システムボード 5952

MAXREFDES60#:16ビットアナログ出力Micro 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、多数の機器にアナログ信号制御を提供し、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。MAXREFDES60#は、マキシムのMicro PLCアナログ出力カードです。

MAXREFDES60#は、絶縁型電源/データを備えた16ビット高精度0V~10Vアナログ出力を特長とします。MAXREFDES60#の設計は、低ノイズ高速セトリングバッファ(MAX9632)、16ビット低電力DAC (MAX5216)、超高精度4.096V電圧リファレンス(MAX6126)、600VRMSデータ絶縁(MAX14850)、STMicroelectronics®の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(MAX17552)、および絶縁型の安定化+15V、+5.5V、-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250mW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。MAXREFDES60#は産業用Micro PLCアプリケーションを対象としていますが、高精度のアナログ出力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。


図1. MAXREFDES60#リファレンスデザインのブロック図

特長

  • 高精度
  • 出力電圧:0~10V (±20%オーバーレンジ)
  • 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、多数の機器にアナログ信号制御を提供し、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。MAXREFDES60#は、マキシムのMicro PLCアナログ出力カードです。

MAXREFDES60#は、絶縁型電源/データを備えた16ビット高精度0V~10Vアナログ出力を特長とします。MAXREFDES60#の設計は、低ノイズ高速セトリングバッファ(MAX9632)、16ビット低電力DAC (MAX5216)、超高精度4.096V電圧リファレンス(MAX6126)、600VRMSデータ絶縁(MAX14850)、STMicroelectronics®の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(MAX17552)、および絶縁型の安定化+15V、+5.5V、-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250mW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。MAXREFDES60#は産業用Micro PLCアプリケーションを対象としていますが、高精度のアナログ出力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。


図1. MAXREFDES60#リファレンスデザインのブロック図

特長

  • 高精度
  • 出力電圧:0~10V (±20%オーバーレンジ)
  • 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. MAXREFDES60#リファレンスデザインの電力要件

Power Type Input Voltage (V) Input Current (mA, typ)
On-board isolated power 24 10

注:STM32およびFTDIはUSBによって個別に給電されます。

アナログ出力回路は、16ビット、レール・ツー・レールDACのMAX5216 (U401)と、低ノイズ高速セトリングオペアンプのMAX9632 (U403)で構成されます。DAC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5V電圧リファレンスのMAX6126 (U402)によって駆動されます。DACの出力は0V~5Vで、オペアンプは信号を0V~10V (マージン20%)に増幅します。

MAXREFDES60#は、超高効率のMAX17498C (U501)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 (U102)、MAX1659 (U103)、およびMAX1735 (U104)は、安定化後の+15V、+5.5V、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 (U301)は、データの絶縁を提供します。組合せで実現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MAX17552 (U101)は、USBからの+5V電源を+3.3Vに変換し、STM32 (U1)マイクロコントローラおよびFTDI (U201) USB-UARTブリッジに給電します。

DACコードから出力電圧に変換する式は、次のとおりです。

VOUT = 12 × CODEDAC/65536

ファームウェアの詳細

MAXREFDES60#は、ボード上のSTM32F4マイクロコントローラを使用してDACと通信します。端末プログラムを介してDAC出力コードを設定します。また、MAXREFDES60#を使用してカスタマイズした正弦波を生成することもできます。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® µVision® 5ツールを使用してC言語で書かれています。


図2. MAXREFDES60#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、およびユーザーがカスタマイズした正弦波の生成が可能です。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
  • MAXREFDES60#ボード
  • 24V電源
  • 電圧計

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. MAXREFDES60#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、MAXREFDES60#ボードのPGNDコネクタに接続します。24V電源の正の端子を、MAXREFDES60#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MAXREFDES60#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. MAXREFDES60#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、電圧計の負の端子をP401端子ブロックのGND端子に接続します。電圧計の正の端子をP401端子ブロックのOUT端子に接続します。各出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1を押下して、DAC出力の設定を選択します。
  10. 7FFFと入力し、Enterキーを押下します。
  11. 出力電圧が約6V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:

  • マキシムのカスタムFPGAテストボード
  • Agilent® 3458Aデジタルマルチメーター
  • Agilent E3631A DC電源
  • National Instruments® GPIBカードおよびケーブル
  • FPGA開発キットおよび測定機器を制御するためのPerlスクリプト
  • Windows PC
  • MAXREFDES60#ボード

0V~10V電圧出力(20%オーバーレンジ)のDNL、INL、およびTUEの測定値を、それぞれ図4図5、および図6に示します。


図4. 0V~10V出力のDNL、20%オーバーレンジ


図5. 0V~10V出力のINL、20%オーバーレンジ


図6. 0V~10V出力の出力誤差、20%オーバーレンジ

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。

µVisionはARM, Inc.の登録商標です。
AgilentはAgilent Technologies, Inc.の登録商標および登録サービスマークです。
KeilはARM Limitedの登録商標および登録サービスマークです。
National InstrumentsはNational Instruments Corporationの登録商標です。
STMicroelectronicsはSTMicroelectronics, 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
  • MAXREFDES60#ボード
  • 24V電源
  • 電圧計
Procedure
 
Status:
Package:
Temperature:

MAX17552
60V、100mA、超小型、高効率、同期整流ステップダウンDC-DCコンバータ、自己消費電流22µA

  • 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

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

MAX5216
14/16ビット、低電力、バッファ付き出力、レール・ツー・レールDAC、SPIインタフェース内蔵

  • 低電力消費(80µA max)
  • 14/16ビット分解能を3mm x 5mm、8ピンµMAXパッケージで提供
  • 相対精度

MAX9632
36V、高精度、低ノイズ、高帯域アンプ

  • 高分解能ADCドライバアプリケーションに最適なDCおよびAC性能
  • 高電圧フロントエンド用の広い電源範囲
  • ESD保護によって信頼性を向上

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