使用全方位 PLC 公版設計加速工業物聯網應用的開發

工業物聯網 (IIoT) 應用預期能提高複雜工業系統的效率，而下一代微控制器架構可編程邏輯控制器 (PLC) 可支援這類 IIoT 應用。開發人員所面臨的難題是必須支援這些系統所需的各種工業介面，同時又要使裝置足夠小以便能夠安裝在工廠設備中。

最終目標為建立更複雜 IIoT 應用，而這些難題成為了重大阻礙。自訂 PLC IO 的模組化方法可能是開發人員所需的解決方案。

本文將探討與 IIoT 精密 IO 設計相關的難題，接著會介紹模組化系統解決方案，在此案例中即是 Maxim Integrated 的解決方案。然後展示如何將該方案當作現成的解決方案使用，或作為最新自訂 IIoT 應用的公版設計。

PLC 在 IIoT 中的角色演進

PLC 多年來一直扮演工廠自動化系統的中介角色，提供多種介面將感測器、致動器和其他設備連接到主機系統。當 PLC 系統用於 IIoT 應用時，需要支援極大量的終端裝置，並且要擁有本機處理能力，同時還要夠小，才可裝在個別的機械元件中，或工作單元及子裝配線上不顯眼的地方。這可能會讓開發人員在針對許多工業環境所需介面進行細節設計時耗時費力。

對開發人員而言，這常常是沒有效率的時間利用，如果將這些時間用於提供高階解決方案上，如智慧型工廠、自適性製造、預測性維護，以及其他基於人工智慧方法的新創功能，也許會比較有效益。使用靈活的感測器和致動器模組化介面方法可縮短開發時間，但該介面解決方案必須足夠強固，才能耐受惡劣的工業環境。

工業介面

典型的工業環境需要使用眾多不同的介面，在周邊裝置和主機系統間進行數位和類比訊號傳輸。其中，IO-Link 業界標準已成為連接相容終端裝置、傳統感測器和致動器的有效方法。

在標準的點對點 IO-Link 連接中，開發人員使用 PLC 中的 IO-Link 主控器，以 3 線或 4 線的低成本無屏蔽電纜透過標準 M12 連接器連接到 IO-Link 收發器。透過 IO-Link 的電氣介面和功能協定，即使在惡劣電氣雜訊的工業環境中，也能確保可靠的通訊。Maxim Integrated 的 MAX14819 等 IO-Link 主控器裝置，可解決 IO-Link 電氣介面和協定實作的複雜性。在電氣介面方面，MAX14819 將所需電路進行整合，可產生 IO-Link 標準所需的穩壓 L+ 和 L- 電源以及 C/Q 數據訊號。在通訊協定方面，該裝置將作為 IO-Link 訊息傳遞法基礎的 IO-Link Framer、UART 和 FIFO 進行整合 (請參見《使用 IO-Link 收發器來節省電力、提高效能和簡化開發》)。

若要將感測器或致動器連接到 PLC 中的 IO-Link 主控器，開發人員可以很容易地找到相容的 IO-Link 裝置，或者使用 MAX14827A 收發器來輕鬆建立自己的裝置 (圖 1)。

圖 1：開發人員可以將周邊裝置感測器的 Maxim Integrated MAX14827A IO-Link 收發器，與 PLC 或其他主機系統中的 Maxim MAX14819 IO-Link 主控器進行配對，快速實作 IO-Link 點對點通訊鏈路。(圖片來源：Maxim Integrated)

雖然 IO-Link 在較新的工業環境中已有穩定發展，但其他標準的介面仍然可以應用於傳統和更新的環境中。其中，RS-485 仍然是最廣泛使用的序列介面標準之一。RS-485 的功能更強大，其設計旨在取代 RS-232 或 RS-422 等早期序列介面；此介面是標準電氣介面，可用於以 24 AWG 雙絞線進行雙向通訊。藉由關鍵的共模效能特性，RS-485 能夠滿足在加長型電纜上可靠運行的要求，即使在有雜訊的環境中也是如此。因此，此介面可作為許多工廠的網路基礎，例如作為 Profibus 和 Fieldbus 的實體層 (PHY)。

與 IO-Link 一樣，工程師可以找到現成的整合式裝置，用以簡化 RS-485 通訊的實作。Maxim Integrated 的 MAXM22511 RS-485 收發器是專為工業應用而設計，不僅可以簡化此介面的實作，還能在惡劣環境中保護其功能完整性。開發人員可以使用此裝置，將 MAXM22511 的電纜端連接到雙絞線，將 MAXM22511 的 UART 端連接到微控制器或其他數位裝置，如此即可實作一個無需額外元件的電流隔離 RS-485 介面 (圖 2)。整合在裝置內的高電壓電容可隔離數據通道，以及裝置的 DC-DC 穩壓器內建的變壓器，可透過晶片上低壓差 (LDO) 穩壓器為電纜側提供隔離電源。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAXM22511 收發器可簡化工業 RS-485 介面的實作，同時提供內建的隔離保護機制，以免電纜側發生電氣事件。(圖片來源：Maxim Integrated)

在實務上，典型的工業自動化系統可能需要 IO-Link 和 RS-485 介面以外的介面支援。在輸入端，這些系統通常需要支援符合 IEC 61131-2 的數位輸入裝置，以及系統所有的三種輸入類型：類型 1 適用於具有機械開關觸點的老式三線感測器；類型 2 適用於早期具有半導體介面的兩線感測器；類型 3 適用於最近的兩線或三線低功率感測器。

開發人員在此可以使用 Maxim 的 MAX22192，此產品提供 8 個符合 IEC 61131-2 標準的輸入通道。只需增加電流設定電阻，即可將每個輸入通道設定成類型 1、2 或 3 輸入。

在輸出端，許多這類的系統依賴數位控制驅動器，而這些驅動器能夠支援高速切換，以便用於精確控制致動器或其他設備。工程師在此可以使用 Maxim Integrated 的 MAX14912 等裝置，這類產品提供 8 個通道，均可設定成高側開關或驅動器。

對於直接控制 DC 馬達等更專業的輸出要求，開發人員可以選擇 Maxim 的 MAX14870，此產品提供完全整合的馬達控制解決方案，專為減少零件數量和設計複雜性而設計。為回應脈寬調變 (PWM) 訊號和方向 (DIR) 控制訊號，此裝置的整合驅動器可直接驅動 DC 有刷馬達和繼電器，電壓最高可達 36 V，而且只需最少的附加元件 (圖 3)。設計人員可以將 MAX14870 的輸出功能與 Maxim 的 MAX14890E 編碼器接收器相結合，用以實作精準動作控制子系統。

圖 3：Maxim Integrated 的 MAX14870 整合驅動器和開關，允許開發人員使用少量附加元件即可完成 PWM 控制的馬達子系統實作。(圖片來源：Maxim Integrated)

下一代 PLC 設計

市售多種專用 IC，緩解在工業系統實作中，與許多低階設計所需的介面相關的挑戰。即便如此，所需的介面裝置數量眾多，加上每個介面裝置都有各自的設計要求，工程師仍然要面對一項挑戰，即在儘可能最小的設計覆蓋區中將多個介面裝置與微控制器結合使用。而 Maxim Integrated 的 MAXREFDES212 Go-IO PLC 系統，也為想要奠定精密 IIoT 應用基礎的開發人員，消除了這方面的障礙。

Maxim Integrated 的 MAXREFDES212 Go-IO PLC 系統屬於模組化系統，包括幾個小板件，每個小板件都可滿足下一代 PLC 的一系列要求。設計人員可將應用處理器板 (MAXREFDES211)、IO-Link 工廠自動化板 (MAXREFDES200) 和動作控制板 (MAXREFDES201) 插入基板 (MAXREFDES215)，而該基板則提供 IO 端子台，以及與 IO-Link 相容的獨立 M12 連接器 (圖 4)。(請注意，Maxim 以 MAXREFDESxxx 格式為這四種電路板命名，但這些電路板僅能隨附於 MAXREFDES212 Go-IO PLC 系統提供。)當這些 Go-IO 系統內含的板插在一起時，可作為微控制器架構小型 PLC，且尺寸小於 3 平方英吋，同時提供 20 個以上的 IO，可支援完整系列的介面，其中包括 IO-Link、RS-485、IEC 61131-2 相容的數位輸入、數位輸出和馬達控制。開發人員可以立即使用 Go-IO PLC 來補足現有的工業系統，或將其用於自訂 PLC 的公版設計。

圖 4：Maxim Integrated 的 GO-IO PLC 模組化設計允許開發人員插入分離的板件來設定 PLC，其中包括 Arm 微控制器型應用處理器板 (MAXREFDES211)、工廠自動化板 (MAXREFDES200) 和動作控制板 (MAXREFDES201)，一起插入基板 (MAXREFDES215)。(圖片來源：Maxim Integrated)

除了作為 PLC 實體架構外，載板還為附加板提供穩定電壓，並由標準的 24 V 壁式變壓器，或接至載板螺絲端子的高電流獨立電源供電。此處的電路板設計將 Maxim MAX17681 DC-DC 轉換器、電感和 MAX17608 電流保護 IC 相結合，可為其他電路板提供隔離電源 (圖 5)。額外的 MAX17608 裝置則可為各個電路板使用的附加 24 V 電源提供保護。

圖 5：此 PLC 設計模組化方法包含其他電路板，Maxim Go-IO 載板可為這些電路板提供連接器和電源。(圖片來源：Maxim Integrated)

應用處理器板設計為插入載板底座，內含 Maxim 的 MAX32630 微控制器及支援功能，可用於開發和執行組裝 PLC 的程式碼 (圖 6)。透過搭配 FPU CPU 的 Arm^® Cortex^®-M4，MAX32630 可提供新興 IIoT PLC 所需的低功率、安全性和處理器效能。應用處理器板由載板供電，使用 MAX17502 DC-DC 轉換器將 24 V 電壓降至 3.3 V，為兩個 MAX1806 線性穩壓器供電，而穩壓器可提供 MAX32630 所需的 1.8 V 和 1.2 V 電源。

圖 6：Maxim Go-IO 應用處理器板搭載可協調附加板功能的 Maxim MAX32630 微控制器，透過共享 SPI 匯流排進行通訊，採用 80 向連接器與此模組化系統使用的各種板件互連。(圖片來源：Maxim Integrated)

除了以 USB 連接器介接開發系統外，該板還支援 1 線式、I²C、UART 和 SPI 連接。事實上，應用處理器板提供多個 SPI 匯流排，可用於整個模組化 Go-IO 系統。兩條 SPI 匯流排 APP_SP1 和 APP_SP2 都連接到 80 向連接器，可供其他插入板使用。如下所述，APP_SP2 在系統保護中扮演著特別重要的角色。

在撰寫本文時，最後兩個 SPI 匯流排尚未使用：SD_SPI 匯流排是為了連接 SD 卡而保留，而 WIFI_SPI 匯流排則是為了連接 Wi-Fi 模組而保留。雖然目前不支援，但設計硬體規格包括 Microchip Technology 的 ATWINC1510-MR210PB1952 Wi-Fi 模組，該模組提供完整的 Wi-Fi 子系統，包括功率放大器 (PA)、低雜訊放大器 (LNA)、開關和板載天線。

雖然應用處理器板只在受控的數位域內運作，但工業介面總是容易受到電纜短路，或靜電放電造成的突發高電壓影響。無論影響來源是什麼，這些都造成專為窄電壓軌內運作而設計的數位電子裝置效能降低或受到損害。如前所述，Maxim Integrated 的 MAXM22511 RS-485 收發器 IC 等介面裝置具有內建隔離功能，旨在保護其數位電路免受電纜側影響。然而，工程師需要在板級上將隔離功能內建至整體設計中。Go-IO PLC 系統公版設計展示系統層級的隔離方法。

MAXREFDES212 套件和公版設計旨在保護與 APP_SPI2 匯流排的連接，對其餘兩個附加板、工廠自動化板和動作控制板使用一般隔離方法。在這種方法中，多個數位隔離裝置可保護 APP_SPI2 SPI 匯流排和 80 向連接器所載送的其他訊號線路。此連接器將附加板的元件連接到應用處理器板的 MAX32630 微控制器。

Go-IO 設計在此利用內建於 MAX22192 的受隔離 SPI 介面，為其他附加板元件提供受保護的板側 SPI 匯流排，其中包括內建在每個附加板的 Maxim MAX3108 UART。Go-IO 設計還包含 Maxim MAX14483 IC，可提供針對 SPI 交易最佳化的 6 個隔離通道。最後，本設計使用幾個 Maxim MAX14130 四通道數位隔離器，經設定後可為其他 SPI 連接和特定訊號線提供保護。

雖然 MAX14483 和 MAX14130 數位隔離器在兩片附加板的配置略有不同，但兩片板都具有上述一般架構，並可見於工廠自動化板的設計中 (圖 7)。除了類似的隔離方法外，兩片板都可以存取 Maxim MAX22192 提供之符合 IEC 61131-2 標準的輸入，以及透過 MAX3108 和 MAXM22511 提供的受保護 RS-485 介面。

圖 7：Maxim Go-IO 工廠自動化板可在微控制器和專用介面裝置之間提供隔離連接，為開發人員提供多種工業介面支援，包括數位輸入、數位輸出、RS-485 和 IO-Link。(圖片來源：Maxim Integrated)

兩片附加板之間的主要區別在於裝置的配置，一片是用來支援工廠自動化介面，而另一片則是支援動作控制功能。在工廠自動化板 (MAXREFDES200) 中，受保護的 SPI 匯流排和訊號線都連接到高速輸出驅動器和 IO-Link 子系統。電路板設計在此使用前面提到的 Maxim MAX14912 高速開關／驅動器來提供數位輸出控制。對於 IO-Link 子系統，電路板設計則將一對 Maxim MAX14819 IO-Link 主控器收發器與 STMicroelectronics 的 STM32F412 微控制器相結合，而微控制器可執行預先載入的 IO-Link 協定堆疊。

對於穩壓電源，每片板都包含一對 Maxim MAXM15462 DC-DC 轉換器，可將載板的 24 V 電壓降至每片板所需的電壓值：3V3_DIO、3V3_MCU 和 5V0_DIO。此外，MAX22192 的整合式 LDO 將 24 V 電壓轉換為 3.3 V VDD_IO 電壓，並由 MAX14130 數位隔離 IC 在受保護的域內使用。

對於動作控制板 (MAXREFDES201)，該設計將數位隔離裝置與一組 MAX14870 馬達驅動器和 MA14890 編碼器相結合 (圖 8)。如前文所述，透過將 MAX14870 和 MA14890 結合使用，可為開發人員提供所需的關鍵功能，對採用馬達、繼電器和其他裝置的精準控制系統進行實作。

圖 8：Go-IO 動作控制板採用的保護方案與工廠自動化板類似，可為開發人員提供所需的驅動器輸出和編碼器輸入，以針對馬達、繼電器和其他工業子系統實作高階控制功能。(圖片來源：Maxim Integrated)

為了幫助工程師加速 Go-IO PLC 系統軟體開發，Maxim 提供包含驅動器和基本測試常式的基本軟體套件。雖然底層架構是預先載入作為 Maxim MAX32630 微控制器的韌體，但開發人員可以研究範例軟體所展示的基本設計模式，以便透過系統的應用程式開發介面，與各個裝置進行互動 (清單 1)。GO-IO PLC 系統的硬體公版設計和隨附軟體的關注領域是工業 IO 介面，對於高階工業自動化系統的實作是必要的關鍵基礎。

複製
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    TEST_print_line(0, 0, 0);
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    //Read input for channel 1
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    . . . 
 
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    TEST_print_header("MAX14912 Tests", 0);
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    //Write mode for channel 1
    do_ch = DO1;
    do_mode = DO_MODE_HS;
    error = MAX14912_write_mode(do_ch, do_mode);
                printf("Test- MAX14912_write_mode(%d, %d): %d", do_ch, do_mode, error);
    TEST_print_pass(error == 0, 0);
    . . . 

清單 1：Maxim Integrated 的範例軟體發佈包括測試程式碼，可展示周邊裝置運作的基本設計模式，包括從 Maxim Integrated MAX22192 數位輸入 IC 的個別通道進行讀取 (MAX22192_read_input())，以及對 Maxim Integrated MAX14912 數位輸入 IC 的個別通道進行寫入 (MAX14912_write_mode())。(程式碼來源：Maxim Integrated)

結論

動態製造、預測性維護和其他先進人工智慧方法的精密型應用，需要與感測器、致動器和其他工業設備進行可靠連接。Maxim Integrated 的 Go-IO PLC 模組化系統和公版設計可為現有環境提供現成平台，並且可為滿足新興需求而提供可擴展的基礎。開發人員可以在 Go-IO PLC 平台上快速部署小型 PLC 解決方案，以實作高階製造系統。