工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 應(yīng)用有望提高復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的效率。由于能夠?qū)崿F(xiàn)這些 IIoT 應(yīng)用的是下一代基于微控制器的可編程邏輯控制器 （PLC），因此對(duì)開(kāi)發(fā)人員提出了挑戰(zhàn)，既要支持這些系統(tǒng)中所需的各種工業(yè)接口，還要使器件足夠緊湊以便能適合工廠設(shè)備。

　　這些挑戰(zhàn)已經(jīng)成為創(chuàng)建更高級(jí) IIoT 應(yīng)用這一終極目標(biāo)的重大障礙。不過(guò)，采用模塊化方法來(lái)定制 PLC IO 可能是開(kāi)發(fā)人員需要的解決方案。

　　本文首先會(huì)討論 IIoT 高級(jí) IO 設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，然后介紹 Maxim Integrated 的模塊化系統(tǒng)解決方案，最后說(shuō)明該解決方案作為現(xiàn)成方案或作為現(xiàn)代定制 IIoT 應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)時(shí)如何使用。

　　PLC 在 IIoT 中的角色演變

　　作為工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的中間設(shè)備，PLC 多年來(lái)一直提供將傳感器、致動(dòng)器和其他設(shè)備連至主機(jī)系統(tǒng)所需的多個(gè)接口。在服務(wù)于 IIoT 應(yīng)用時(shí)，PLC 系統(tǒng)不但需要支持更多數(shù)量的終端器件和本地處理能力，同時(shí)還要足夠小巧，以便可以安裝在單個(gè)機(jī)件上，或者位于工作單元或子裝配線中不顯眼的位置。這樣會(huì)造成開(kāi)發(fā)人員深陷于設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的泥沼中，為工業(yè)環(huán)境中所需的許多接口考慮解決方案。

　　在許多情況下，這不能有效利用開(kāi)發(fā)人員的時(shí)間，如果將這些時(shí)間用在為智能工廠、自適應(yīng)制造、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及其他基于人工智能方法的新興功能方面提供高水平解決方案的話，則會(huì)取得更佳效果。對(duì)傳感器和致動(dòng)器采用靈活的模塊化接口方法，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，不過(guò)，這種接口解決方案必須足夠堅(jiān)固耐用，以便可以承受惡劣的工業(yè)環(huán)境。

　　工業(yè)接口

　　典型的工業(yè)環(huán)境需要各種接口，以滿足外設(shè)和主機(jī)系統(tǒng)之間數(shù)字及模擬信號(hào)的通訊需求，其中，IO-Link 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為連接兼容的終端器件，以及傳統(tǒng)傳感器和致動(dòng)器的有效方法。

　　在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn) IO-Link 連接中，開(kāi)發(fā)人員可以使用 PLC 中的 IO-Link 主站，通過(guò)端接有標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器的低成本 3 線或 4 線非屏蔽式電纜連接到 IO-Link 收發(fā)器。憑借其電氣接口和功能協(xié)議，IO-Link 即使在惡劣的存在電噪的工業(yè)環(huán)境中也能確保可靠通信。IO-Link 主器件（如 Maxim Integrated MAX14819）解決了 IO-Link 電氣接口及協(xié)議的實(shí)施復(fù)雜性。對(duì)于電氣接口，MAX14819 集成了生成 L+ 和 L- 穩(wěn)壓電源，以及 IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)要求的 C/Q 數(shù)據(jù)信號(hào)所需的電路。對(duì)于通信協(xié)議，該器件集成了 IO-Link 通信方法的基礎(chǔ)構(gòu)件，如 IO-Link 成幀器、UART 和 FIFO（請(qǐng)參閱“使用 IO-Link 收發(fā)器來(lái)降低功耗、提升性能和簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)”）。

　　要將傳感器或致動(dòng)器連至 PLC 中的 IO-Link 主站，開(kāi)發(fā)人員可以輕而易舉地找到兼容的 IO-Link 器件，也可以使用 Maxim MAX14827A 收發(fā)器輕松構(gòu)建自己的器件（圖 1）。

　　圖 1：通過(guò)將外圍傳感器中的 Maxim Integrated MAX14827A IO-Link 收發(fā)器與 PLC 或其他主機(jī)系統(tǒng)中的 Maxim MAX14819 IO-Link 主站配對(duì)，開(kāi)發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn) IO-Link 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈接。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　盡管 IO-Link 已在較新的工業(yè)環(huán)境中得到廣泛采用，但傳統(tǒng)及較新環(huán)境中的應(yīng)用仍然可以發(fā)現(xiàn)其他標(biāo)準(zhǔn)接口的身影。其中，RS-485 仍然是最廣泛使用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)之一，該接口是一種標(biāo)準(zhǔn)電氣接口，是 RS-232 或 RS-422 等早期串行接口的替代品，具有更加堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用于通過(guò)一根 24 AWG 雙絞線進(jìn)行雙向通信，RS-485 具有共模性能特點(diǎn)，這使其在滿足延長(zhǎng)電纜仍能可靠運(yùn)行要求方面發(fā)揮了核心作用，即使在嘈雜的環(huán)境中也是如此。因此，這種接口為許多工廠網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)，例如在 Profibus 和現(xiàn)場(chǎng)總線中充當(dāng)物理層 （PHY）。

　　與 IO-Link 一樣，工程師可以輕松找到旨在簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn) RS-485 通信的集成器件。Maxim Integrated MAXM22511 RS-485 收發(fā)器專為工業(yè)應(yīng)用而打造，不僅簡(jiǎn)化了該接口的實(shí)現(xiàn)，而且能在惡劣環(huán)境中保護(hù)其完整性。使用該器件，開(kāi)發(fā)人員只需將 MAXM22511 的電纜側(cè)連至雙絞線，將 UART 側(cè)連至微控制器或其他數(shù)字設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)電位隔離的 RS-485 接口，且無(wú)需額外元件（圖 2）。集成在該器件內(nèi)的高壓電容器可以隔離數(shù)據(jù)通道，內(nèi)置在器件 DC-DC 穩(wěn)壓器中的變壓器可通過(guò)片上低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器為電纜側(cè)提供隔離電源

　　圖 2：Maxim Integrated MAXM22511 收發(fā)器簡(jiǎn)化了工業(yè) RS-485 接口的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)配備內(nèi)置隔離保護(hù)，可防止電纜側(cè)發(fā)生電氣事件。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　實(shí)際上，典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)可能需要支持 IO-Link 和 RS-485 接口以外的接口。在輸入側(cè)，這些系統(tǒng)通常需要支持符合 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)及其所有三種輸入類型的數(shù)字輸入設(shè)備：第一類是較早的帶機(jī)械開(kāi)關(guān)觸頭的 3 線式傳感器，第二類是更早的帶半導(dǎo)體接口的 2 線式傳感器，第三類是最近的 2 線或 3 線式低功耗傳感器。

　　對(duì)于本電路而言，開(kāi)發(fā)人員可以使用 Maxim MAX22192，該器件配有 8 個(gè)符合 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)的輸入通道，只需添加電流設(shè)定電阻器即可將各通道配置為 1 類、2 類或 3 類輸入。

　　在輸出側(cè)，許多此類系統(tǒng)都依賴于數(shù)控驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器能夠支持精確控制致動(dòng)器或其他設(shè)備所需的高速切換。本圖中，工程師可以使用諸如 Maxim Integrated MAX14912 等器件，此器件具有 8 個(gè)通道，可將這些通道配置為高壓側(cè)開(kāi)關(guān)或驅(qū)動(dòng)器。

　　對(duì)于直接控制直流電機(jī)等更專業(yè)的輸出要求，開(kāi)發(fā)人員可以選擇 Maxim MAX14870，這款器件可提供完全集成的電機(jī)控制解決方案，旨在減少零件數(shù)量，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。為響應(yīng)脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 信號(hào)和方向 （DIR） 控制信號(hào)，該器件的集成驅(qū)動(dòng)器可在最高 36 伏電壓條件下，直接驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)和繼電器，并且添加的元件最少（圖 3）。設(shè)計(jì)人員可將 MAX14870 的輸出功能與 Maxim MAX14890E 編碼器接收器相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。

　　圖 3：Maxim Integrated MAX14870 集成了驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)，可使開(kāi)發(fā)人員能夠在幾乎不添加元件的情況下，即可實(shí)現(xiàn) PWM 控制的電機(jī)子系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　下一代 PLC 設(shè)計(jì)

　　由于市場(chǎng)上擁有種類繁多的專用 IC，因此許多與實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)所需的各種接口相關(guān)的低級(jí)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)得到了緩解。即便如此，因需要接口的設(shè)備數(shù)量眾多，并且每一種設(shè)備的設(shè)計(jì)要求各不相同，因此仍然需要工程師來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，即：在盡可能最小的設(shè)計(jì)空間內(nèi)將多個(gè)接口設(shè)備與一個(gè)微控制器相結(jié)合。對(duì)于希望為高級(jí) IIoT 應(yīng)用奠定基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)人員，Maxim Integrated MAXREFDES212 Go-IO PLC 系統(tǒng)可以幫助他們消除這一障礙。

　　Maxim Integrated MAXREFDES212 Go-IO PLC 系統(tǒng)是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，由多塊小電路板組成，每塊電路板的設(shè)計(jì)均可滿足下一代 PLC 的一系列要求。設(shè)計(jì)人員可將應(yīng)用處理器板 （MAXREFDES211）、IO-Link 工廠自動(dòng)化板 （MAXREFDES200） 和運(yùn)動(dòng)控制板 （MAXREFDES201） 插入基板 （MAXREFDES215），該基板配有 IO 端子塊以及與 IO-Link 相兼容的獨(dú)立 M12 連接器（圖 4）。（請(qǐng)注意，Maxim 為四種板提供了指示性 MAXREFDESxxx 名稱，不過(guò)，這些板僅作為 MAXREFDES212 Go-IO PLC 系統(tǒng)的部件提供。）插到一起后，Go-IO 系統(tǒng)內(nèi)所含的這些板即可形成一個(gè)尺寸小于 3 平方英寸的基于微控制器的緊湊型 PLC，同時(shí)提供 20 多個(gè) IO，可支持各種接口，其中包括 IO-Link、RS-485、符合 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和電機(jī)控制。開(kāi)發(fā)人員隨即可使用 Go-IO PLC 來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)，或?qū)⑵溆米髯远x PLC 的參考設(shè)計(jì)。

　　圖 4：借助 Maxim Integrated GO-IO PLC 模塊化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)人員能夠通過(guò)將單塊板（包括基于 Arm 微控制器的應(yīng)用處理器板 MAXREFDES211、工廠自動(dòng)化板 MAXREFDES200 和運(yùn)動(dòng)控制板 MAXREFDES201）插入基板 MAXREFDES215 來(lái)配置 PLC。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　除了充當(dāng) PLC 的物理框架外，載板還可為擴(kuò)展板提供穩(wěn)定電壓，該電壓可源自標(biāo)準(zhǔn) 24 伏壁式適配器，也可來(lái)自與載板上螺紋端子相連的獨(dú)立高電流電源。此電路板設(shè)計(jì)結(jié)合了 Maxim MAX17681 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電感器以及 MAX17608 電流保護(hù) IC，可為其他電路板提供隔離電源（圖 5）。其他 MAX17608 器件可為各電路板上可用的其他 24 伏電源提供保護(hù)。

　　圖 5：Maxim Go-IO 載板可為這種模塊化 PLC 設(shè)計(jì)方法中的其他電路板提供連接器和電源。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　應(yīng)用處理器板設(shè)計(jì)用于插入載板底座，包括一個(gè) Maxim MAX32630 微控制器，并且支持開(kāi)發(fā)和執(zhí)行組裝 PLC 的代碼（圖 6）。基于帶有 FPU CPU 的 Arm? Cortex?-M4，MAX32630 微控制器具有新興 IIoT PLC 所需的低功耗、安全性以及處理器性能。該應(yīng)用處理器板從載板取電，并且使用 MAX17502 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 24 伏電源降至 3.3 伏，以便為兩個(gè) MAX1806 線性穩(wěn)壓器供電，從而為 MAX32630 提供所需的 1.8 伏和 1.2 伏電源。

　　圖 6：Maxim Go-IO 應(yīng)用處理器板可承載能夠協(xié)調(diào)擴(kuò)展板功能的 Maxim MAX32630 微控制器，并且通過(guò)共享的 SPI 總線和 80 路連接器進(jìn)行通信，這種連接器用于連接此模塊化系統(tǒng)中使用的各種電路板。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　除了用于連接開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的 USB 連接器外，該板還支持單線、I2C、UART 和 SPI 連接。實(shí)際上，這款應(yīng)用處理器板配有多條 SPI 總線，可用于整個(gè)模塊化 Go-IO 系統(tǒng)。其中兩條 SPI 總線（APP_SP1 和 APP_SP2）與 80 路連接器相連，供其他插件板使用。如下所述，APP_SP2 在系統(tǒng)保護(hù)方面起著至關(guān)重要的作用。

　　截至撰寫本文時(shí)，還有兩條 SPI 總線尚未使用：SD_SPI 總線保留用于連接 SD 卡，WIFI_SPI 總線保留用于 Wi-Fi 模塊。盡管目前尚不支持，但設(shè)計(jì)硬件規(guī)范仍包括一個(gè) Microchip Technology ATWINC1510-MR210PB1952 Wi-Fi 模塊，此模塊配有完整的 Wi-Fi 子系統(tǒng)，包括功率放大器 （PA）、低噪聲放大器 （LNA）、開(kāi)關(guān)和印制線天線。

　　雖然該應(yīng)用處理器板僅在受控的數(shù)字域內(nèi)工作，但工業(yè)接口始終容易受到電纜短路或靜電放電帶來(lái)的突然高壓的影響。無(wú)論哪種原因引起的高壓，都會(huì)降低或破壞設(shè)計(jì)用于在窄電壓軌內(nèi)運(yùn)行的數(shù)字電子器件。如前所述，諸如 Maxim Integrated MAXM22511 RS-485 收發(fā)器 IC 等接口器件內(nèi)置隔離功能，可以保護(hù)其數(shù)字電路免受電纜副作用的影響。然而在電路板級(jí)別，工程師需要在總體設(shè)計(jì)中構(gòu)建隔離功能。Go-IO PLC 系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)展示了一種系統(tǒng)級(jí)隔離方法。

　　MAXREFDES212 套件和參考設(shè)計(jì)旨在保護(hù)與 APP_SPI2 總線的連接，對(duì)剩余的兩塊擴(kuò)展板（工廠自動(dòng)化板和運(yùn)動(dòng)控制板）采用的是常見(jiàn)的隔離方法。在這種方法中，多個(gè)數(shù)字隔離器件可以保護(hù) APP_SPI2 SPI 總線，以及 80 路連接器承載的其他信號(hào)線。此連接器用于將擴(kuò)展板上的器件連接到應(yīng)用處理器板上的 MAX32630 微控制器。

　　本電路的 Go-IO 設(shè)計(jì)利用的是 MAX22192 內(nèi)置的隔離 SPI 接口，可為其他擴(kuò)展板器件（包括各擴(kuò)展板中內(nèi)置的 Maxim MAX3108 UART）提供受保護(hù)的板側(cè) SPI 總線。Go-IO 設(shè)計(jì)還采用了 Maxim MAX14483 IC，可提供 6 個(gè)針對(duì) SPI 事務(wù)優(yōu)化的隔離通道。最后，此設(shè)計(jì)還使用了多個(gè) Maxim MAX14130 四通道數(shù)字隔離器，可為其他 SPI 連接和特定信號(hào)線提供保護(hù)。

　　盡管兩塊擴(kuò)展板上的 MAX14483 和 MAX14130 數(shù)字隔離器的配置略有不同，但兩塊板共享上述通用架構(gòu)，這種架構(gòu)也被工廠自動(dòng)化板設(shè)計(jì)所采用（圖 7）。除采用類似隔離方法外，兩塊電路板均可連接 Maxim MAX22192 提供的符合 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)的輸入，以及 MAX3108 和 MAXM22511 提供的受保護(hù) RS-485 接口。

　　圖 7：Maxim Go-IO 工廠自動(dòng)化板可在微控制器和專用接口器件之間提供隔離連接，從而為開(kāi)發(fā)人員提供多種工業(yè)接口（包括數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、RS-485 和 IO-Link）支持。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　兩塊擴(kuò)展板的主要區(qū)別在于器件的配置，其中一塊擴(kuò)展板的器件用于支持工廠自動(dòng)化接口，另一塊的器件則用于支持運(yùn)動(dòng)控制功能。在工廠自動(dòng)化板 （MAXREFDES200） 內(nèi)，受保護(hù)的 SPI 總線和信號(hào)線與高速輸出驅(qū)動(dòng)器連接，進(jìn)而連至 IO-Link 子系統(tǒng)。此電路板設(shè)計(jì)使用上文提到的 Maxim MAX14912 高速開(kāi)關(guān)/驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行數(shù)字輸出控制。對(duì)于 IO-Link 子系統(tǒng)，該電路板設(shè)計(jì)將一對(duì) Maxim MAX14819 IO-Link 主收發(fā)器與 STMicroelectronics STM32F412 微控制器結(jié)合在一起，可執(zhí)行其預(yù)裝的 IO-Link 協(xié)議棧。

　　對(duì)于穩(wěn)壓電源，每塊電路板都包含一對(duì) Maxim MAXM15462 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，可將來(lái)自載板的 24 伏電源降至每塊板所需的供電電平，即 3V3_DIO、3V3_MCU 和 5V0_DIO。此外，MAX22192 集成的 LDO 可將 24 伏電源轉(zhuǎn)換為 3.3 V VDD_IO 電源，從而使 MAX14130 數(shù)字隔離器 IC 可在其受保護(hù)域中使用。

　　對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制板 （MAXREFDES201） 而言，設(shè)計(jì)可將數(shù)字隔離器件與一組 MAX14870 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 MA14890 編碼器結(jié)合在一起（圖 8）。如前所述，MAX14870 和 MA14890 的組合使用可為開(kāi)發(fā)人員提供所需關(guān)鍵功能，從而實(shí)現(xiàn)精密控制系統(tǒng)（由電機(jī)、繼電器和其他裝置構(gòu)成）。

　　圖 8：Go-IO 運(yùn)動(dòng)控制板集成了類似于工廠自動(dòng)化板所使用的保護(hù)方案，可為開(kāi)發(fā)人員提供驅(qū)動(dòng)器輸出和編碼器輸入，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)、繼電器和其他工業(yè)子系統(tǒng)的高級(jí)控制功能。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　為幫助工程師加快 Go-IO PLC 系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，Maxim 提供了一款基本軟件包，其中包含驅(qū)動(dòng)程序和基本測(cè)試程序。雖然基礎(chǔ)框架可作為固件預(yù)裝在 Maxim MAX32630 微控制器中，但開(kāi)發(fā)人員仍可以研究示例軟件，該軟件演示了通過(guò)系統(tǒng)的應(yīng)用程序編程接口與單個(gè)器件交互的基本設(shè)計(jì)模式（清單 1）。GO-IO PLC 系統(tǒng)硬件參考設(shè)計(jì)及配套軟件專注于工業(yè) IO 接口，可為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供所需的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

　　* ************************************************************************* */

　　int TEST_MAX22192_run_tests（void）{

　　int error;

　　di_channel_t di_ch;

　　TEST_print_line（0， 0， 0）;

　　TEST_print_header（“MAX22192 Tests”， 0）;

　　TEST_print_header（“HW”， 0）;

　　//Read input for channel 1

　　di_ch = DI1;

　　error = MAX22192_read_input（di_ch）;

　　printf（“Test- MAX22192_read_input（%d）： %d”， di_ch， error）;

　　TEST_print_pass（error == 1， 1）;

　　。 . 。

　　/* ************************************************************************* */

　　int TEST_MAX14912_run_tests（void）{

　　int error;

　　int counter;

　　do_channel_t do_ch;

　　do_mode_t do_mode;

　　uint8_t do_value;

　　TEST_print_line（0， 0， 0）;

　　TEST_print_header（“MAX14912 Tests”， 0）;

　　TEST_print_header（“HW”， 0）;

　　//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 的示例軟件平臺(tái)包括測(cè)試代碼，可展示外設(shè)操作的基本設(shè)計(jì)模式，包括從 Maxim Integrated MAX22192 數(shù)字輸入 IC 中的單個(gè)通道讀取 （MAX22192_read_input（）），以及將 （MAX14912_write_mode（）） 寫入 Maxim Integrated MAX14912 數(shù)字輸入 IC 中的單個(gè)通道。（代碼來(lái)源：Maxim Integrated）

　　結(jié)語(yǔ)

　　動(dòng)態(tài)制造、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及其他先進(jìn)人工智能方法等高級(jí)應(yīng)用取決于傳感器、致動(dòng)器及其他工業(yè)設(shè)備是否可靠連接。Maxim Integrated Go-IO PLC 模塊化系統(tǒng)和參考設(shè)計(jì)可為現(xiàn)有環(huán)境提供現(xiàn)成的平臺(tái)，并且可為滿足新興需求提供可擴(kuò)展的基礎(chǔ)。通過(guò)在 Go-IO PLC 平臺(tái)上構(gòu)建，開(kāi)發(fā)人員可以快速部署緊湊型 PLC 解決方案，從而實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的制造系統(tǒng)。