産業向けラズパイ - KUNBUS社製Revolution Pi

Open Source IPC based on Raspberry Pi

これはIIoTゲートウェイ？組み込みコンピュータ?シーケンサ？はたまた小さな制御ユニット？使い方はあなた次第！Revolution Piの機能を探索しよう！

これはRevolution Piの機能を探索していく記事のパート1だ。今回はKUNBUS社から出ているRevolution PiシリーズのRevPi Connect、RevPi Core、RevPi DIOシリーズや、RevPi AIOの設計や内部を調べ、さらにちょっとした回路を組んで動作させてみる。

_{含まれている図などには、間違いがある可能性がございます。間違いを見つけた場合は、こちらまでお知らせください。}

_{ラズパイ３コンピュートモジュールベースのコントローラ}

最初に、RevPi ConnectとRevPi Core3はラズパイ3コンピュートモジュールをベースに作られていることを知ってもらいたい。

Compute Module 3（CM3）は、基本的に必要最低限なものだけ搭載したラズパイ3（BCM2837プロセッサと1GBのRAM）を使用しており、SDカードの代わりに4GBのeMMCが実装されている。

CM3は1.2GHzで駆動するクアッドコアプロセッサを搭載している。これはすべてDDR2 SODIMMのソケットに収まる小さなボードに集約されている。また、フラッシュメモリはボード上のプロセッサに直接取り付けられており、残りの入出力はSODIMMソケットを介して利用できる。

下のボードはRevPi Connectにのみ搭載されている

KUNBUS社製の基板には、最低2個以上のイーサネットコントローラ、リアルタイムクロック（RTC）、2個のUSBポート、RS485、マイクロHDMIコネクター、マイクロUSBポートが備わっている。この中のネットワークポート1個とRS485は他のモジュールとの通信に使用されるため、ユーザーがプログラムすることはできない。また、マイクロUSBポートはプログラミングにのみ使用する。

RevPi Connectには追加のイーサネットコントローラとユーザーのアプリケーションに統合できるRS485が搭載されている。また、RevPi Connect用のコントローラにもデジタル入力用のピンと 1つのオープンリレーの出力が付いている。

下の図では、RevPi Connectのコントローラの基本的な構成要素が確認できる。Core 3のコントローラは、中央のFLEXより左の要素を削除したものである。

実際の回路図を確認したい方は、こちらのリンクをクリック RevPi Connect RevPi Core.

Revolution Piシリーズは設計上、外部の入出力モジュールをプロセッサから直接利用することができない（プロセッサの制御信号と入出力信号が互いに干渉しないようにするため）。入出力値を取得または設定するためには、プログラムはデバイスファイルを介してインターフェースを取らなければならず、基礎になるハンドラは入出力モジュールのサブプロセッサとの間でデータの送受信を行わなければならない。これらの動作は全てSTM32Fxxxマイコンが実行している。

DIOモジュール

次に、RevPi DI,DO,DIOについて紹介する。これらはすべてのバージョンで、Pi Bridge論理回路と入出力が電気的に分離されており(600VRMSまで対応)、また、周囲温度-40°C〜55°C、相対湿度80％まで動作可能な規格EN 61131-2に対応している。さらに、RevPi DIOバージョンでは、入力と出力も電気的に分離されている。

システムのサイクルタイムは一般的に約5ミリ秒から10ミリ秒である。この時間は、入出力値の変更がRevPiのコントローラのメモリに反映されるまでの時間で、詳しく説明すると、ローカルデバイスのファイル内の値が変更された時に、バックグラウンドでモジュールのデータを読み込み、そのデータをメモリに書き込む動作を行う時間である。そのため、大規模な構成ではサイクルタイムがもっと長くなる可能性がある。産業向けのデバイスではタイミングが予測できなければならないので、OSにはジッタとポーリング間隔の変動を減らすための「リアルタイムパッチ」が適用されている。

DIOモジュールのブロック図:

この写真から分かるように、Pi Bridgeはモジュールとインターフェースに利用され、STM32Fxxxはコアプログラムの命令を実行し、デジタル入出力ピンを独立して管理する。ここで、ピンがエンコーダとして指定されている場合を考えてみるが、CNCに使用されるロータリーエンコーダでは、モジュールはコアモジュールのカウントを検出して保持し、要求に応じて値を表示する。この時、コアアプリケーションは、物理ピンをポーリングするタスクを負担する必要はない。出力についても同じことが言え、ピンがPWMに設定されている場合、STM32Fxxxもこれを管理する。ここで注意しなければならない点は、STM32Fxxxとメイン制御モジュールから実際の入出力ピンを完全に分離することだ。これが、図の左側に追加の24V接続が表示されている理由だ。

回路図に関してはこちらのリンクをクリック　DIO,AIO

AIOモジュール

RevPi AIOの構成は、絶縁、STM32Fxxxコントローラ、および自立処理に関してはDIOモジュールと同じである。この製品の最大の特徴は、完全に絶縁されたDC-DCコンバータと電力調整装置を使用して、モジュール独自の24V電源でアナログロジックを駆動できることだ。

AIOモジュールのブロック図:

このモジュールは6つのアナログ入力と2つのアナログ出力をサポートしている:

ご覧のように、幅広い範囲の構成が可能だ:

RTDチャンネル

4つのアナログ入力チャンネルに加えて、RevPi AIOは2つの別々のRTD入力チャンネルも備えている。2つのRTD入力により、Pt100 / Pt1000プローブのような一般的なRTDセンサーを使用して、-165°C〜+ 600°Cの温度を0.5°C間隔で高精度に測定できる。またプローブは、2～4本のケーブルでモジュールに直接接続ができる。

ゲートウェイ、イーサネットIPのモジュールについても述べたいが、記事が長くなってしまうので、こちらのモジュールについてはまたの機会に掘り下げようと思う。

回路作成

次に、DINレールベースのテストボードにすべてのモジュールを配線する作業を行なった。こちらは私が作成したものである。

簡易的なブロック図は以下の通りで、KUNBUSのモジュールを除いたすべての部品がRSから入手可能だ。今回使った部品や、次回以降に使用する部品のリンクをリストにまとめているので、ぜひ参考にしてほしい。

部品のリストはこちら:

• Lascar PanelPilot LED Digital Panel Multi-Function Meter for Voltage (704-8138)
• RS PRO Non-Contact Infrared Temperature Sensor, 1m Cable, 0°C to 1000°C (161-8103)
• RS PRO 4 wire PT100 Sensor, -50°C min +150°C max (028-5661)
• Schneider Electric NFC Time Delay Relay (914-5070)
• Bourns 24 Pulse Incremental Mechanical Rotary Encoder (781-6811)
• Mean Well Power Supply, 24V dc Output Voltage, 10A output current (028-2568)
• RS PRO DIN Rail Power Supply, 24V dc Output Voltage, 650mA output current (136-8303)

次回もお楽しみに！