システムボード 6185

MAXREFDES67#:汎用入力Micro PLC



MAXREFDES67#リファレンスデザインは、産業アプリケーション用の完全な汎用アナログ入力です。この独自の24ビットフロントエンドは、バイポーラ電圧/電流、測温抵抗体(RTD)、および熱電対(TC)入力を許容します。マキシムの超小型Micro PLC形状で作られたMAXREFDES67#は、最大22.3ビットの有効分解能で動作し、温度誤差は-40℃~150℃の範囲にわたってわずか±0.1%です。

使いやすさを高める特長として、革新的なシステムアーキテクチャによって全信号を内部で切り替えるため、接続のタイプに関係なく、コネクタにジャンパや追加の接続は不要です。さらに、このシステムはシグナルチェーンの全要素にマキシムのBeyond-the-Rails機能を備えています。Beyond the Railsは大型電源の必要性を低減し、低電圧電源レールで動作しながら各要素が大きい入力電圧を受け付けることを可能にします。

このボードはmicro USBコネクタを備えているため、迅速にPCに接続して評価することができます。さらに、このボードは電源または付属のAC/DCアダプタからの24V電源を必要とします。詳細および性能データについては、「詳細」タブを参照してください。設計ファイルおよびファームウェアは、「デザインリソース」タブからダウンロード可能です。

特長

  • 高精度
  • 入力電圧:-10V~+10V ±20%
  • 入力電流:-20mA~+20mA ±20%
  • RTDおよびTC試験温度範囲:-40℃~+150℃
  • 入力の方式をソフトウェア制御可能
  • 24V入力保護
  • 絶縁型電源およびデータ
  • ボードおよびセンサー較正
  • Micro PLC形状
  • デバイスドライバ
  • Cソースのサンプルコード
  • 試験データ

競争優位性

  • 柔軟性
  • 市場投入までの時間の短縮
  • 使いやすさ

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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MAXREFDES67#リファレンスデザインのブロック図 拡大表示+


MAXREFDES67#の入力回路のブロック図 拡大表示+

はじめに

汎用アナログ入力は、ファクトリーオートメーションの中で最も実用的で、遍在的な要素です。電流、電圧、RTD、およびTCを柔軟に測定することができるため、汎用入力はあらゆる設備に不可欠な部分となっています。同時に、Industry 4.0は産業用アーキテクチャの大変革であり、分散型の、自律的な制御システムを特長とします。Industry 4.0によって、増え続けるセンサー入力を受け付け、これまでにない高い出力で稼働する、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が実現します。汎用入力を超小型Micro PLC形状で構築することによって、この必須の要素と、Industry 4.0の主要概念が結び付けられます。さらに、このボードは、超低消費電力で高性能を提供する、超小型パッケージに実装された複数の高集積アナログおよびミックスドシグナル製品を必要とします。MAXREFDES67#は、マキシムのMicro PLC、汎用アナログ入力カードです。

MAXREFDES67#は、電圧、電流、RTD、および熱電対の入力信号に対応するアナログ入力と、絶縁型の電源およびデータを備えています。MAXREFDES67#デザインは、2つのBeyond-the-Rails SPSTアナログスイッチ(MAX14759)、2つのBeyond-the-Rails SPDTアナログスイッチ(MAX14763)、デュアルBeyond-the-Railsバッファ(MAX44267)、クワッド低ノイズ低電力オペアンプ(MAX44245)、デジタル温度計(MAX31723)、PGAバッファ内蔵24ビット6チャネルADC (MAX11254)、超高精度4.096V電圧リファレンス(MAX6126)、低電力高精度オペアンプ(MAX44244)、2.75kVRMSデータ絶縁(MAX14930およびMAX14932)、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/安定化+15Vおよび+3.6V電源レール(MAX17498Cおよび2つのMAX17651)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。MAXREFDES67#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および図2に示します。


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Figure 1. The MAXREFDES67# reference design block diagram.

Figure 2. The MAXREFDES67# reference design input circuit block diagram.

Detailed Description of Hardware

The power requirement is shown in Table 1.

Table 1. Power Requirement for the MAXREFDES67# Reference Design

Power Type Input Voltage (V) Input Current (mA, typ)
On-board isolated power 24 20

Note: STM32 and FTDI are powered by USB separately

The MAXREFDES67# reference design is a universal analog input card with isolated power and data. It supports voltage, current, RTD (PT100 and PT1000), and thermocouple (K type) inputs as shown in the configuration diagram of Figure 3. The input circuitry utilizes the digitally controlled analog switches (MAX14759 and MAX14763) to make the appropriate electrical connections for different types of input signals, thus relieving the need for any additional jumpers on the terminal block. The dual beyond-the-rail op amp (MAX44267) buffers the input signal. The quad low-noise low-power op amp (MAX44245) attenuates and also adds 1.5V offset to the input signals. The offset voltage is needed because the ADC is set up to measure positive signals. This setup eliminates the need for a negative voltage reference and voltage supply. The 10:1.15 attenuation is for the -12V to +12V voltage signal, and the 10:9.53 attenuation is for the current, RTD, and TC input signals. The 10:1.15 attenuated signal from the output of the MAX44245 connects to channel 0 of the ADC, and the signal with 10:9.53 attenuation connects to channel 1 of the ADC. The STM32 controller determines which channel to read depending on the input selected. The MAX11254 is a highly integrated, 24-bit, 6-channel ADC with an integrated analog input PGA. The ADC’s reference input is driven by an ultra-high-precision voltage reference, the MAX6126, with 0.02% initial accuracy and a 3ppm/°C maximum temperature coefficient (tempco). An on-board digital thermometer (MAX31723) is placed close to the input terminal block to determine the temperature at the input port and provide the cold junction temperature of the thermocouple.

The MAXREFDES67# uses the ultra-efficient MAX17498C to generate the isolated +17.5V and +7.5V rails from a 24V supply. The two MAX17651 devices provide post-regulated +15V, +3.6V rails. The MAX14930/MAX14932 digital data isolators provide data isolation. The combined power and data isolation achieved is 300VRMS working voltage in pollution degree 2 environment based on material class IIIb per IEC 60950.

The MAX17552 step-down DC-DC converter converts the +5V supply from the USB to +3.3V and powers the STM32 microcontroller and FTDI USB-UART bridge.

A PT100 RTD and a K-type thermocouple are included in the MAXREFDES67# package. For the thermocouple, the yellow wire is the positive signal and the red wire is the negative signal.

Figure 3. The MAXREFDES67# input configurations.

Detailed Description of Firmware

The MAXREFDES67# uses the on-board STM32F4 microcontroller to control the analog switch, read temperature from the digital thermometer, communicate with the ADC, and save the ADC samples in the on-chip SRAM. Users read the sampled data through a terminal program, allowing analysis on any third-party software. Users can also perform system and sensor calibrations through a terminal program. The red color VREF connector on the board is provided for RTD input calibration. The simple process flow is shown in Figure 4. The firmware is written in C using the Keil µVision5 tool.

Figure 4. The MAXREFDES67# firmware flowchart.

The firmware accepts calibration and sampling commands, and is capable of downloading blocks of sampled data to a standard terminal program via a virtual COM port. The complete source code is provided to speed up customer development. Code documentation can be found in the corresponding firmware platform files.

Quick Start

Required equipment:

  • Windows® PC with a USB port
  • MAXREFDES67# board
  • 24V power supply, provided
  • PT100 RTD, provided

Procedure

The reference design is fully assembled and tested. Follow the steps below to verify board operation:

  1. The MAXREFDES67# utilizes the FTDI USB-UART bridge IC. If Windows cannot automatically install the driver for the FTDI USB-UART bridge IC, the driver is available for download from www.ftdichip.com/Drivers/D2XX.htm.
  2. Connect the 24V power supply to the J501 connector on the MAXREFDES67# board.
  3. Connect the RTD across pin 2 and pin 3 of the terminal block.
  4. Connect the USB cable from the PC to the MAXREFDES67# board.
  5. Open Hyperterminal or a similar terminal program on the PC. Find the appropriate COM port, usually a higher number port, such as COM4 or COM6, and configure the connection for 115200, 8-N-1 with no flow control.
  6. The MAXREFDES67# software will display a menu (Figure 5)
  7. Press 1 in the terminal program to select Data Acquisition.
  8. Press 2 to select RTD PT-100 2-wire input.
  9. Press 0 to select Continuous Sampling.
  10. Verify the measured temperature is approximately the room temperature.

Terminal program main menu.Figure 5. Terminal program main menu.

Lab Measurements

Equipment used:

  • K-type Thermocouple (Omnitec EC3TC)
  • PT-100 RTD 1/10 DIN (Omega P-M-1/10-1/4-6-0-G-3)
  • Voltage calibrator DVC-8500
  • Fluke 189 Multimeter
  • Fluke 7341 Calibration Bath
  • Omega HH41 Thermometer
  • ETI Reference Thermometer
  • Fluke 724 Temperature Calibrator
  • Windows PC, a USB port
  • MAXREFDES67# board
  • +24V power supply

Voltage calibrator DVC-8500 and Fluke 189 multimeter were used to calibrate the inputs of the MAXREFDES67#.

Figure 6, Figure 7, Figure 8, Figure 9 show the DC histogram for 0V voltage input and 0A current input sampled at 1.9sps and 1ksps.

Figure 6. Voltage input DC histogram; a 0V input signal; a 1.9sps sample rate; 16384 samples; a code spread of 24 LSBs; a standard deviation of 3.273 (Effective Resolution = 22.3 bits); and the mean of 8µV.

Figure 7. Voltage input DC histogram; a 0V input signal; a 1ksps sample rate; 16384 samples; a code spread of 210 LSBs; a standard deviation of 36.68 (effective resolution = 18.8 bits); and the mean of -7µV.

Figure 8. Current input DC histogram; a 0A input signal; a 1.9sps sample rate; 16384 samples; a code spread of 44 LSBs; a standard deviation of 5.643 (effective resolution = 21.5 bits); and the mean of 357nA.

Figure 9. Current input DC histogram; a 0A input signal; a 1ksps sample rate; 16384 samples; a code spread of 441 LSBs; a standard deviation of 54.49 (effective resolution = 18.2 bits); and the mean of 470nA.

Figure 10 shows the temperature error measured by the MAXREFDES67# RTD input versus temperature referenced to three different thermometers. The references are the Omega HH41 thermometer, the ETI reference thermometer, and Fluke 724 temperature calibrator, respectively. The MAXREFDES67# connected RTD probe (Omega P-M-1/10-1/4-6-0-G-3) was placed in the Fluke 7341 calibration bath and calibrated at 20°C.

Figure 11 shows the temperature error measured by the MAXREFDES67# thermocouple input versus temperature referenced to the same three reference thermometers, the Omega HH41 thermometer, the ETI reference thermometer, and Fluke 724 temperature calibrator, respectively. The MAXREFDES67# connected K-type thermocouple probe was placed in the Fluke 7341 and calibrated at 20°C.

Click on the link below to see the NIST traceable certificate of calibration for the Omega HH41 thermometer used as a reference.

NIST traceable certificate of calibration for the Omega HH41 thermometer

Figure 10. MAXREFDES67# error vs. temperature, using an Omega P-M-1/10-1/4-6-0-G-3, 4-wire RTD calibrated at 20°C.

Figure 11. MAXREFDES67# error vs. temperature, using an Omnitec EC3TC, K-type thermocouple calibrated at 20°C.

For both Figure 10 and 11, the blue data used the Omega HH41 thermometer as a reference. The green data used the ETI reference thermometer as a reference. The red data used the Fluke 724 temperature calibrator as the reference.

Windows is a registered trademark and registered service mark of Microsoft Corporation.

Reference

  1. The new generation of manufacturing production is called Industry 4.0 in Germany and Smart Manufacturing System elsewhere. See, 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, April 2013, https://www.acatech.de/wp-content/uploads/2018/03/Final_report__Industrie_4.0_accessible.pdf. Henceforth cited as Industrie 4.0. Although the Industrie 4.0 report is focused on Germany, the implications of the German research and findings are recognized for industry in other countries. See also Ferber, Stefan, “Industry 4.0 – Germany takes the first steps toward the next industrial revolution,” Bosch Software Group, Blogging the Internet of Things, October 16, 2012, http://blog.bosch-si.com/industry-4-0-germany-takes-first-steps-toward-the-next-industrial-revolution/.

 

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クイックスタート

必要機器:

  • USBポートを備えたWindows® PC
  • MAXREFDES67#ボード
  • 24V電源(付属)
  • PT100 RTD (付属)
手順
 
Status:
Package:
Temperature:

MAX11254
24ビット、6チャネル、64ksps、6.2nV/ PGA、デルタシグマADC、SPIインタフェース内蔵

  • 広いダイナミックレンジを必要とする産業用アプリケーション向けの高分解能
  • ポータブルアプリケーション用バッテリ寿命を延長
  • 単一またはスプリットアナログ電源によって、柔軟な入力電圧範囲を提供

MAX44267
+15V単一電源、デュアルオペアンプ、出力範囲±10V

  • +15V単一電源で±10V以上の真のバイポーラ出力が可能なため負電源のスペースとコストが不要
  • 全温度で高精度検出
  • 広いADCダイナミックレンジを提供する低入力ノイズ:9nV/ (1kHz時)

MAX17651
4V~60V、100mA、超低自己消費電流、リニアレギュレータ

  • 使用が非常に容易
  • リニアレギュレータの在庫数を削減
  • 過酷な産業環境で信頼性の高い動作

MAX14930
4チャネル、2.75kVRMSおよび3.75kVRMSデジタルアイソレータ

  • デジタル信号の堅牢なガルバニック絶縁
  • ほとんどのマイコンやFPGAと直接インタフェース
  • 多数のオプションで広範なアプリケーションに対応

MAX14932
4チャネル、2.75kVRMSおよび3.75kVRMSデジタルアイソレータ

  • デジタル信号の堅牢なガルバニック絶縁
  • ほとんどのマイコンやFPGAと直接インタフェース
  • 多数のオプションで広範なアプリケーションに対応

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

MAX44244
36V、高精度、低電力、90µA、シングル/クワッド/デュアルオペアンプ

  • 敏感な高精度アプリケーション用に消費電力を低減
  • マキシムの特許取得済みオートゼロ回路による精度の向上によって較正コストが不要
  • センサーインタフェースとトランスミッタに最適な低ノイズ

MAX44245
36V、高精度、低電力、90µA、シングル/クワッド/デュアルオペアンプ

  • 敏感な高精度アプリケーション用に消費電力を低減
  • マキシムの特許取得済みオートゼロ回路による精度の向上によって較正コストが不要
  • センサーインタフェースとトランスミッタに最適な低ノイズ

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

MAX14759
レール以上/以下、低オン抵抗アナログスイッチ

  • 電源要件を簡素化
  • 高性能
  • 基板スペースを節減

MAX14763
レール以上/以下、低オン抵抗アナログスイッチ

  • 電源要件を簡素化
  • 高性能
  • 基板スペースを節減

MAX31723
SPI/3線式インタフェース内蔵、デジタル温度計およびサーモスタット

  • 幅広い温度管理アプリケーションのシステム精度を最大化
  • 外付け部品不要でコストを削減
  • 低電圧での電源範囲で性能を拡張:1.7V~3.7V

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)


Micro PLCユニバーサルアナログ入力カード
5:37 min
December 2015