システムボード 5819

Santa Cruz (MAXREFDES23#):IO-Link光センサー



はじめに

Santa Cruzは、環境光(クリア)、赤色光、緑色光、青色光、赤外線、および温度の6種類の全内蔵センサーを6.5mm x 25mmの小型プリント基板(PCB)上に備えた、世界最小のIO-Link光センサーです。Maxim Integrated、Renesas® Electronics、およびTechnologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE)が協力し、IO-Linkバージョン1.1/1.0準拠の光センサーリファレンスデザインとしてSanta Cruzを設計しました。Santa Cruzデザインは、業界標準のMaxim IntegratedのIO-Linkデバイストランシーバ(MAX14821)、TMG TEのIO-Linkデバイススタックを利用するRenesasの超低電力、16ビットマイクロコントローラ(RL78)、およびMaxim Integratedの光センサー(MAX44008)で構成されます。図1を参照してください。1980年代以降、産業用フィールドバスにより、より賢い機器、より素早い設置、配線の低減、およびより簡単な保守が実現されてきました。しかしながら、共通に使用できる単一規格が無かったことにより、混乱や、トレーニングの課題、高コスト、および機器間の互換性の問題も発生しています1。IO-Linkは、国際規格(IEC 61131-9)として採用された、センサーやアクチュエータとの通信に使用される最初のオープンな、フィールドバスに依存しない、低コストのポイント間シリアル通信プロトコルです2。IO-Linkは最終的に、世界中の産業用機器との相互運用性を標準化します。IO-LinkはPLCから直接設置することも、また、すべての標準フィールドバスに組み込むこともできるため、急速に、Santa Cruz (MAXREFDES23#)のようなスマートデバイスとユニバーサルに通信するための事実上の業界標準となっています。シンプルながらインテリジェントであるIO-Linkによって、業界最小の低コストスマートセンサーが可能になります。

Santa Cruz (MAXREFDES23#):IO-Link光センサー


図1. Santa Cruzリファレンスデザインのブロック図

特長

アプリケーション

  • 世界最小のIO-Link光センサー:6.5mm x 25mm
  • 低コスト
  • IEC 61131-9
  • IO-Linkバージョン1.1および1.0準拠
  • フィールドバスに依存しない
  • TVS (過渡電圧サプレッサ)ダイオードの準拠規格
    IEC 61000-4-2 (ESD)
    IEC 61000-4-4 (EFT)
  • 自動センサー置換
  • 低電力
  • 逆極性および短絡保護

競争優位性

  • 最小サイズ
  • M12丸型ハウジング対応/大型のボックスケース不要
  • 低コスト
  • IO-Linkセンサー
  • 産業用光センサー
  • カラーセンサー
  • コントラストセンサー
  • カラーソーティング
  • ガス、液体分析
  • ラベル確認
  • リッド挿入検証
  • 収縮包装確認
  • 耐タンパーシール確認
  • 目視検査の代替
  • 自動ディスプレイ輝度
  • プロセス制御
  • 産業オートメーション
  • PLC

はじめに


1980年代以降、産業用フィールドバスにより、より賢い機器、より素早い設置、配線の低減、およびより簡単な保守が実現されてきました。しかしながら、共通に使用できる単一規格が無かったことにより、混乱や、トレーニングの課題、高コスト、および機器間の互換性の問題も発生しています1。IO-Linkは、国際規格(IEC 61131-9)として採用された、センサーやアクチュエータとの通信に使用される最初のオープンな、フィールドバスに依存しない、低コストのポイント間シリアル通信プロトコルです2。IO-Linkは最終的に、世界中の産業用機器との相互運用性を標準化します。IO-LinkはPLCから直接設置することも、また、すべての標準フィールドバスに組み込むこともできるため、急速に、Santa Cruz (MAXREFDES23#)のようなスマートデバイスとユニバーサルに通信するための事実上の業界標準となっています。シンプルながらインテリジェントであるIO-Linkによって、業界最小の低コストスマートセンサーが可能になります。

Santa Cruzは、環境光(クリア)、赤色光、緑色光、青色光、赤外線、および温度の6種類の全内蔵センサーを6.5mm x 25mmの小型プリント基板(PCB)上に備えた、世界最小のIO-Link光センサーです。Maxim Integrated、Renesas® Electronics、およびTechnologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE)が協力し、IO-Linkバージョン1.1/1.0準拠の光センサーリファレンスデザインとしてSanta Cruzを設計しました。Santa Cruzデザインは、業界標準のMaxim IntegratedのIO-Linkデバイストランシーバ(MAX14821)、TMG TEのIO-Linkデバイススタックを利用するRenesasの超低電力、16ビットマイクロコントローラ(RL78)、およびMaxim Integratedの光センサー(MAX44008)で構成されます。図1を参照してください。


図1. Santa Cruzリファレンスデザインのブロック図

特長

アプリケーション

  • 世界最小のIO-Link光センサー:6.5mm x 25mm
  • 低コスト
  • IEC 61131-9
  • IO-Linkバージョン1.1および1.0準拠
  • フィールドバスに依存しない
  • TVS (過渡電圧サプレッサ)ダイオードの準拠規格
    IEC 61000-4-2 (ESD)
    IEC 61000-4-4 (EFT)
  • 自動センサー置換
  • 低電力
  • 逆極性および短絡保護

競争優位性

  • 最小サイズ
  • M12丸型ハウジング対応/大型のボックスケース不要
  • 低コスト
  • IO-Linkセンサー
  • 産業用光センサー
  • カラーセンサー
  • コントラストセンサー
  • カラーソーティング
  • ガス、液体分析
  • ラベル確認
  • リッド挿入検証
  • 収縮包装確認
  • 耐タンパーシール確認
  • 目視検査の代替
  • 自動ディスプレイ輝度
  • プロセス制御
  • 産業オートメーション
  • PLC

ハードウェアの詳細

Santa Cruzは、スペースに制限のある産業制御/産業オートメーションの光検知アプリケーションに適合するようにサイズが最適化されています。産業環境の過酷な条件への適合を確保するため、個別部品のケースサイズが慎重に選択されています。

IO-LinkデバイストランシーバのMAX14821は、IO-Linkバージョン1.1/1.0物理層に準拠し、3.3V/5Vリニアレギュレータ、設定可能な出力(プッシュプル、pnpまたはnpn)、逆極性/短絡保護、広範な障害監視のすべてを、小型2.5mm x 2.5mmのWLPパッケージに内蔵しています。

環境光(クリア)、赤色光、緑色光、青色光、赤外線、および温度データは、I2Cインタフェースを介して継続的にMAX44008から読み取ることができます。この光センサーは6つのセンサーを内蔵し、各センサーがそれぞれ専用のPGAと14ビットADCを超小型2mm x 2mm光OTDFNパッケージに内蔵しています。M12丸型ハウジングへの対応を可能にし、カスタム光パイプによる高コスト化を防ぐには、基板エッジに対して直角に受光することが重要です。そのため、図2に示すように、MAX44008は非常に小型の半月形の基板上に配置され、その基板がSanta Cruzボードの先端にはんだ付けされています。

消費電流が最小66µA/MHzの超低電力マイクロコントローラのRL78/G1Aが、Santa Cruz上のシステム制御を提供します。このマイクロコントローラは、64KBの内蔵プログラマブルフラッシュメモリと4KBの内蔵データフラッシュを備え、最小1.8Vで動作し、小型3mm x 3mmのLGAパッケージに実装されています。

TVS (過渡電圧サプレッサ)ダイオードは、すべてが同等ではありません。TVSダイオードのSDC36は、クランプ電圧が55V以下で、IEC 61000-4-2 (ESD)とIEC 61000-4-4 (EFT)の両方に適合します。より小型のTVSダイオードの多くは、これらの全仕様を満たすことができません。

24V (18V~30V)システムで抵抗を選択する際には、注意が必要です。設計者にとっては最小サイズの部品が必要かも知れませんが、通常動作時に24Vに接続される場合は、0201ケースサイズの抵抗は使用しないでください。抵抗は、たとえ最大電力定格を超えなくても、最大動作電圧を超えることによって故障する可能性があります。

Santa Cruzは業界標準のM12コネクタを使用しているため、4線式(または従来の3線式)ケーブルを使用してコストを低く抑えることができます。6つのバイナリセンサーを付加する場合、従来の方法では6組の3線式ケーブルが必要でした。6つのバイナリセンサーの代わりに、単一のIO-Linkチャネル上で6つのスマート14ビットセンサーを使用すると、1本の3線式ケーブルのみが必要となります。Santa Cruzはこのすべてを実現しながら、消費電流は12mA (typ)以下です。


図2. 標準AAA電池と並べたSanta Cruzリファレンスデザイン

ソフトウェアの詳細

Santa Cruzは、TMG TEのTMG IO-Link Device Tool V3を使用して検証されています。このツールは、TMG-USB IO-LinkマスターTSハードウェアを購入すると付属します。詳細については、 TMG TEまでお問い合わせください。Santa Cruzは、BalluffのIO-Link Device Toolバージョン2.11.1を使用した検証も行われています。このツールは、Balluff USB IO-Linkマスター(製品番号BNI USB-901-000-A501)を購入すると付属します。発注については、Balluffまたはお近くの販売代理店までお問い合わせください。本ドキュメント末尾の「全設計ファイル」の項に記載されているIODDファイル(*.xml)をダウンロードし、後半の「クイックスタート」の項に進んで、ソフトウェアの使用方法に関するステップバイステップの説明を参照してください。図3は、BalluffのIO-Link Device Toolのスクリーンショットを示します。

IQ2 Developmentも、MAXREFDES23#に移植されたIO-Linkデバイススタックを提供しています。同社の最新のソースコードおよびドキュメントは、下記のリンクから入手可能です。

http://iq2-development.com/downloads
http://iq2-development.com/iqmaxrefdes23

IQ2 DevelopmentのIO-Linkデバイススタックの詳細については、下記の同社サイトでお問い合わせください。

www.iq2-development.com


図3. BalluffのIO-Link Device Toolバージョン2.11.1

ファームウェアの詳細

Santa Cruzは、そのままIO-Linkマスターに接続することができるIO-Link光センサーとして動作するように事前プログラムされて出荷されます。ファームウェアはRenesas RL78マイクロコントローラをターゲットとしており、図4に示す簡素なフローチャートに従って動作します。このファームウェアはIAR SystemsのIAR embedded workbenchを使用してC言語で書かれており、TMG TEのIO-Linkデバイススタックを利用しています。


図4. Santa Cruzファームウェアのフローチャート

活線挿入後、Santa CruzはIO-Linkマスターからのウェイクアップ信号を待ちます。ウェイクアップ信号を受信すると、Santa CruzはIO-Linkマスターの230.4kbpsのボーレート(COM3)に同期します。通信パラメータが交換されます。その後、Santa Cruzはセンサー処理データをIO-Linkマスターに送信することによって、2msごとの周期的なデータ交換を開始します。センサーが取り除かれると、IO-Linkマスターはセンサーがなくなったことを検出します。

使用例の詳細

Santa Cruzを購入する前に、2種類の使用例を検討してください。使用例1は、図5に示すように、ユーザーが用意したIO-LinkマスターおよびIO-Linkケーブルにそのまま接続することができるように事前プログラムされているSanta Cruzを簡素に使用する場合です。使用例2は、図6で示すように、ファームウェア開発システム全体が必要になる場合です。


図5. 使用例1:Santa Cruzクイックスタートシステム

表1. 使用例1に必要な推奨部品

Use Case #1 (Santa Cruz quick start system)
Company Description Orderable Part Number
Maxim Integrated

Santa Cruz IO-Link Light Sensor
(ships programmed)

Includes: Half moon board

MAXREFDES23#
Balluff USB IO-Link Master BNI USB-901-000-A501
Balluff IO-Link Cable (4-wire/2m) BCC05MC


図6. 使用例2:Santa Cruzファームウェア開発システム

表2. 使用例2に必要な推奨部品

Use Case #2 (Santa Cruz firmware development system—Renesas Starter Kit)
Company Description Orderable Part Number
Renesas Electronics

Renesas Starter Kit Includes:

IAR Embedded Workbench for Renesas RL78

Santa Cruz (MAXREFDES23#)

Programming Adaptor (MAXREFDES23DB#)
Contact Renesas
Renesas Electronics E1 Programmer/Debugger R0E000010KCE00
Balluff USB IO-Link Master BNI USB-901-000-A501
Balluff IO-Link Cable (4-wire/2m) BCC05MC

ソースコードは、使用例2 (Renesas Starter Kit)のみ提供されています。詳細については、Renesas Electronicsまでお問い合わせください。

クイックスタート(使用例1)

必要な機器:

マキシムから購入するもの:

  • Santa Cruz (MAXREFDES23#)ボード

ユーザーが用意するもの:

  • USBポートを備えたWindows® PC
  • Balluff USB IO-Linkマスター、製品番号BNI USB-901-000-A501
  • Balluff IO-Link Device Tool (バージョン2.11.1でテスト済み、IO-Linkマスターに付属)
  • M12 4ピンまたは3ピンIO-Linkケーブル(BCC05MC)

注:Balluffのソフトウェアを購入する前に、ご使用中のWindowsのバージョンがサポート対象であることを同社にご確認ください。

Santa Cruz Quick Start Guideをダウンロードして読み、記載されている各ステップに注意深く従ってください。

実験室での測定結果

使用した機器:

  • Thorlabs MCWHL5—マウント済み冷白色高出力LED、1000mA
  • Thorlabs DC2100—パルス変調機能付き高出力、1チャネルLEDドライバ、2A、24V
  • Thorlabs CR1-27—連続回転ステージ
  • Thorlabs TDC001—T-cube DCサーボモーターコントローラ
  • Thorlabs PM100D—小型パワー&エネルギーメーターコンソール、デジタル4インチLCD
  • USBポートを備えたWindows 7 PC
  • Santa Cruz (MAXREFDES23#)ボード
  • プログラミングアダプタ(MAXREFDES23DB#)ボード
  • Balluff USB IO-Linkマスター、製品番号BNI USB-901-000-A501
  • Balluff IO-Link Device Tool (バージョン2.11.1でテスト済み、IO-Linkマスターに付属)
  • M12 4ピンまたは3ピンIO-Linkケーブル
  • RD23_RL78_VXX_XX.ZIP (IODDファイル)、ただしXX_XX = Webページで提供される最新バージョン
  • Tektronix® TDS2024B—4チャネル200MHz/2GSpsオシロスコープ

Santa Cruzデザインを試験するときは、特別な注意を払い、適切な機器を使用する必要があります。あらゆる高精度設計の試験で重要なのは、試験対象の設計よりも高精度の信号源および測定機器を使用することです。Thorlabsの機器とTektronixのオシロスコープは、これらの実験室での測定のための機器として適切な選択でした。図7は、Santa Cruzの読み値が、水平と垂直の両方の回転による入射角の変化と非常に良く一致していることを示します。これらの測定値は、センサーエンクロージャレンズなし、センサーエンクロージャもなしで取得しました。図8は、Santa CruzがIO-Linkマスターと2msごとの周期的なデータ交換を行っている状態を示します。図9~11に示すように、Santa Cruzは、あらゆるセンサーに不可欠な活線挿入イベントの処理で故障しない堅牢性があります。


図7. AMBPGA [1:0] = 00、AMBTIM [2:0] = 000の条件でのSanta Cruzのクリア放射パターン


図8. Santa CruzとIO-Linkマスター間の2msごとの周期的データ通信


図9. 24V電源をSanta Cruz (M12-1)に活線挿入したときの100µsのタイムベースのオシロスコープ画面


図10. 24V電源をSanta Cruz (M12-1)に活線挿入したときの10µsのタイムベースのオシロスコープ画面


図11. 24V電源をSanta Cruz (M12-1)に活線挿入したときの50nsのタイムベースのオシロスコープ画面

参考文献

  1. Fieldbus Incの「IEC61158 Technology Comparison」研究、スライド58:「Fieldbus Technology Challenges」。
  2. IO-Link System Description 2013」、IO-Link Company Community。P.3、序文。

IO-Linkはifm electronic GmbHの登録商標です。
RenesasはRenesas Electronics Corporationの登録商標および登録サービスマークです。
TektronixはTektronix, Inc.の登録商標および登録サービスマークです。
WindowsはMicrosoft Corporationの登録商標および登録サービスマークです。

クイックスタート(使用例1)

必要な機器:

マキシムから購入するもの:

  • Santa Cruz (MAXREFDES23#)ボード

ユーザーが用意するもの:

  • USBポートを備えたWindows® PC
  • Balluff USB IO-Linkマスター、製品番号BNI USB-901-000-A501
  • Balluff IO-Link Device Tool (バージョン2.11.1でテスト済み、IO-Linkマスターに付属)
  • M12 4ピンまたは3ピンIO-Linkケーブル(BCC05MC)

注:Balluffのソフトウェアを購入する前に、ご使用中のWindowsのバージョンがサポート対象であることを同社にご確認ください。

Santa Cruz Quick Start Guideをダウンロードして読み、記載されている各ステップに注意深く従ってください。

全設計ファイル

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ハードウェアファイル
MAXREFDES23
回路図
部品表(BOM)
PCBレイアウト
PCBガーバー
PCB CAD (PADS 9.0)

MAXREFDES26*
回路図
部品表(BOM)
PCBレイアウト
PCBガーバー
PCB CAD (PADS 9.0)

ファームウェアファイル
RL78プラットフォーム

*MAXREFDES23に付属する半円型のボード

 
Status:
Package:
Temperature:

MAX44008
RGBカラー、赤外線、および温度センサー

  • 光センサーフュージョンによる真の色検出
  • 優れた感度
  • 全体的なシステムの消費電力のために最適化

MAX14821
IO-Linkデバイストランシーバ

  • 規格準拠によって将来を保証するソリューションを確保
  • 高い設計自由度と集積によってSKU (在庫)を削減
  • 内蔵の保護によって堅牢なソリューションを実現
種類 ID PDF タイトル
ユーザーガイド 5825 Santa Cruz (MAXREFDES23#) Quick Start Guide
タイトル 更新日
Process Control Solutions Guide, 2nd ed.
(PDF, 2.03 MB)
22014-04-28