosystemen

Arten von Mikrosteuerungen

Ein Mikrosteuersystem steuert und regelt Prozesse und Funktionen präzise. Es gibt verschiedene Arten von Mikrosteuersystemen, darunter Mikrocontroller, Steuerungssysteme, Mikroklimata, Mikrofluidik und Mikroarrays.

• Mikrocontroller

  Ein Mikrocontroller ist ein kleiner Computer auf einem einzigen integrierten Schaltkreis (Chip). Mikrocontroller sind typischerweise in Steueranwendungen und Produktgeräten eingebettet, um Steuerung und Automatisierung zu ermöglichen. Sie bestehen aus einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), Speicher (sowohl RAM als auch ROM) und Eingabe-/Ausgabeperipheriegeräten. Mikrocontroller interpretieren Daten von Sensoren, treffen Entscheidungen auf der Grundlage vorprogrammierter Anweisungen und senden Befehle an Aktuatoren, um eine bestimmte Anwendung zu steuern.

• Steuerungssysteme

  Ein Steuerungssystem ist ein System, das das Verhalten eines dynamischen Systems verwaltet und regelt. Dies geschieht durch Rückkopplung, um einen gewünschten Zustand oder eine gewünschte Ausgabe zu erhalten. Steuerungssysteme können offen oder geschlossen sein. Ein offenes Steuerungssystem regelt und steuert das Verhalten eines Systems, ohne Rückkopplung zu verwenden, um die tatsächliche Ausgabe zu bestimmen. Beispiele für offene Steuerungssysteme sind Ampelsteuerungen und Waschmaschinen mit fester Waschzeit. Ein geschlossenes Steuerungssystem hingegen verwendet Rückkopplung, um die tatsächliche Ausgabe des Systems mit der gewünschten Ausgabe zu vergleichen. Es passt die Steuereingaben an, um die Differenz (oder den Fehler) zwischen den beiden Größen zu minimieren. Die Temperaturregelung in einem Thermostat und die Geschwindigkeitsregelung in einem Kreuzfahrtfahrzeug sind Beispiele für geschlossene Steuerungssysteme.

• Mikroklimata

  Ein Mikroklima bezieht sich auf ein kleines, lokales Klima, das sich von der Umgebung unterscheidet. Einige Faktoren, die Mikroklimata beeinflussen, sind das Vorhandensein von Vegetation, Topographie, Urbanisierung und menschliche Aktivitäten. Mikroklimata können die lokale Temperatur, Feuchtigkeit und andere klimatische Bedingungen erheblich beeinflussen. Daher können sie das Wachstum und die Verbreitung von Pflanzen- und Tierarten beeinflussen. Noch wichtiger ist, dass Mikroklimata den Energiebedarf und die Gebäudepraxis beeinflussen können, was für die Architektur, Stadtplanung und das Umweltmanagement nützlich sein kann.

• Mikrofluidik

  Mikrofluidik ist ein Gebiet, das sich mit der Manipulation und Steuerung kleiner Flüssigkeitsvolumina befasst, typischerweise in der Größenordnung von Mikrolitern oder Pikolitern, in konstruierten Kanälen mit Abmessungen im Mikromaßstab. Die Kanäle im Mikromaßstab sind oft in Lab-on-a-Chip-Geräte integriert. Mikrocontroller spielen eine entscheidende Rolle in der Mikrofluidik, da sie eine präzise Steuerung der Flüssigkeitsbewegung, des Mischens und der Analyse innerhalb dieser kleinräumigen Systeme ermöglichen.

• Mikroarray

  Ein Mikroarray ist eine Technologie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Tausende von Genen gleichzeitig zu untersuchen, indem sie die winzigen Punkte auf einer kleinen festen Oberfläche betrachten. Jeder Punkt hat eine andere DNA-Sonde, die an bestimmte Genstücke binden kann. Diese Technologie hilft Forschern, viele Informationen über viele Gene gleichzeitig zu gewinnen. So können sie zum Beispiel sehen, wie sich Gene zwischen Menschen unterscheiden, neue Gene finden, die mit Krankheiten zusammenhängen, untersuchen, wie Gene zusammenarbeiten, und untersuchen, wie Gene auf verschiedene Medikamente und Situationen reagieren.

Spezifikationen und Wartung von Mikrosteuerungen

Die Spezifikationen eines Mikrocontroller-basierten Steuerungssystems variieren je nach Anwendung und Umgebung. Hier ist eine Aufschlüsselung einer allgemeinen Spezifikation für ein Mikrosteuersystem und dessen Wartungsanforderungen:

• Mikrocontrollerspezifikation:

  Typischerweise kann die Taktfrequenz des Mikrocontrollers von wenigen Megahertz (MHz) bis zu mehreren Gigahertz (GHz) reichen. Beispielsweise haben 8/16/32-Bit-Mikrocontroller eine Taktfrequenz von 1-100 MHz, was für die meisten industriellen Steueranwendungen ausreichend ist. Für anspruchsvolle Aufgaben kann sie jedoch höher sein. Der Speicher liegt zwischen 2 KB und 2 MB, während die Verarbeitungseinheit aus Single-Chip-Designtechnologie besteht oder verschiedene Komponenten auf einem Chip umfasst. Eine typische Mikrocontrollereinheit verwendet energiearme Verarbeitungstechnologien wie Schlafmodi und Abschaltteile, um den Energieverbrauch zu senken. Die Einheit funktioniert gut bei hohen und niedrigen Temperaturen, von -40℃ bis 120℃.

• Aktuatoren und Motoren:

  Die Art des Aktuators und Motors, die in einer Mikrosteuerungs-Umgebung verwendet wird, bestimmt die Taktfrequenz. Beispielsweise bewegt sich ein Schrittmotor in verschiedenen kleinen Schritten, die insgesamt eine volle Drehung von 200 Schritten pro Umdrehung ergeben. Er hat die Möglichkeiten 200, 400 oder 800 Schritte pro Umdrehung. Der Temperaturbereich für Schrittmotren liegt bei -20 bis 60 Grad Celsius. Servomotoren verwenden einen dreipoligen Stecker, um die Position des Fahrzeugs zu steuern. Seine Betriebstemperatur liegt zwischen -20 und 60 Grad. Gleichstrommotoren haben die Optionen Bürsten und bürstenlos mit einer Drehzahl von 50.000 U/min für Bürsten und bis zu 100.000 U/min für bürstenlose Motoren. Gleichstrommotoren unterstützen eine Betriebstemperatur zwischen -20 und 80 Grad C. Die Wartung dieser Komponente hängt von der verwendeten Art ab. So kann ein Benutzer beispielsweise die Position und Geschwindigkeit kalibrieren und sicherstellen, dass sich der Motor/Aktuator präzise bewegt. Er sollte die Kabel regelmäßig auf Beschädigungen prüfen und reinigen. Bei Beschädigungen sollte man den Drahtverbinder abdecken und durch einen neuen ersetzen.

• Sensoren:

  Ein Mikrocontroller-basiertes Steuerungssystem verbindet sich mit digitalen oder analogen Sensoren. Typische digitale Sensoren sind Ultraschall, Temperatur und Nähe. Digitale Sensoren sind genauer, schneller und einfacher zu warten als analoge. Jeder Sensor hat eine Betriebsspezifikation für die Temperatur, die eingehalten werden muss. Beispielsweise hält ein Feuchtigkeitssensor zwischen -40 und 120 Grad mit einer Speicherkapazität von 2 bis 12 GB. Ein Ultraschallsensor hat einen Temperaturbereich von -20 bis 65 Grad. Beide Sensoren erkennen Umweltveränderungen. Der Mikrocontroller interpretiert die Daten und ergreift Maßnahmen. Da jeder Sensor eine andere Technologie haben kann (diskret, kapazitiv, resistiv usw.), ist es wichtig, die Kommunikation mit der MCU ununterbrochen zu halten. Es sollten regelmäßige Prüfungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass der Sensor einen präzisen Umweltzustand erfasst. Wenn ein Interpretationsfehler auftritt, sollten Benutzer den Sensor nach der Diagnose neu kalibrieren. Wenn es zu einem physischen Schaden kommt, wie z. B. einem gebrochenen Kabel oder korrodierten Teilen, sollten diese sofort ersetzt werden.

Szenarien

Mikrosteuerungen haben vielfältige Anwendungen in verschiedenen Industrien und Bereichen, die eine präzise Steuerung erfordern. Im Folgenden finden Sie einige Anwendungsszenarien für diese Mikrosteuerungen.

• Automobil

  Mikrocontroller werden in modernen Autos für verschiedene Funktionen und Aufgaben verwendet. Einige davon sind das Motorsteuergerät (ECU), das den Motor des Autos steuert. Weitere Funktionen sind automatische Fenster, Auto-Sicherheitssysteme, Antiblockiersysteme, elektronische Servolenkung und Tempomat.

• Haushaltsgeräte

  Mikrocontroller werden in zahlreichen Haushaltsgeräten eingesetzt. Beispiele sind Waschmaschinen zur Steuerung von Waschprogrammen, Mikrocontroller in Mikrowellenöfen zur Zeitsteuerung und Leistungssteuerung, Temperaturregelung und PID-Steuerung in intelligenten Thermostaten.

• Medizinische Geräte

  Mikrocontroller sind integrale Bestandteile verschiedener medizinischer Geräte. So werden sie beispielsweise in Insulinpumpen zur Steuerung der Medikamentenabgabe und in Blutzuckermessgeräten zur Verarbeitung und Analyse von Blutzuckerspiegeln eingesetzt. Weitere medizinische Geräte sind Herzschrittmacher, bildgebende Geräte wie MRT- und Röntgenapparate sowie Geräte für die robotergestützte Chirurgie.

• Robotik

  Mikrocontroller spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung von Robotersystemen. Sie werden in Roboterarmen für präzise Bewegungen und Manipulationen, in mobilen Robotern für Navigation und Hindernisvermeidung und in der Sensorintegration eingesetzt.

• Telekommunikation

  In Telekommunikationssystemen werden Mikrocontroller für Netzwerkmanagement, Routing und Switching verwendet. Sie führen auch Signalverarbeitungsaufgaben wie Codierung, Decodierung und Modulation/Demodulation aus. Mikrocontroller erleichtern die Implementierung von Telekommunikationsprotokollen und -standards.

• Konsumelektronik

  Mikrocontroller werden in großem Umfang in Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Beispiele sind Mikrocontroller in Fernsehgeräten für die Displaykontrolle und Bildverarbeitung, in Digitalkameras für die Bildaufnahme und -verarbeitung sowie in Smartphones und Smartwatches für verschiedene Funktionen wie Sensorik und Kommunikation.

• Industrielle Automatisierung

  Mikrocontroller steuern Sensoren und Aktuatoren in automatisierten Industrieprozessen. Sie helfen auch bei der Interpretation von Sensordaten und der Entscheidungsfindung auf der Grundlage vordefinierter Kriterien. Außerdem werden Mikrocontroller für die Motorsteuerung in Fertigungsmaschinen eingesetzt.

• Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung

  Mikrocontroller werden in Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen eingesetzt. In der Luft- und Raumfahrt werden sie in Satellitensystemen für die Lageregelung, Nutzlastverwaltung und Kommunikation verwendet. Mikrocontroller werden auch in unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) für Flugsteuerung, Navigation und Überwachung eingesetzt. Systeme, die in der Lenkung von Raketen und in der Avionik militärischer Flugzeuge verwendet werden, enthalten ebenfalls Mikrocontroller.

Wie man Mikrosteuerungen auswählt

Wenn Käufer nach einem Mikrosteuersystem suchen, müssen sie mehrere Dinge berücksichtigen, um sicherzustellen, dass sie Geräte erhalten, die für ihre spezifischen Anwendungen ausreichend und zuverlässig arbeiten. Hier sind einige wichtige Faktoren, die bei der Auswahl eines Mikrocontroller-basierten Steuerungssystems zu berücksichtigen sind:

• Anwendungsanforderungen: Zunächst müssen Käufer die Anwendungsanforderungen klar definieren. Sie müssen bedenken, wofür das Steuerungssystem eingesetzt werden soll, und auch die Umgebung, in der das System funktionieren wird. Dazu gehören Dinge wie die Betriebstemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Exposition gegenüber Chemikalien usw. Sie müssen die Zeit berücksichtigen, in der das Steuerungssystem verwendet werden soll, und alle verfügbaren Platzbeschränkungen beachten. Indem sie die Anwendung klar definieren, können Käufer ihre Auswahl auf diejenigen Mikrosteuerungen eingrenzen, die für ihre beabsichtigte Anwendung geeignet sind.
• Verarbeitungsleistung und Architektur: Als Nächstes sollten Käufer die Verarbeitungsleistung berücksichtigen, die ihre Anwendung benötigt. Sie können damit beginnen, die Steueraufgaben zu bewerten, die das System ausführen wird. Wenn die Aufgabe relativ einfach ist und grundlegende Operationen wie Überwachung und Regelung umfasst, reicht ein Mikrosteuersystem mit geringer Verarbeitungsleistung aus. Für anspruchsvolle Anwendungen, die komplexe Algorithmen oder Multitasking erfordern, ist jedoch ein Mikrosteuersystem mit höherer Verarbeitungsleistung erforderlich. Außerdem müssen Käufer die Architektur des Steuerungssystems berücksichtigen. Sie könnten ein Mikrocontroller-basiertes Steuerungssystem bevorzugen, aber es gibt verschiedene Arten von Mikrocontrollern, wie z. B. 8-Bit-, 16-Bit- und 32-Bit-Controller. Im Allgemeinen bieten 32-Bit-Mikrocontroller eine höhere Verarbeitungsleistung und Speicherkapazität als ihre 8- und 16-Bit-Gegenstücke. Wenn die Anwendung dies erfordert, sollten Käufer sich für ein Mikrosteuersystem entscheiden, das von einem 32-Bit-Mikrocontroller angetrieben wird.
• E/A-Anforderungen: Mikrosteuerungen interagieren über Eingabe-/Ausgabe-(E/A-)Ports mit externen Geräten und Sensoren. Käufer müssen die spezifischen E/A-Anforderungen ihrer Anwendung berücksichtigen. Genauer gesagt müssen sie die Anzahl und Art der E/A-Geräte bestimmen, die mit dem Steuerungssystem verbunden werden sollen. Sie müssen sicherstellen, dass das gewählte Mikrosteuersystem über genügend E/A-Ports sowie über die notwendigen Kommunikationsprotokolle verfügt, um die Schnittstelle zu allen erforderlichen Peripheriegeräten und Sensoren herzustellen.
• Systemintegration und Skalierbarkeit: Käufer sollten überlegen, wie sich das Mikrosteuersystem, das sie kaufen möchten, in die anderen Komponenten ihres Regelkreises integriert. Dazu gehören Dinge wie Kommunikationsschnittstellen, Netzwerkfunktionen und Sensorkompatibilität. Außerdem sollten Käufer die Skalierbarkeit des Mikrosteuersystems berücksichtigen. Mit anderen Worten, sie sollten sicherstellen, dass das gewählte Steuerungssystem in Zukunft einfach erweitert oder aufgerüstet werden kann, um sich ändernden Anforderungen gerecht zu werden oder neue Technologien zu integrieren.
• Kosten und Lieferanten-Support: Schließlich sollten Käufer die Systemkosten berücksichtigen. Sie sollten nach einem Mikrocontroller-basierten Steuerungssystem suchen, das ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Funktionen zu einem Preis bietet, der in ihrem Budget liegt. Außerdem sollten Käufer das Support-Netzwerk und den Ruf des Lieferanten recherchieren. Wählen Sie einen Lieferanten, der Käufer mit der Dokumentation, dem technischen Support und den Entwicklungstools unterstützt, die für eine erfolgreiche Implementierung erforderlich sind.

F & A

F1: Was sind die aktuellen Trends in der Steuerungstechnik?

A1: Einer der bemerkenswerten Trends in der Steuerungstechnik ist der zunehmende Einsatz von KI und maschinellem Lernen. So kann das System aus vergangenen Ereignissen lernen und zukünftige Entscheidungen verbessern. Ein weiterer Trend ist die Bewegung hin zu verteilten Steuerungssystemen (DCS). Dies ermöglicht mehr Skalierbarkeit und Flexibilität. Darüber hinaus liegt der Fokus zunehmend auf der Cybersicherheit für Steuerungssysteme, um sie vor böswilligen Angriffen und Datenlecks zu schützen.

F2: Was ist der Unterschied zwischen einem DCS und einem traditionellen zentralisierten Steuerungssystem?

A2: Ein DCS verteilt die Steuerfunktionen auf mehrere verteilte Prozessoren oder Controller, die im gesamten System verteilt sind. Ein DCS bietet mehr Skalierbarkeit, Flexibilität und Fehlertoleranz als zentralisierte Systeme, die einen einzigen zentralen Controller haben. Verteilte Steuerungssysteme ermöglichen auch eine einfachere Integration komplexer Systeme und eine bessere Verarbeitung großer Datenmengen.

F3: Welche Rolle spielen Mikrocontroller in Steuerungssystemen?

A3: Mikrocontroller sind das Rückgrat vieler Steuerungssysteme. Sie führen die Algorithmen aus, die die gesteuerten Prozesse regeln, verarbeiten die Eingabedaten von Sensoren und senden Befehle an Aktuatoren. Mikrocontroller bieten Flexibilität, Programmierbarkeit und Kosteneffizienz, was sie für verschiedene Anwendungen in Steuerungssystemen geeignet macht.