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IO-Link 마스터 디자인 ④

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글/맥심인터그레이티드 기술부

이 섹션에서는 IO-Link를 사용해 스마트 센서 시스템을 위한 멀티포트 마스터 디자인 방법을 보여주는 레퍼런스 디자인 사례에 대해 살펴본다.

IO-Link 마스터 디자인 목표

IO-Link 마스터 솔루션을 디자인할 때 다음과 같은 사항의 하드웨어 및 소프트웨어 디자인을 고려해야 한다:
하드웨어 디자인:
• 시스템이 사용할 채널 수는 몇 개인가?
• 어떤 IO-Link 마스터 트랜시버를 도입할 것인가?
• 어떤 마이크로컨트롤러를 사용할 것인가?
• 어떤 수준의 절연이 필요한가?
• 폼 팩터는 어떤 형태인가?
소프트웨어 디자인:
• IO-Link 링크와 호환되는 소프트웨어 스택은 누가 공급할 것인가?
• 어떤 IO-Link 마스터 트랜시버와 마이크로컨트롤러를 지원할 것인가?
• 컴플라이언스 테스트는 누가 실행할 것인가?
예를 들면 MAXREFDES145 8포트 IO-Link 마스터 레퍼런스 디자인을 위한 설계팀은 8포트 마스터를 만들어 기존의 4포트 마스터를 대체하기로 결정했다. MAX14819 듀얼 채널 IO-Link 마스터 트랜시버와 STM32F4 ARM Cortex M4 마이크로컨트롤러를 사용했으며 USB 인터페이스와 IO-Link 채널을 분리했다. 이 레퍼런스 디자인은 5″ x 3″ PCB에 맞춰 제작되었다. 소프트웨어의 경우, IO-Link와 호환되는 소프트웨어 스택을 공급하기 위해 TEConcept와 협력했으며 TeConcept가 컴플라이언스 테스트를 진행했다. 디자인에는 각 IO-Link 포트에 TVS 다이오드가 포함되었으며 ESD와 서지 테스트에 대한 IEC 610004-2와 IEC 610004-5에 대한 테스트를 진행했다.

8-포트 IO-Link 마스터: MAXREFDES145

MAXREFDES145는 IO-Link를 완벽하게 준수하는 8포트 IO-Link 마스터 레퍼런스 디자인이다(그림 23). 이 디자인은 TEConcept의 IO-Link 마스터 스택을 사용하며 IO-Link 센서/액츄에이터 개발 및 테스트 시스템뿐만 아니라 IO-Link 마스터 레퍼런스 디자인이다. 8개의 IO-Link 포트를 통해 최대 8개의 서로 다른 센서(또는 액츄에이터)를 동시에 테스트할 수 있다. 이 레퍼런스 디자인은 IO-Link에 가장 많이 사용되는 커넥터인 피메일(female) M12 커넥터를 갖고 있으며 IO-Link와 호환되는 센서 및 액츄에이터에 신속히 연결하도록 두 개의 검정 IO-Link 케이블과 함께 출시된다. AC-to-DC(24VDC/1A) 전원 공급 장치는 각 포트에 최소 125mA를 동시에 제공(사용되는 포트가 적을 경우 더 많이 가능)한다.
IODD 파일 불러오기 기능과 함께 사용하기에 편리한 TEConcept CT(Control Tool) GUI 소프트웨어는 IO-Link 제품을 개발하는 데 관심이 있는 기업 및 엔지니어들이라면 반드시 MAXREFDES145를 보유해야 하는 제품으로 인식하게 만들었다.

[그림 23] MAXREFDES145 8-포트 IO-Link 마스터 레퍼런스 디자인

하드웨어 설명

MAXREFDES145 IO-Link 마스터는 그림 24와 같이 듀얼 채널 MAX14819 IO-Link 마스터 트랜시버 4개와 SPI 인터페이스용 디지털 아이솔레이터(isolator) 2개, 마이크로컨트롤러 1개, USB 커넥션 1개 등 4개의 주요 블록으로 구성된다. MAX14519 IO-Link 마스터 트랜시버는 IO-Link 버전 1.1.2를 준수한다. 이 트랜시버들은 통합된 5V 선형 레귤레이터와 컨피규레이션 가능한 출력 드라이브 기능의 C/Q 출력(push-pull, PNP, NPN), 두 개의 추가 디지털 입력 역극성(reverse-polarity)과 단락 보호(short-circuit protection) 기능을 제공한다.
STM32F4 ARMⓇ CortexⓇ M4 마이크로컨트롤러는 시스템 제어 기능을 제공한다. FTDI FT2232 USB-to-SPI 트랜시버와 드라이버를 사용해 USB 포트가 구현된다. MAX15062 고전압, 동기 스텝 다운 컨버터는 24V의 전원 공급으로 STM32F4 마이크로컨트롤러에 전원을 공급한다. 두 개의 디지털 아이솔레이터, 4채널 MA14931과 2채널 MAX12931은 MAX14819 마스터 트랜시버가 IO-Link 주변기기에 연결될 때 발생할 수 있는 접지(ground) 문제와 높은 전압으로부터 USB 인터페이스를 보호한다. USB 포트/PC와 SMT32F4 마이크로컨트롤러 사이의 모든 통신은 이러한 아이솔레이터를 통과한다. 사용자들이 USB 인터페이스를 우회하고 외부의 SPI 마스터를 사용해 STM32F4와 직접 통신하도록 스탠드 얼론 형태인 SPI 헤더(J3)가 MAXREFDES145에서 이용 가능하다.
8개의 IO-Link 인터페이스 포트와 전원 공급 입력에서 높은 수준의 보호 기능을 제공하는 TVS 다이오드는 MAXREFDES14에 있는 각각의 마스터 트랜시버에 대해 서지 및 역극성 보호 기능을 제공한다. 게다가 전원 및 상태 LED(각각의 채널용)는 보드가 작동하고 있으며 통신하고 있다는 것을 시각적으로 확인해준다.

[그림 24] MAXREFDES145 8-포트 IO-Link 마스터 블록 다이어그램

소프트웨어 설명

TEConcept CT 윈도우 호환 기능의 GUI 소프트웨어는 IODD 파일을 불러오는 기능과 USB를 통한 PC 연결 기능을 제공하며, MAXREFDES145 제품 페이지의 Design Resources tab에서 다운로드할 수 있다. TEConcept CT 소프트웨어에 대한 단계별 Quick Start 가이드는 MAXREDES145의 Design Resources tab에서 다운로드 가능하다.
TEConcept IO-Link 마스터 스택은 TEConcept CT software가 제공하는 영구적인 라이선스로, MAX-REFDES145 하드웨어 내부에 프로그램되어 출시된다. 이를 통해 개발 및 테스트 용도로 MAXREFDES145를 사용할 수 있으며 MAX14819를 사용해 자체 제품을 개발하고자 한다면 ID와 키 번호를 입력해서 TEConcept GmbH로부터 무제한 라이선스를 구매할 수 있다. 그림 25에서 나타난 바와 같이, 라이선스 키 관리 창에 있는 Export Hardware ID 버튼을 누른다. TEConcept GmbH으로부터 무제한 라이선스를 요청하려면 hardwareID.txt 파일을 제공한다. TEConcept GmbH의 연락처는 기술자료 부록편의 소프트웨어 스택 벤더 목록에 나와 있다.

[그림 25] TEConcept IO-Link 소프트웨어IO-Link Master 테스트 보고서

IO-Link Master 테스트 보고서

MAXREFDES145는 IO-Link 버전 1.1 마스터와 완벽히 호환된다. 웹사이트의 MAXREFDES145 8-Port IO-Link Master Test Report에서 자세한 테스트 보고서를 볼 수 있다(716 페이지)

[그림 26] MAXREFDES145 IO-Link Master 테스트 보고서