システムボード 5943

MAXREFDES61#: 16-Bit Four-Channel Analog Input Micro PLC Card



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はじめに

Industry 4.0は第4次産業革命に相当し、分散型の、自律的な制御システムを特長とします。Industry 4.0は、大型で中央集中化された従来のプログラマブルロジックコントローラを排除し、非常に設定自由度の高い、高度にモジュール化された工場を実現します。それらの工場は、増え続けるセンサー入力を受け付けるとともに、これまで以上の生産量で稼働します。超小型PLC (またはMicro PLC)は、Industry 4.0工場の中核となり、超小型パッケージに実装され、超低消費電力で高性能を提供します。MAXREFDES61#は、マキシムのMicro PLC、4チャネル、アナログ入力カードです。

MAXREFDES61#は、絶縁型電源/データを備えた16ビット高精度4チャネルアナログ入力を特長とします。2つの入力チャネルは-10V~+10Vの信号を受け付け、他の2つの入力は4mA~20mAの信号を受け付けます。MAXREFDES61#の設計は、2つの低ノイズ低歪バッファ(MAX9633)、16ビット4チャネルマルチレンジ入力ADC (MAX1301)、電流入力チャネル用の2つの高電圧4~20mA電流プロテクタ(MAX14626)、超高精度4.096V電圧リファレンス(MAX6126)、600VRMSデータ絶縁(MAX14850)、STM32F4マイクロコントローラ、FTDI USB-UARTブリッジ、高効率DC-DCコンバータ(MAX15062)、および絶縁型の安定化+15V、+5V、-3V電源レール(MAX17498C/MAX8719/MAX1659/MAX1735)を内蔵しています。システム全体は通常500mW以下で動作し、ほぼクレジットカード大のスペースに収まります。MAXREFDES61#は産業用、Micro PLCアプリケーションを対象としていますが、高精度のアナログ-デジタル変換を必要とする任意のアプリケーションで使用することができます。システムのブロック図を図1に示します。


図1. MAXREFDES61#リファレンスデザインのブロック図

特長

  • 高精度
  • 入力電圧:-10~+10V ±20%
  • 入力電流:4~20mA +20%
  • 絶縁型電源およびデータ
  • Micro PLC形状
  • デバイスドライバ
  • Cソースコード例
  • 試験データ

アプリケーション

  • 産業用制御およびオートメーション
  • プロセス制御
  • PLC
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はじめに

Industry 4.01は第4次産業革命に相当し、分散型の、自律的な制御システムを特長とします。Industry 4.0は、大型で中央集中化された従来のプログラマブルロジックコントローラを排除し、非常に設定自由度の高い、高度にモジュール化された工場を実現します。それらの工場は、増え続けるセンサー入力を受け付けるとともに、これまで以上の生産量で稼働します。超小型PLC (またはMicro PLC)は、Industry 4.0工場の中核となり、超小型パッケージに実装され、超低消費電力で高性能を提供します。MAXREFDES61#は、マキシムのMicro PLC、4チャネル、アナログ入力カードです。

MAXREFDES61#は、絶縁型電源/データを備えた16ビット高精度4チャネルアナログ入力を特長とします。2つの入力チャネルは-10V~+10Vの信号を受け付け、他の2つの入力は4mA~20mAの信号を受け付けます。MAXREFDES61#の設計は、2つの低ノイズ低歪バッファ(MAX9633)、16ビット4チャネルマルチレンジ入力ADC (MAX1301)、電流入力チャネル用の2つの高電圧4~20mA電流プロテクタ(MAX14626)、超高精度4.096V電圧リファレンス(MAX6126)、600VRMSデータ絶縁(MAX14850)、STM32F4マイクロコントローラ、FTDI USB-UARTブリッジ、高効率DC-DCコンバータ(MAX15062)、および絶縁型の安定化+15V、+5V、-3V電源レール(MAX17498C/MAX8719/MAX1659/MAX1735)を内蔵しています。システム全体は通常500mW以下で動作し、ほぼクレジットカード大のスペースに収まります。MAXREFDES61#は産業用、Micro PLCアプリケーションを対象としていますが、高精度のアナログ-デジタル変換を必要とする任意のアプリケーションで使用することができます。システムのブロック図を図1に示します。


図1. MAXREFDES61#リファレンスデザインのブロック図

特長

  • 高精度
  • 入力電圧:-10~+10V ±20%
  • 入力電流:4~20mA +20%
  • 絶縁型電源およびデータ
  • Micro PLC形状
  • デバイスドライバ
  • Cソースコード例
  • 試験データ

アプリケーション

  • 産業用制御およびオートメーション
  • プロセス制御
  • PLC

ハードウェアの詳細

電力要件を表1に示します。

表1. MAXREFDES61#リファレンスデザインの電力要件

電源タイプ 入力電圧(V) 入力電流(mA, typ)
ボード上の絶縁型電源 24 20

注:STM32およびFTDIはUSBによって個別に給電されます。

MAX1301 (U1)は、選択可能なマルチレンジ入力機能を備えた高集積、16ビット、4チャネルADCです。このADCは、17kΩ入力のアナログ入力バッファも内蔵しています。ADCのリファレンス入力は、初期精度0.02%および最大温度係数(tempco) 3ppm/℃の超高精度4.096V電圧リファレンスのMAX6126 (U3)によって駆動されます。チャネル0およびチャネル1は4~20mAの電流ループ入力に使用され、チャネル2およびチャネル3は±10Vの電圧入力に使用されます。

電流入力回路は、2つの高電圧電流プロテクタのMAX14626 (U4、U5)とデュアル低ノイズ低歪オペアンプのMAX9633 (U2)で構成されます。MAX14626は、電流入力回路を大入力電流から保護します。MAX9633と499Ωの検出抵抗は、ADCのチャネル0およびチャネル1の入力範囲に応じて4~20mAの信号を0V~10Vの信号に変換します。

MAXREFDES61#は、超効率的なMAX17498C (U13)を使用して24V電源から絶縁型+17.5V、+7.5V、および-5Vレールを生成します。MAX8719 (U10)、MAX1659 (U11)、およびMAX1735 (U12)は、安定化後の+15V、+5V、および-3Vレールを提供します。デジタルデータアイソレータのMAX14850 (U6)は、データの絶縁を提供します。組合せで達成される電源とデータの絶縁は600VRMSです。

ステップダウンDC-DCコンバータのMAX15062 (U9)は、USBからの+5V電源を+3.3Vに変換し、STM32 (U7)マイクロコントローラおよびFTDI (U8) USB-UARTブリッジに給電します。

ファームウェアの詳細

MAXREFDES61#は、ボード上のSTM32F4マイクロコントローラを使用してADCと通信し、サンプルを内蔵SRAMに保存します。ユーザーは、サンプリングされたデータを端末プログラムを介して読み取り、任意のサードパーティー製ソフトウェア上で分析することができます。簡素な処理フローを図2に示します。ファームウェアは、Keil µVision5ツールを使用してC言語で書かれています。


図2. MAXREFDES61#のファームウェアのフローチャート

ファームウェアは、コマンドの受信、ステータスの書込み、およびサンプリングしたデータブロックを仮想COMポート経由で標準端末プログラムにダウンロードすることが可能です。お客様の開発を迅速化するために、完全なソースコードが提供されています。コードの説明は、対応するファームウェアプラットフォームファイルに記載されています。

クイックスタート

必要機器:

  • USBポートを備えたWindows® PC
  • MAXREFDES61#ボード
  • 24V電源
  • 5V DC電圧ソース

手順

このリファレンスデザインは、完全実装および試験済みです。以下のステップに従って、ボードの動作を確認してください。

  1. 24V電源をオフにするか、オフのままにします。
  2. MAXREFDES61#は、FTDI USB-UARTブリッジICを利用します。WindowsがFTDI USB-UARTブリッジIC用のドライバを自動的にインストールすることができない場合は、www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htmからドライバをダウンロードしてください。
  3. 24V電源の負の端子を、MAXREFDES61#ボードのPGNDコネクタに接続します。24V電源の正の端子を、MAXREFDES61#ボードの+24Vコネクタに接続します。
  4. 24V電源をオンにします。
  5. PCとMAXREFDES61#ボードをUSBケーブルで接続します。
  6. PC上でハイパーターミナルまたは同等の端末プログラムを起動します。適切なCOMポート(通常はCOM4、またはCOM6などの上位の番号のポート)を選び、接続を921600、n、8、1、なし(フロー制御)に設定します。
  7. MAXREFDES61#ソフトウェアがメニューを表示します(図3)。
  8. 直ちに信号を試験するため、5V DC電圧ソースの負の端子をJ3端子ブロックのGND端子に接続します。5V電圧ソースの正の端子をJ3端子ブロックのV1端子に接続します。各入力のラベルはボードの裏面に表示されています。
  9. 端末プログラムで0を押下して、連続サンプリングを開始します。
  10. 2を押下して、チャネル2を選択します。
  11. ADC出力コードが約46100であることを確認します。

図3. 端末プログラムのメインメニュー
図3. 端末プログラムのメインメニュー

実験室での測定結果

使用した機器:

  • 信号源のAudio Precision® SYS-2722または同等品
  • 電圧キャリブレータDVC-8500
  • Windows PC、USBポート
  • MAXREFDES61#ボード
  • +24V電源

MAXREFDES61#の設計を試験するときは、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。以下に示す結果を再現するには、低歪みの信号源が絶対に必要です。入力信号は、Audio Precision SYS-2722を使用して生成しました。FFTは、Mitov Software社のSignalLabに含まれるFFTコントロールを使用して作成しました。図4図5図6図7は、試験結果のFFTおよびヒストグラムを示します。


図4. AC FFT、チャネルV2、ボード上の絶縁型電源、-12V~+12V 5kHzの正弦波電圧入力信号、17kΩの入力インピーダンス、50kspsのサンプルレート、室温、およびBlackman-Harris窓を使用


図5. AC FFT、チャネル3 (AIN3)、ボード上の絶縁型電源、-2.5V~+2.5V 5kHzの正弦波電圧入力信号、17kΩの入力インピーダンス、50kspsのサンプルレート、室温、およびBlackman-Harris窓を使用


図6. DCヒストグラム、チャネルI2、ボード上の絶縁型電源、0Vの入力信号、50kspsのサンプルレート、65,536サンプル、室温、コードの98.7%が中央の3 LSBに含まれる7 LSBのコード分布、および0.677の標準偏差を使用


図7. DCヒストグラム、チャネルI2、ボード上の絶縁型電源、10mAの入力信号、50kspsのサンプルレート、65,536サンプル、室温、コードの96.5%が中央の4 LSBに含まれる8 LSBのコード分布、および0.968の標準偏差を使用

参考文献

  1. この新世代の製造施設は、ドイツではIndustry 4.0と呼ばれ、それ以外の国ではスマートマニュファクチャリングシステムと呼ばれます。「Securing the future of German manufacturing industry, Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0, Final report of the Industrie 4.0 Working Group」 (Industry 4.0 Working Group、Acatech National Academy of Science and Engineering、2013年4月、https://www.acatech.de/wp-content/uploads/2018/03/Final_report__Industrie_4.0_accessible.pdf)を参照してください。以後は、Industrie 4.0と表記します。このIndustrie 4.0レポートはドイツに焦点を合わせていますが、ドイツの研究および結論が示すものは、他の国々の産業に対しても認められます。Stefan Ferber氏の「Industry 4.0 – Germany takes the first steps toward the next industrial revolution」 (Bosch Software Group、Blogging the Internet of Things、2013年10月16日、http://blog.bosch-si.com/industry-4-0-germany-takes-first-steps-toward-the-next-industrial-revolution/)も参照してください。

    Smart Manufacturing Leadershipについては、多数の情報源が存在します。さまざまな問題や話題に関する興味深い概説レポートが、2011年10月20日(木)に米国ミネソタ州ミネアポリスで開催された「Smart Manufacturing Leadership Coalition Committee Working Meeting」の資料(https://smart-process-manufacturing.ucla.edu/workshops/2011-workshop/presentations/SMLC%2010-20-11v3.pdf)に記載されています。また、「Implementing 21st Century Smart Manufacturing, Workshop Summary Report」 (Smart Manufacturing Leadership Coalition、2011年6月24日、https://smart-process-manufacturing.ucla.edu/about/news/Smart%20Manufacturing%206_24_11.pdf)も参照してください。この話題に対する簡単なウェブ検索によって、他にもかなり多数の参考文献が見つかります。

Audio PrecisionはAudio Precision, Inc.の登録商標です。
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

必要機器:

  • USBポートを備えたWindows® PC
  • MAXREFDES61#ボード
  • 24V電源
  • 5V DC電圧ソース
Procedure
 
Status:
Package:
Temperature:

MAX15062
60V、300mA、超小型、高効率、同期整流ステップダウンDC-DCコンバータ

  • 外付け部品を削減し総コストを低減
  • DC-DCレギュレータの在庫数を削減
  • 消費電力を低減

MAX14626
高電圧逆入力対応の4–20mA電流ループプロテクタ

  • 高性能
  • 堅牢なセンサー保護
  • 小型システムでスペースを節約

MAX14850
6チャネルデジタルアイソレータ

  • 高電圧環境からの保護
  • 完全なデジタル絶縁ソリューション
  • 多数のインタフェース規格に適合

MAX17498C
AC-DCおよびDC-DCピーク電流モードコンバータ、フライバック/ブーストアプリケーション用

  • ピーク電流モードコンバータ
  • 電流モード制御によって優れた過渡応答を提供
  • 固定スイッチング周波数

MAX9633
18ビットSAR型ADCフロントエンド用、デュアル36Vオペアンプ

  • 高分解能ADCドライバ
  • 広範囲の産業アプリケーションに対応
  • 信頼性の向上

MAX1301
8/4チャネル、±3 x VREFマルチレンジ入力、シリアル16ビットADC

  • チャネルごとにソフトウェアで設定可能な入力範囲
  • シングルエンド入力範囲(VREF = 4.096V)
  • 差動入力範囲

MAX8719
ノートブックコンピュータ用、高電圧、低電力リニアレギュレータ

  • 入力電圧範囲:4V~28V
  • 自己消費電流:18µA
  • シャットダウン消費電流:3µA未満

  • MAX6126
    超高精度、超低ノイズ、シリーズ電圧リファレンス

    • 超低ノイズ:1.3µVP-P (0.1Hz~10Hz、出力2.048V)
    • 超低温度係数:3ppm/℃ (max)
    • 初期精度:±0.02% (max)

    MAX1735
    200mA、負出力、低ドロップアウトリニアレギュレータ、SOT23

    • 保証出力電流:200mA
    • 低ドロップアウト電圧:200mA出力で80mV
    • 低自己消費電流:85µA

    MAX1659
    350mA、16.5V入力、低ドロップアウトリニアレギュレータ

    • 広入力電圧範囲:2.7V~16.5V
    • 低ドロップアウト:490mV (出力電流350mA、MAX1659)
    • 消費電流:30µA
    タイトル 更新日
    タイトル 更新日
    Process Control Solutions Guide, 2nd ed.
    (PDF, 2.03 MB)
    22014-04-28