산업 자동화를 위한 콤팩트 IO 플랫폼 활용

산업 응용 분야에서 감지 기능에 대한 요구가 증가함에 따라 다양한 종단점 장치 모음과 연결 요구 사항을 충족할 수 있는 효과적인 IO 컨트롤러 플랫폼이 필요하게 되었습니다. 개발자는 IO 랙을 사용하여 이러한 요구 사항에 대응할 수 있지만 소비 전력, 실장 면적 및 비용을 최소화하는 보다 효율적인 방법이 있습니다.

이 기사에서는 산업용 감지 기능 및 제어 요구 사항과 현재까지 그러한 요구 사항을 어떻게 해결했는지에 대해 설명합니다. 그런 다음 Maxim Integrated Pocket IO 개발 플랫폼을 소개하고 그러한 플랫폼을 통해 산업용 감지 기능 및 IO 수가 높은 응용 분야에서 개발자 요구를 해결하는 방법에 대해 설명합니다. 그 후에, 구현 기술을 보여줍니다.

유연성 및 효율성 구동 산업용 IO

과거에는 초기 공장 응용 제품에 배포되는 센서 수가 상대적으로 적어 엔지니어가 프로그래밍 가능한 논리 컨트롤러(PLC)에 하드와이어 연결을 사용할 수 있었습니다. IO-Link와 같은 산업 표준 인터페이스의 출현으로 단일 연결에서 여러 센서와 주변 장치를 연결할 수 있는 더 효율적인 연결 옵션이 제공되었습니다. 그와 동시에 더 유연한 인터페이스 옵션에 대한 요구로 인해 광범위한 아날로그 및 디지털 IO 기능에 대한 요구 사항이 생겨나게 되었습니다.

이러한 환경에서 엔지니어는 필드 버스 통신 및 모터 제어기뿐만 아니라 추가적인 특수 아날로그 및 디지털 IO 장치에 대한 지원을 포함한 요구 사항에 직면할 수 있습니다. 또한 엔지니어는 이러한 향상된 기능을 냉각용 팬 및 통풍구에 문제가 있는 작업 현장에서 작동할 수 있는 더 콤팩트한 저전력 설계로 빌드해야 합니다. Maxim Integrated의 Pocket IO는 엔지니어가 이러한 요구 사항을 빠르게 해결할 수 있도록 지원하기 위해 설계되었습니다.

다중 주변 장치 컨트롤러 플랫폼

Maxim의 Pocket IO는 개발 플랫폼 역할과 참조 설계 역할을 모두 수행합니다(그림 1). 특히 참조 설계에서는 다음을 비롯한 다양한 IO 세트 지원을 위한 고집적 IC 사용을 보여줍니다.

• 아날로그 입력 8개, 고집적 MAX11254 24비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 사용
• 아날로그 출력 1개, MAX5216 16비트 디지털 아날로그 컨버터(DAC) 사용
• 디지털 입력 8개, MAX31913(8진 스위치/구동기) 기반
• 디지털 출력 8개, MAX14913(8진 디지털 입력 장치) 기반
• Profibus 지원 RS-485 인터페이스 2개, MAX14783E(반이중 RS-485/422 트랜시버) 사용
• IO-Link 마스터 채널 4개, 각각 별도의 MAX14824 IO-Link 마스터 트랜시버 IC 기반
• 모터 인코더/제어 채널 3개, 각각 MAX14890 인코더 수신기 IC 및 MAX14870 모터 제어기 IC로 구성

그림 1: Maxim Integrated Pocket IO 플랫폼은 고집적 Maxim IO 장치를 활용하여 광범위한 IO 기능을 제공합니다. (그림: Maxim Integrated)

Pocket IO 플랫폼은 절연된 저잡음 15V 및 3.6V 전력 레일과 DAC용 3.0V 레퍼런스 및 ADC용 1.5V 레퍼런스를 제공합니다. 또한 설계에는 Intel Edison, STMicroelectronics STM32 MCU 쌍을 포함한 정교한 프로세서 세트가 포함됩니다. Intel Edison 모듈은 SPI 인터페이스를 지원하는 Pocket IO 장치를 전체적으로 제어하는 제어 소프트웨어를 호스트합니다. 전용 STM32F103RET6 MCU는 모터 제어 루틴을 실행하고 MAX14890 인코더와 MAX14870 모터 구동기 IC를 제어합니다. 다른 전용 STM32F103RET6 MCU는 IO-Link 스택을 실행하고 마스터 트랜시버 장치를 관리합니다. 일련의 디지털 절연기는 프로세서 IO 채널을 보호합니다.

볼륨이 10입방인치 미만인 Pocket IO(셔츠 포켓에 딱 맞는 특성에 따라 명명됨)는 배터리로 작동될 수 있으며 많은 주변 채널에서 높은 처리량을 제공하면서도 팬이 필요하지 않습니다. IC는 작은 기판 2개(지정된 MAXREFDES150MAIN# 및 MAXREFDES150LED#)로 이루어지며 Pocket IO 케이스 내에 패키징됩니다.

Intel Edison 모듈과 대부분의 부품은 MAXREFDES150MAIN# 기판에 실장됩니다. MAXREFDES150LED# 기판에는 DC 모터 구동기 회로와 제어 STM32F103RET6 MCU, IO-Link 회로와 제어 STM32F103RET6 MCU가 있습니다. 세 번째 기판은 외부 커넥터를 제공하며 두 개의 40핀 케이블 조립품을 통해 Pocket IO 케이스 내의 기판에 연결됩니다. 초기 응용 소프트웨어는 Pocket IO의 USB 인터페이스나 Intel Edison 모듈의 Bluetooth 또는 Wi-Fi 연결 옵션을 통해 연결될 수 있습니다.

개발을 위해 엔지니어는 Pocket IO 소프트웨어 패키지와 함께 제공되는 포괄적인 라이브러리 및 루틴을 사용하여 Arduino IDE를 통해 Intel Edison에서 실행될 소프트웨어를 만듭니다. Maxim Integrated는 관련 소프트웨어 루틴 개발을 위해 각 IO 서브 시스템 및 API(Application Programming Interface)에 대한 상세 회로도를 제공합니다.

참조 설계

Pocket IO에 사용되는 디지털 IO 장치(예: MAX31913 및 MAX14913)는 호스트 Edison 프로세서에 대한 SPI 연결 이외에 추가적인 회로망이 거의 필요하지 않습니다. 이에 반해 아날로그 IO 장치는 버퍼링을 위한 보조 회로가 필요하거나 추가 신호 조정을 제공해야 합니다.

예를 들어 DAC 출력 기능에 대한 참조 설계 회로도에서는 Maxim Integrated MAX9632 연산 증폭기를 사용하여 MAX5216의 출력을 버퍼링합니다(그림 2).

그림 2: Pocket IO 참조 설계 회로도에서는 입력 채널의 신호 조정 회로 사용과 출력 시 버퍼(예: 이 그림의 디지털 아날로그 채널)를 보여줍니다. (그림: Maxim Integrated)

참조 설계에서는 MAX11254를 기반으로 Pocket IO의 아날로그 입력 기능에 대한 회로를 자세히 다룹니다. 이 서브 시스템의 경우 Pocket IO의 개별 전압 및 전류 입력 채널을 지원하기 위한 세부 신호 조정 회로가 회로도에 포함되어 있습니다.

MAX11254는 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA), 아날로그 필터, 24비트 델타 시그마 ADC, 디지털 필터를 포함한 전체 신호 처리 경로를 통합합니다. 또한 아날로그 멀티플렉서는 장치의 6개 차등 입력 채널을 지원하고, 디지털 시퀀서는 아날로그 채널 스캐닝, 센서 모니터링 등과 같은 기능을 자동화합니다. 이 장치에는 저항형 센서에 필요한 센서 여기에 대한 소스 역할을 할 수 있는 GPIO도 포함되어 있습니다. 장치의 SPI 직렬 인터페이스는 호스트 프로세서(이 경우 Pocket IO의 Edison 프로세서)에 의한 연결 및 제어를 간소화합니다.

개발자의 경우 전체 센서 데이터 취득 시스템을 구현하려면 고집적 MAX11254 장치에 몇 가지 추가 부품이 필요합니다. 일반적으로 엔지니어는 버퍼 회로를 최소한으로 포함하거나 응용 제품에서 보증하는 광범위한 신호 조정 회로를 제공합니다. Pocket IO 참조 설계의 경우 두 전압 입력과 두 전류 입력 채널을 위한 별도의 조정 회로를 제공합니다. 각 조정 회로는 신호 버퍼링과 이득 조절을 위한 연산 증폭기 쌍을 포함합니다. 또한 전류 입력 채널은 MOSFET 및 과도 전압 억제 다이오드 쌍을 통해 입력을 사전 조정하여 연산 증폭기를 보호합니다.

낮은 수준의 SPI 명령을 사용하여 복잡한 IO 트랜잭션에 대한 코드를 개발할 경우 시간이 오래 걸리고 오류가 발생하기 쉽습니다. 따라서 Maxim은 MAX11254 ADC를 비롯하여 각 IO 장치를 위한 C++ 클래스를 개발자에게 제공하고, 아날로그 데이터 변환 등과 같은 작업에 포함되는 복잡한 시퀀스에 대한 간편한 추상화를 제공합니다. 아날로그 입력을 변환하려면 개발자는 다음 클래스의 인스턴스를 인스턴스화하면 됩니다.

adc = new Max11254();

그런 다음 클래스 메서드를 사용하여 장치를 리셋하고, 자가 보정 시퀀스를 수행하고, 데이터를 캡처합니다.

adc->reset();

adc->selfCal();

adc->singleConvert(channel, rate);

다른 Pocket IO C++ 라이브러리인 PioAi에서는 아날로그 데이터 샘플링을 단일 PioAi.readcode() 호출로 축소하여 이러한 세부 정보를 숨깁니다. 그런 다음 PioAi 라이브러리 루틴에서 PioSpi 라이브러리에 제공된 PioSpi 클래스를 사용하여 IO 트랜잭션을 해당 SPI 명령 시퀀스로 변환합니다.

특정 장치 지원 라이브러리와 함께 Maxim은 IO 작업(예: 모터 제어기)에 대한 기본 설계 패턴을 보여주는 샘플 코드를 제공합니다(목록 1).

#include <PioMtr.h>

PioMtr pioMtr;

uint8_t motor = M1;

void setup() {

  // put your setup code here, to run once:

  pioMtr.writeEnable(motor, 1);

  pioMtr.writeDirection(motor, COUNTERCLOCKWISE);//

}

uint8_t spd = 0;

bool shouldDecrease = false;

void loop() {

  // put your main code here, to run repeatedly:

  if(spd == 255)

  {

    shouldDecrease = true;

  }

  else if(spd == 0)

  {

    shouldDecrease = false;

  }

  if(shouldDecrease)

  {

    spd--;

  }

  else{ spd++; }

  pioMtr.writeSpeed(motor, spd);

  delay(50);

}

코드 목록 1: Pocket IO 소프트웨어 패키지에는 기본 모터 제어 작업을 보여주는 이 코드 조각과 같은 샘플 코드가 포함되어 있습니다. (코드 출처: Maxim Integrated)

코드 설명: 설정 후에는 무한 루프로 인해 모터 속도가 최소값과 최대값 사이에서 지속적으로 증가합니다. 코드 조각에 참조된 PioMtr 라이브러리는 writeSpeed() 루틴을 포함합니다. 따라서 낮은 수준의 Arduino 루틴을 사용하여 적절한 하드웨어 레지스터를 조작합니다.

개발자는 각 Pocket IO 주변 장치에 대한 API에 포함된 클래스 라이브러리와 Arduino IDE를 통해 Intel Edison에 대한 Arduino 스케치를 작성하여 이러한 코드 조각을 정식 응용 제품으로 확장할 수 있습니다. Maxim Integrated는 Edison 도구 체인 및 Intel Edison 도구에 대한 소프트웨어 패키지와 Pocket IO 라이브러리 제품군을 제공합니다.

결론

산업 자동화는 각 생산 단계에 대한 세부 정보를 모니터링 및 제어하는 증가하는 센서 어레이의 세부 측정에 달려 있습니다. 다양한 입력 및 출력 장치 유형을 수용하면서 개발자는 콤팩트하고 비용 효율적인 저전력 솔루션을 활용하여 작업 현장의 난관을 이겨낼 수 있어야 합니다.

Maxim Integrated Pocket IO 플랫폼은 새롭게 등장하는 산업 자동화 응용 분야를 위한 특수 컨트롤러 개발을 가속화할 수 있는 완벽한 하드웨어/소프트웨어 참조 설계를 통해 이러한 요구 사항을 충족합니다.