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Raspberry Pi工業利用的必然性及其活用方法

Raspberry Pi工業利用的必然性及其活用方法

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康泰克于2021年4月以“將方便使用的Raspberry Pi用于FA和測量控制”為標語,開始銷售支持Raspberry Pi的HATsize 擴展板卡。本專欄主要介紹康泰克針對“Raspberry Pi”擴展板卡提出的概念、設想的用途。

目次

個人計算機用測量控制接口板的歷史

在工業用途上也開始受到關注的Raspberry Pi

在工業用途上使用時的優點

在工業用途上使用時的缺點

關于功能擴展

在工業用途上利用的方法

RAS/RTC Raspberry Pi 板卡(CPI-RAS)的特征

Raspberry Pi 數字量輸入輸出板卡的特征

今后的展望

個人計算機用測量控制接口板的歷史

日本的個人計算機(下稱PC)的歷史始于NEC公司1979年發布的PC-8001??堤┛艘矎?982年開始了NEC公司的PC-8001的IO單元“PC-8012”以及可在PC-8801上使用的個人計算機用接口板的開發、銷售。后來,NEC公司發布了配置16位CPU的PC-9801。另外,在海外成為標準的IBM-PC兼容PC(DOS/V)在日本普及,可用圖形UI操作PC的Windows問世等,PC所處的環境隨著時代的變化取得了重大發展。

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*資料來源:摘自免費百科詞典“維基百科(Wikipedia)”以及康泰克的“沿革”

康泰克也在“FA領域也可以方便使用個人計算機!”的口號指引下,進行PC所要求的多樣化的個人計算機用接口板的開發和銷售,擴展總線支持的性能隨著時代的進步而提高,為在工業用途上得到活用的PC的發展做出了貢獻。

現在,不僅專為Intel、AMD等的PC開發的CPU,而且采用ARM架構的微機也在工業、教育、流通、通信等領域被快速采用。Raspberry Pi可以說是采用ARM架構的PC,也越來越被關注在工業用途上的活用,發展成為新的事實標準??堤┛艘恢币詠硖峁┝巳魏稳硕伎奢p松使用在FA上的產品,同樣也開始了支持Raspberry Pi的擴展板卡的開發和銷售,今后仍將繼續提供可在工業用途上簡單活用的產品。

在工業用途上也開始受到關注的Raspberry Pi

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2012年設想在教育用途上使用而發布了Raspberry Pi,發布后歷時大約10年,在維持其概念的情況下進化到第4代。在這一歷史進程中,Raspberry Pi不受周邊設備、教育用途的束縛,誕生了大量的應用事例,作為可輕松開發程序的平臺,知名度越來越高。

為了響應工業嵌入用途的需求,發布了“Raspberry Pi Compute Module”,在工業用途上也活用Raspberry Pi平臺的企業增加,Raspberry Pi基金會宣布,截至2018年6月,月產量的60%用于工業用途。

在工業用途上使用時的優點

以下說明在工業用途上使用Raspberry Pi時的優點。

● 互聯網上有很多活用各種各樣的接口的信息

考慮Raspberry Pi的最大理由很容易被認為是廉價,但是如果實際考慮在自己公司的產品上采用,與廉價相比,最大的優點是周邊設備多、互聯網上有很多活用各種各樣的接口的信息。

在自己公司的產品上采用控制器,在自己公司的工廠的改善活動中使用時,為編寫程序收集信息,在該處運行的軟件的開發工時成了巨大的成本。

采用Raspberry Pi時,“想使用特定的傳感器”、“想與周邊裝置通信”、“想連接云服務”等等,能夠簡單獲取響應各種各樣的要求的信息。在Raspberry Pi的世界,可能不是所有的信息都是可靠性高的信息,所以也需要仔細檢查信息,進行驗證,但是存在可參考的大量信息,這在開發軟件上是很大的好處。

● 能夠活用可大量使用軟件開發成果的Linux

另外,傳統的軟件開發以瀑布模型的開發手法為主,首先決定整體的基本設計和日程,然后遵照該計劃進行開發和封裝。如今大規模的系統開發、需要可靠性的軟件依然利用這一方法打造。但是,近來要求縮短開發周期,要求開發新穎性高的軟件。為此,與傳統的開發手法相比,能夠縮短開發周期的敏捷開發受到關注。

敏捷開發是一種在開發中途能夠靈活地應對規格的更改、添加的開發手法,這種手法不在發布的計劃階段決定嚴密的規格就進行開發,更重視成員間的交流。

即使采用這樣的開發手法,Raspberry Pi的開發環境也能夠活用可大量使用軟件開發成果的Linux,可簡單獲取與大量周邊設備連接的事例,Raspberry Pi的開發環境從原型的驗證到實際運行得以順利推進。

在工業用途上使用時的缺點

● USB端口供給的電源容量不足、與SD卡的可靠性有關的動作不穩定

另一方面,在工業用途上使用Raspberry Pi的缺點可以列舉出USB端口供給的電源容量不足、與SD卡的可靠性有關的動作不穩定等問題。

關于電源容量,在單獨使用Raspberry Pi的板卡時不會成為大問題,但是在使用USB連接周邊設備時,或者連接顯示裝置、擴展輸入輸出板卡時,可能出現供電不足的問題。在工業用途上使用Raspberry Pi時,需要考慮總功耗。

關于SD卡的可靠性,不能消除發生固態硬盤的改寫次數的問題、SD卡的故障、測量數據損壞等現象的可能性。建議使用為工業用途制造的SD卡,為了避免在系統設計階段將數據寫入SD卡,可以將測量數據保存到云、網絡存儲器等,通過此類對策降低風險。

● 內置的日歷時鐘得不到保持

另外,由于設計Raspberry Pi時將主要使用目的限定為教育用途,所以會有內置的日歷時鐘得不到保持(電源OFF后日期和時間消失)的特點。要是能夠處在始終連接網絡與時間服務器同步的環境下就沒有大問題,但是在嵌入裝置、設備時,不能連接網絡的情況比較多,而且有時也要管理日歷、時間使其使其正常運行,所以在系統設計時需要考慮對策。

關于功能擴展

作為為Raspberry Pi擴展功能的方法,除了像普通的個人計算機那樣的LAN端口、USB接口之外,還提供用被稱作HAT(Hardware Attached on Top)的40個引腳的引腳接頭對線路板進行堆疊連接的擴展方法。在Raspberry Pi基金會公開的規格中,規定了板卡的物理布局、制造商的信息、為了Linux正確識別引腳后在擴展的板卡上連接所需的GPIO的設置、與容納設備樹的一部分的板載I2C EEPROM內存有關的信息。

在引腳接頭上配置了GPIO、UART、I2C、SPI、I2S、PWM等擴展所需的信號。

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※出自Raspberry Pi官網打開另一個窗口。紅色5v、橙色3.3v、黒色GND、白色Advanced use only

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※摘自Embedded Linux Wiki。

Raspberry Pi的標準OS“Raspbian”可通過“gpio”命令獲取GPIO的設置及狀態。另外,還提供了被稱作“RPi.GPIO”的Python的安裝包,所以還可從腳本語言的Python、PHP簡單執行。

將擴展板卡安裝在Raspberry Pi上時,按照以下的步驟進行。

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在工業用途上利用的方法

康泰克已經開始銷售支持Raspberry Pi的擴展接口(CPI系列)。

為了在工業用途上放心地使用Raspberry Pi,CPI系列采取了以下對策。

● 針對電源容量不足的對策

前面已經講過,使用Raspberry Pi的USB端口供電,連接周邊裝置、擴展板卡時會有問題發生??堤┛烁鶕峁┕I用途產品的豐富經驗,認為Raspberry Pi也需要能夠從12-24V的DC電源供電。在RAS/RTC板卡(CPI-RAS)上設置可供給DC電源的電源連接器,將其作為驅動Raspberry Pi的電源,可供給的電源也能支持8V-28VDC的寬電壓。另外,在電源電路上配置可產生5VDC 5A的高輸出高效率電源和去除外部干擾的干擾過濾器,提供Raspberry Pi的CPU板干凈的電源。由此,無論是增設周邊裝置、多塊擴展板卡的情況下,還是配置在依靠電池運作的移動設備上的情況下,都能供給穩定的電源。

● 針對程序的穩定運作的對策

在工業用途上使用Raspberry Pi時,需要完成度高的軟件,但是也可能因為某種原因,導致程序停止運作、或者是發生意料之外的故障。需要即使出現這樣的軟件問題也能從系統上使其安全地停止,自動恢復的體系。在RAS/RTC板卡(CPI-RAS)上內置了看門狗定時器(WDT)的功能。萬一CPU失控等,即使預料外的程序被執行,也能從硬件上使CPU重啟。

另外,也有人對原本設想使用在教育用途的Raspberry Pi的運行溫度感到不安。 使用配置在RAS/RTC板卡(CPI-RAS)上的微機芯片的功能,能夠測量RAS/RTC板的溫度。由此能夠確認Raspberry Pi周邊溫度的變化,在為改善周邊溫度環境考慮設置送風用風扇、冷卻裝置等對策時將其作為一種標準。

● 支持工業應用的功能

構建工業用途的系統時,很多時候需要正確的時間管理。配置在Raspberry Pi上的時鐘功能(RTC)沒有后備電池的功能。雖然溫度補償的RTC,在一般的溫度環境25°C下時間是正確的,但是在低溫環境、高溫環境下,由于內部石英的特性,可以出現走時慢的情況。在RAS/RTC板(CPI-RAS)上配置了RTC,具備能夠利用后備電池進行溫度補償的功能,根據溫度環境調整時間,以求提高時間的精度。

另外,也支持通過定時器中斷執行的間歇運行,所以也能夠在指定日期啟動Raspberry Pi。為了將關閉狀態的消耗電流控制在最小限度,還配置了專用的低功耗電源電路。

為了使Raspberry Pi也能實現電源開關功能,RAS/RTC板卡(CPI-RAS)能夠從電源開關以及接口連接器的數字輸入進行電源操作。也支持通過長按強制進行電源OFF的功能,所以在嵌入用途的運用上十分方便。

● 提供便利的軟件開發環境

為了方便用戶使用Raspberry Pi上的擴展板卡,康泰克提供RAS/RTC板卡用驅動程序和數字量輸入輸出驅動程序。為了讓過去使用Windows對康泰克擴展板卡進行應用開發的顧客也可以輕松使用Raspberry Pi進行開發,我們還提供了考慮到與Windows版的API-PAC/API-TOOL兼容性的函數庫。

ARM Linux用 RAS驅動程序 CORAS(LNX) for ARM Ver.1.00

Linux版數字量輸入輸出驅動程序 API-DIO(LNX)

● 提供可解決技術疑問的場所

作為可解決康泰克的Raspberry Pi用擴展板卡的技術疑問點的場所,我們準備了“CONTEC Discussion Forum”。這是進行與康泰克的產品、軟件有關的咨詢、商量、委托的網站,不僅由康泰克發布信息,進行回答,而且可以通過自動翻譯功能與全世界的技術人員一同解決問題。

CONTEC Discussion Forum

RAS/RTC Raspberry Pi 板卡(CPI-RAS)的特征

CPI-RAS是為Raspberry Pi 增加RAS功能、RTC功能、8V-28VDC電源輸入功能的擴展板卡。是使用40針排針堆疊連接的HAT size板卡,為 Raspberry Pi 用于工業用途附加了可用性和可維護性。

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Raspberry Pi 數字量輸入輸出板卡的特征

數字輸入/輸出板卡是為Raspberry Pi增設光電耦合器絕緣數字輸入/輸出功能的擴展板卡。

使用40針排針堆疊連接的HAT size板卡,為Raspberry Pi的測量控制增設數字輸入/輸出功能。

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● 使用易于接線的推壓式接線端子

采用不需要工具或壓接端子,方便且易于使用的推壓型端子臺,可在接線的狀態下進行安裝和拆卸。

 支持最多8張板卡的堆疊連接

在HAT規格上擴展設定了ID地址,最多可以連接8個堆棧。 *可以與其他公司的HAT混合使用。

● 支持與PC擴展板卡兼容的API, Python

API與康泰克的PCI Express / PCI / USB /以太網類型的測量控制設備兼容。開發成果可以在多個平臺上使用。提供了適用于Python和GCC的示例程序,因此可以立即開始編程。

 提供多種輸入/輸出類型

6點輸入/16 點輸出/8 點輸入 8 點輸出可用于灌電流類型、集電極開路和拉電流輸出。還提供 16 點半導體繼電器輸出。 

驅動電壓兼容12-24VDC輸入輸出。 

● 帶光電耦合器的總線絕緣

光耦合器將 Raspberry Pi 的 GPIO 40PIN 連接器與 I/O 接口隔離,以增加抗噪能力。 

* CPI-RRY-16 可以使用光電 MOS 實現總線絕緣。

● 支持-20度到60度的環境

支持-20度到60度的環境溫度,可在各種環境下使用。

今后的展望

現在康泰克的Raspberry Pi用擴展板卡只有數字量輸入輸出板卡,但是今后我們將積極開發和銷售模擬輸入輸出、RS-232C/RS-422等的通信板卡、以及特殊用途的專用板卡等,以及提供可以備份,在工業用途上使用的Raspberry Pi的產品。

關于在工業用途上使用Raspberry Pi,我們考慮未來從可使用廉價硬件,使用方便的開發環境這一背景,逐漸滲透到要求高可靠性、高性能的領域。如同在康泰克創立初期,被認為是興趣愛好產品的個人計算機也開始被工業領域采用,現在在工業領域已經成為了不可或缺的存在,Raspberry Pi也被認為數年后將成為工廠設備、嵌入裝置不可缺少的存在。

“PC For All Automation”,康泰克基于這一普遍理念為了成為帶動在工業用途上有效利用Raspberry Pi的企業,未來仍將提供新產品及其活用方法。


審核編輯(
王靜
)
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