MAXREFDES23 (Santa Cruz)

Since the 1980s, industrial field buses have allowed smarter devices, quicker installations, reduced wiring, and easier maintenance. However, the lack of a single, universally accepted field bus has also created confusion, training challenges, high costs, and compatibility issues among equipment.1 IO-Link is the first open, field bus agnostic, low-cost, point-to-point serial communication protocol used for communicating with sensors and actuators that has been adopted as an international standard (IEC 61131-9).2 It finally standardizes interoperability with the industrial equipment from all over the world. IO-Link can exist directly from the PLC or can be integrated into all standard field buses, quickly making it the defacto standard for universally communicating with smart devices like the Santa Cruz (MAXREFDES23#). IO-Link, being simple yet intelligent, allows for the smallest low-cost smart sensors in the industry.

Santa Cruz is the world's smallest IO-Link light sensor with six integrated sensors: ambient light (clear), red, green, blue, infrared, and temperature all on a tiny printed circuit board (PCB) that is 6.5mm x 25mm. Analog Devices, Renesas^® Electronics, and Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE) collaborated in designing Santa Cruz as an IO-Link version 1.1/1.0 compliant light sensor reference design. The Santa Cruz design consists of an industry standard Analog Devices IO-Link device transceiver (MAX14821), a Renesas ultra-low-power, 16-bit microcontroller (RL78) utilizing TMG TE's IO-Link device stack and an Analog Devices light sensor (MAX44008). See Figure 1.

クイックスタート(使用例1)

必要な機器：

マキシムから購入するもの：

• Santa Cruz (MAXREFDES23#)ボード

ユーザーが用意するもの：

• USBポートを備えたWindows^® PC
• Balluff USB IO-Linkマスター、製品番号BNI USB-901-000-A501
• Balluff IO-Link Device Tool (バージョン2.11.1でテスト済み、IO-Linkマスターに付属)
• M12 4ピンまたは3ピンIO-Linkケーブル(BCC05MC)

注：Balluffのソフトウェアを購入する前に、ご使用中のWindowsのバージョンがサポート対象であることを同社にご確認ください。

Santa Cruz Quick Start Guideをダウンロードして読み、記載されている各ステップに注意深く従ってください。

実験室での測定結果

使用した機器：

• Thorlabs MCWHL5—マウント済み冷白色高出力LED、1000mA
• Thorlabs DC2100—パルス変調機能付き高出力、1チャネルLEDドライバ、2A、24V
• Thorlabs CR1-27—連続回転ステージ
• Thorlabs TDC001—T-cube DCサーボモーターコントローラ
• Thorlabs PM100D—小型パワー＆エネルギーメーターコンソール、デジタル4インチLCD
• USBポートを備えたWindows 7 PC
• Santa Cruz (MAXREFDES23#)ボード
• プログラミングアダプタ(MAXREFDES23DB#)ボード
• Balluff USB IO-Linkマスター、製品番号BNI USB-901-000-A501
• Balluff IO-Link Device Tool (バージョン2.11.1でテスト済み、IO-Linkマスターに付属)
• M12 4ピンまたは3ピンIO-Linkケーブル
• RD23_RL78_VXX_XX.ZIP (IODDファイル)、ただしXX_XX = Webページで提供される最新バージョン
• Tektronix^® TDS2024B—4チャネル200MHz/2GSpsオシロスコープ

Santa Cruzデザインを試験するときは、特別な注意を払い、適切な機器を使用する必要があります。あらゆる高精度設計の試験で重要なのは、試験対象の設計よりも高精度の信号源および測定機器を使用することです。Thorlabsの機器とTektronixのオシロスコープは、これらの実験室での測定のための機器として適切な選択でした。図7は、Santa Cruzの読み値が、水平と垂直の両方の回転による入射角の変化と非常に良く一致していることを示します。これらの測定値は、センサーエンクロージャレンズなし、センサーエンクロージャもなしで取得しました。図8は、Santa CruzがIO-Linkマスターと2msごとの周期的なデータ交換を行っている状態を示します。図9～11に示すように、Santa Cruzは、あらゆるセンサーに不可欠な活線挿入イベントの処理で故障しない堅牢性があります。

参考文献

¹ Fieldbus Incの｢IEC61158 Technology Comparison｣研究、スライド58：｢Fieldbus Technology Challenges｣。

² ｢IO-Link System Description 2013｣、IO-Link Company Community。P.3、序文。

IO-Linkはifm electronic GmbHの登録商標です。
RenesasはRenesas Electronics Corporationの登録商標および登録サービスマークです。
TektronixはTektronix, Inc.の登録商標および登録サービスマークです。
WindowsはMicrosoft Corporationの登録商標および登録サービスマークです。

Lab Measurements

Equipment Used:

• Thorlabs MCWHL5—cold white mounted high-power LED, 1000mA
• Thorlabs DC2100—high-power, 1-channel LED driver with pulse modulation, 2A, 24V
• Thorlabs CR1-27—continuous rotation stage
• Thorlabs TDC001—T-cube DC servo motor controller
• Thorlabs PM100D—compact power and energy meter console, digital 4in LCD
• Windows 7 PC with USB port
• Santa Cruz (MAXREFDES23#) board
• Programming adapter (MAXREFDES23DB#) board
• Balluff USB IO-Link master, part number BNI USB-901-000-A501
• Balluff IO-Link Device Tool (tested with version 2.11.1 and comes with IO-Link master)
• M12 4-pin or 3-pin IO-Link cable
• RD23_RL78_VXX_XX.ZIP (IODD file); where XX_XX = latest version from webpage
• Tektronix^® TDS2024B—4-channel 200MHz/2GSps oscilloscope

Special care must be taken and the proper equipment must be used when testing the Santa Cruz design. The key to testing any high-accuracy design is to use sources and measurement equipment that are higher accuracy than the design under test. The equipment from Thorlabs and the Tektronix oscilloscope were appropriate equipment choices for these lab measurements. Figure 7 shows how well Santa Cruz's readings match with changes in angle of incidence from both horizontal and vertical rotation. These measurements were taken without a sensor enclosure lens and also without a sensor enclosure. Figure 8 shows the Santa Cruz doing a 2ms cyclic data exchange with the IO-Link master. The Santa Cruz is robust in handling hot plug-in events without failing, essential for every sensor, and shown in Figures 9–11.

References

¹ Fieldbus Inc's IEC61158 Technology Comparison study, Slide 58: "Fieldbus Technology Challenges".

² IO-Link System Description 2013 by IO-Link Company Community. Page 3 , Preface.

IO-Link is a registered trademark of ifm electronic GmbH.
Renesas is a registered trademark and registered service mark of Renesas Electronics Corporation.
Tektronix is a registered trademark and registered service mark of Tektronix, Inc.
Windows is a registered trademark and registered service mark of Microsoft Corporation.

ハードウェアの詳細

Santa Cruzは、スペースに制限のある産業制御/産業オートメーションの光検知アプリケーションに適合するようにサイズが最適化されています。産業環境の過酷な条件への適合を確保するため、個別部品のケースサイズが慎重に選択されています。

IO-LinkデバイストランシーバのMAX14821は、IO-Linkバージョン1.1/1.0物理層に準拠し、3.3V/5Vリニアレギュレータ、設定可能な出力(プッシュプル、pnpまたはnpn)、逆極性/短絡保護、広範な障害監視のすべてを、小型2.5mm x 2.5mmのWLPパッケージに内蔵しています。

環境光(クリア)、赤色光、緑色光、青色光、赤外線、および温度データは、I²Cインタフェースを介して継続的にMAX44008から読み取ることができます。この光センサーは6つのセンサーを内蔵し、各センサーがそれぞれ専用のPGAと14ビットADCを超小型2mm x 2mm光OTDFNパッケージに内蔵しています。M12丸型ハウジングへの対応を可能にし、カスタム光パイプによる高コスト化を防ぐには、基板エッジに対して直角に受光することが重要です。そのため、図2に示すように、MAX44008は非常に小型の半月形の基板上に配置され、その基板がSanta Cruzボードの先端にはんだ付けされています。

消費電流が最小66µA/MHzの超低電力マイクロコントローラのRL78/G1Aが、Santa Cruz上のシステム制御を提供します。このマイクロコントローラは、64KBの内蔵プログラマブルフラッシュメモリと4KBの内蔵データフラッシュを備え、最小1.8Vで動作し、小型3mm x 3mmのLGAパッケージに実装されています。

TVS (過渡電圧サプレッサ)ダイオードは、すべてが同等ではありません。TVSダイオードのSDC36は、クランプ電圧が55V以下で、IEC 61000-4-2 (ESD)とIEC 61000-4-4 (EFT)の両方に適合します。より小型のTVSダイオードの多くは、これらの全仕様を満たすことができません。

24V (18V～30V)システムで抵抗を選択する際には、注意が必要です。設計者にとっては最小サイズの部品が必要かも知れませんが、通常動作時に24Vに接続される場合は、0201ケースサイズの抵抗は使用しないでください。抵抗は、たとえ最大電力定格を超えなくても、最大動作電圧を超えることによって故障する可能性があります。

Santa Cruzは業界標準のM12コネクタを使用しているため、4線式(または従来の3線式)ケーブルを使用してコストを低く抑えることができます。6つのバイナリセンサーを付加する場合、従来の方法では6組の3線式ケーブルが必要でした。6つのバイナリセンサーの代わりに、単一のIO-Linkチャネル上で6つのスマート14ビットセンサーを使用すると、1本の3線式ケーブルのみが必要となります。Santa Cruzはこのすべてを実現しながら、消費電流は12mA (typ)以下です。

ソフトウェアの詳細

Santa Cruzは、TMG TEのTMG IO-Link Device Tool V3を使用して検証されています。このツールは、TMG-USB IO-LinkマスターTSハードウェアを購入すると付属します。詳細については、 TMG TEまでお問い合わせください。Santa Cruzは、BalluffのIO-Link Device Toolバージョン2.11.1を使用した検証も行われています。このツールは、Balluff USB IO-Linkマスター(製品番号BNI USB-901-000-A501)を購入すると付属します。発注については、Balluffまたはお近くの販売代理店までお問い合わせください。本ドキュメント末尾の｢全設計ファイル｣の項に記載されているIODDファイル(*.xml)をダウンロードし、後半の｢クイックスタート｣の項に進んで、ソフトウェアの使用方法に関するステップバイステップの説明を参照してください。図3は、BalluffのIO-Link Device Toolのスクリーンショットを示します。

IQ² Developmentも、MAXREFDES23#に移植されたIO-Linkデバイススタックを提供しています。同社の最新のソースコードおよびドキュメントは、下記のリンクから入手可能です。

http://iq2-development.com/downloads

http://iq2-development.com/iqmaxrefdes23

IQ² DevelopmentのIO-Linkデバイススタックの詳細については、下記の同社サイトでお問い合わせください。

www.iq2-development.com.

ファームウェアの詳細

Santa Cruzは、そのままIO-Linkマスターに接続することができるIO-Link光センサーとして動作するように事前プログラムされて出荷されます。ファームウェアはRenesas RL78マイクロコントローラをターゲットとしており、図4に示す簡素なフローチャートに従って動作します。このファームウェアはIAR SystemsのIAR embedded workbenchを使用してC言語で書かれており、TMG TEのIO-Linkデバイススタックを利用しています。

活線挿入後、Santa CruzはIO-Linkマスターからのウェイクアップ信号を待ちます。ウェイクアップ信号を受信すると、Santa CruzはIO-Linkマスターの230.4kbpsのボーレート(COM3)に同期します。通信パラメータが交換されます。その後、Santa Cruzはセンサー処理データをIO-Linkマスターに送信することによって、2msごとの周期的なデータ交換を開始します。センサーが取り除かれると、IO-Linkマスターはセンサーがなくなったことを検出します。

使用例の詳細

Santa Cruzを購入する前に、2種類の使用例を検討してください。使用例1は、図5に示すように、ユーザーが用意したIO-LinkマスターおよびIO-Linkケーブルにそのまま接続することができるように事前プログラムされているSanta Cruzを簡素に使用する場合です。使用例2は、図6で示すように、ファームウェア開発システム全体が必要になる場合です。

ソースコードは、使用例2 (Renesas Starter Kit)のみ提供されています。詳細については、Renesas Electronicsまでお問い合わせください。