Arduino平台結合ADI技術實現彈性的工業控制

作者：ADI 首席行銷工程師 Conal Watterson、客戶經理 Alessandro Leonardi 及現場應用工程師Giacomo Paterniani

摘要

軟體可配置系統使工業原始設備製造商(OEM)能夠在簡化產品複雜性的同時，為生產廠房帶來卓越的彈性。本文介紹了用於快速開發和部署自動化系統的Arduino OPTA平台，並探討整合到該模組中的ADI技術所具備的特性，以及適用於輸入/輸出(IO)模組中完整訊號鏈的ADI配套解決方案。

簡介

控制自動化設備的新型軟體可配置輸入/輸出(SWIO)特性，允許從任何接腳存取任何工業IO功能，並支援隨時配置通道。如此便可以在安裝時進行自訂，進而加速產品上市，減少設計資源需求，以及實現廣泛通用於各種專案和客戶的產品。

為了儘量減小可編程邏輯控制器(PLC)的尺寸，並增強其配置能力，Arduino將AD74412R整合到其微型PLC平台中。圖1所示的 Arduino OPTA是這種四通道SWIO解決方案的理想平台，建築和程序控制環境中的系統架構師和最終用戶可以利用 Arduino PLC整合式開發環境(IDE)輕鬆編程。SWIO單晶片解決方案將類比輸出、類比輸入、數位輸入和電阻溫度檢測器(RTD)測量等功能，與相容序列埠介面(SPI)的資料傳輸和編程結合在一起。

Arduino模組詳細資訊

Arduino致力於設計、製造並支援電子元件和軟體，目的在為全球提供與實體世界交互的先進技術。其產品設計直覺、簡單且功能強大，可以輕鬆滿足用戶的需求。例如PLC IO擴展模組，其是一款易於配置的工業儀錶。

該模組的硬體支援全軟體配置，最終使用者可以直接從雲端對輸入和輸出連接進行編程。IO擴展內的AD74412R連接到OPTA PLC，非常彈性，為工業4.0應用提供了一款完全可配置的解決方案。透過使用者友善的介面，其能連接各種元件，如閥門、2線RTD、壓力感測器、位置感測器、4-20 mA元件、按鈕、開關等，並且都可以透過軟體進行編程。該元件支援在安全環境中建置工業4.0，其堅固耐用的設計能夠提供可靠的保護，並確保符合IEC 61131-3標準。此外，擴展模組還包括兩個專門用於3線RTD精密測量的埠。

OPTA擴展增強了硬體功能，同時保持了透過Arduino IDE進行編程的易用性。該開發工具提供了大量立即可用的草圖、教程和資源庫，採用低代碼模式並預先配置了相關資源，能夠顯著加快項目上線速度。此外，OPTA能夠即時進行遠端監控，透過直覺的Arduino Cloud儀錶板實現韌體的無線更新，以及與各種連接元件進行安全通訊。表1列出了OPTA單元的技術規格，其主要特性如圖2所示。

ADI配套解決方案

透過將AD74412R與 MAX14906的數位輸出功能以及電源、保護、處理、安全和通訊解決方案相互整合，可以實現完整的通用IO模組。隨著工業4.0和工廠數位化的推進，工廠需要更多的I/O介面，而ADP1032等整合電源解決方案可以滿足此一需求。該IC不僅提供兩個穩壓輸出，還提供電氣隔離，透過隔離SPI和GPIO訊號並整合隔離式DC-DC轉換器來保護類比前端。同樣，MAX17671有助於實現緊湊的印刷電路板(PCB)設計。該元件可以調節模組的24 V輸入，進而儘量減少對外部元件的需求。

除了針對AD74412R的Linux驅動程式外，ADI並提供無作業系統驅動程式，支援為MAX32650等低功耗微控制器單元(MCU)開發SWIO解決方案。最近的安全問題促使立法機構更加重視製造系統的網路安全，歐盟也因此推出了《網路彈性法案》，強制要求所有「含數位元件的產品」都必須符合網路安全標準。MAX32650具有安全引導和金鑰存儲功能，可與MAXQ1065加密控制器配合使用，提供全面的信任根和身份驗證解決方案。

結論

使用AD74412R的SWIO非常適合建構遠端IO模組。在控制櫃外部空間受限的環境中，還無需部署安全備用的固定功能IO通道。這些模組巧妙地佈置在控制體系中，以將傳統的4-20 mA IO橋接到基於乙太網路的通訊。邊緣節點具備乙太網路定址能力，這為雲端演算法利用底層洞察提供了便利性。T1L和進階實體層(APL)由 ADIN1110（一款穩健可靠的低功耗MAC-PHY）實現，結合LTC9111單對乙太網路供電(SPoE)電力輸送(PD)控制器，為乙太網路生態系統的此一領域提供了一種效率高、低成本的解決方案。

參考文獻

“Cyber Resilience Act–Factsheet.”。歐盟委員會，2023年12月。