摘要
软件可配置系统使工业原始设备制造商(OEM)能够在简化产品复杂性的同时，为工厂车间带来出色的灵活性。本文介绍了用于快速开发和部署自动化系统的Arduino OPTA平台，并探讨了集成到该模块中的ADI公司技术所具备的特性，以及适用于输入/输出(IO)模块中完整信号链的ADI配套解决方案。
简介
控制自动化设备的新型软件可配置输入/输出(SWIO)特性，允许从任何引脚访问任何工业IO功能，并支持随时配置通道。这样便可以在安装时进行自定义，从而加速产品上市，减少设计资源需求，以及实现广泛通用于各种项目和客户的产品。
为了尽量减小可编程逻辑控制器(PLC)的尺寸，并增强其配置能 力，Arduino将AD74412R集成到其微型PLC平台中。图1所示的Arduino OPTA是这种四通道SWIO解决方案的理想平台，楼宇和过程控制环境中的系统架构师和最终用户可以利用Arduino PLC集成开发环境(IDE)轻松编程。SWIO单芯片解决方案将模拟输出、模拟输入、数字输入和电阻温度检测器(RTD)测量等功能，与兼容串行端口接口(SPI)的数据传输和编程结合在一起。
Arduino模块详细信息
Arduino致力于设计、制造并支持电子器件和软件，旨在为全世界提供与物理世界交互的先进技术。他们的产品设计直观、简单且功能强大，可以轻松满足用户的需求。就比如PLC IO扩展模块，它是一款易于配置的工业仪表。
该模块的硬件支持全软件配置，最终用户可以直接从云端对输 入和输出连接进行编程。IO扩展内的AD74412R连接到OPTA PLC，非常灵活，为工业4.0应用提供了一款完全可配置的解决方案。通过用户友好的界面，它能连接各种器件，如阀门、2线RTD、压力传感器、位置传感器、4-20 mA器件、按钮、开关等，并且都可以通过软件进行编程。该组件支持在安全环境中实施工业4.0，其坚固耐用的设计能够提供可靠的保护，并确保符合IEC 61131-3标准。此外，扩展模块还包括两个专门用于3线RTD精密测量的端口。
OPTA扩展增强了硬件功能，同时保持了通过Arduino IDE进行编程的易用性。该开发工具提供了大量立即可用的草图、教程和资源库，采用低代码模式并预先配置了相关资源，能够显著加快项目上线速度。此外，OPTA能够实时进行远程监控，通过直观的Arduino Cloud仪表板实现固件的无线更新，以及与各种连接器件进行安全通信。表1列出了OPTA单元的技术规格，其主要特性如图2所示。
| 输入 | 6个可编程模拟输入
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输出 |
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| 模拟输入分辨率 | 12位 | 模拟输出分辨率 | 12位 |
| 基本模块支持的 编程语言 | 主OPTA控制器支持使用
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可扩展性 | 通过左侧和右侧的AUX端口。可连接到OPTA基本模块或已连接的扩展模块。允许以菊花链形式连接其他扩展模块。 |
| 电源电压 | 24 V DC（通过专用引脚） | 工作温度 | -20°C至+50°C（-4°F至+122°F）/td> |
| IP保护 | IP20 | 认证 | cULus认证、ENEC、CE |
ADI配套解决方案
通过将AD74412R与MAX14906的数字输出功能以及电源、保护、处理、安全和通信解决方案相集成，可以实现完整的通用IO模块。随着工业4.0和工厂数字化的推进，工厂需要更多的I/O接口，而ADP1032等集成电源解决方案可以满足这一需求。该IC不仅提供两个稳压输出，还提供电气隔离，通过隔离SPI和GPIO信号并集成隔离式DC-DC转换器来保护模拟前端。同样，MAX17671有助于实现紧凑的印刷电路板(PCB)设计。该器件可以调节模块的24 V输入，从而尽量减少对外部元件的需求。
除了针对AD74412R的Linux驱动程序外，ADI还提供无操作系统驱动程序，支持为 MAX32650等低功耗微控制器单元(MCU)开发SWIO解决方案。最近的安全问题促使立法机构更加重视制造系统的网络安全，欧盟也因此推出了《网络弹性法案》，强制要求所有“含数字元件的产品”都必须符合网络安全标准。MAX32650具有安全引导和密钥存储功能，可与 MAXQ1065加密控制器配合使用，提供全面的信任根和身份验证解决方案。
结论
使用AD74412R的SWIO非常适合构建远程IO模块。在控制柜外部空间受限的环境中，还无需部署冗余的固定功能IO通道。这些模块巧妙地布置在控制体系中，以将传统的4-20 mA IO桥接到基于以太网的通信。边缘节点具备以太网寻址能力，这为云端算法利用底层洞察提供了便利。T1L和高级物理层(APL)由 ADIN1110（一款稳健可靠的低功耗MAC-PHY）实现，结合LTC9111单对以太网供电(SPoE)电力输送(PD)控制器，为以太网生态系统的这一领域提供了一种效率高、开销低的解决方案。
参考电路
“Cyber Resilience Act–Factsheet.”。欧盟委员会，2023年12月。
