發布日期：2022-04-17 點擊率：83
有些小企業的工業作業需要同時滿足惡劣工作環境、高 I/O 能力和復雜功能要求，可編程邏輯控制器 (PLC) 正好可以勝任。盡管存在簡化版 PLC，但設計師現在也可以選擇多種低成本的開源硬件和軟件解決方案，以實現有效的工業監視和控制。
Raspberry Pi Foundation 的微小型 Raspberry Pi 3 及其相關的擴展板就是此類解決方案的一個實例。本文將介紹 Raspberry Pi 3 的主要特征，然后討論如何使用它來監視和控制應用。
對于很多較小作業規模而言，Raspberry Pi 3 平臺提供了一種性能卓越的低成本解決方案。Raspberry Pi 3 開發板結合了基于 Broadcom ARM? Cortex?-A53 的處理器、1 GB RAM、數字接口、Wi-Fi 和藍牙連接，完全能夠勝任專門的工業自動化任務。處理器本身就是一個高性能的片上系統 (SoC) 器件，集成了具有 512 KB L2 緩沖的四核 ARM Cortex-A53 CPU 以及 54 個排列成三組的 GPIO。
每個 GPIO 分別支持最少兩種、最多六種替代性功能，包括脈寬調制器、時鐘和串行接口。開發人員可以將任何未分配的 GPIO 用作可提供最多 16 毫安 (mA) 電流（每組 GPIO 總電流最多為 50 mA）的中斷線、輸入或輸出。
與 Raspberry Pi 系列中的其他產品一樣，Raspberry Pi 3 充分簡化了嵌入式開發，初學者亦能輕松上手，同時仍不失足夠強大，可以滿足經驗豐富的開發人員更復雜、更強大的處理要求。
開始時，開發人員只需將開發板的視頻端口連接到顯示器并將其 USB 端口連接到鍵盤和鼠標。對于軟件設計，開發人員則有著廣泛的生態系統基礎支撐，受到 Raspberry Pi Foundation 的基于 Linux 的免費 Raspbian 操作系統支持，且該操作系統可通過該開發板的微型 SD 接口從存儲卡加載。
除了具有高性能和易開發的優勢以外，Raspberry Pi 用于擴展其功能的簡化方法也非常適合工業自動化應用的各種要求。需要增加硬件的能力時，開發人員只需將一塊被稱為 HAT（頂部安裝硬件）的擴展板插到 Raspberry Pi 3 開發板上即可。與更復雜的工業系統一樣，HAT 提供了用于識別 HAT 以及根據需要自動配置 GPIO 和驅動程序的標準方法。因此，開發人員只需插入 Pimoroni PIM213 Automation HAT（圖 1），即可針對工業應用立即將自己的 Raspberry Pi 系統升級。
圖 1：開發人員可以通過連接專用的擴展板（例如 Pimoroni Automation HAT）來升級用于實現工業自動化的基礎 Raspberry Pi 3 開發板。（圖片來源：Pimoroni）
專為監測和控制自動化系統而設計的 Pimoroni Automation HAT 組合了多個 I/O 通道，包括模擬和數字輸入、供電型輸出以及繼電器控制。除了支持 24 伏 (V) 電壓以外，這些 I/O 通道還提供大容量的輸入和輸出緩存。例如，繼電器輸出支持最大 2 安 (A) 的電流，足以驅動低功耗的 24 伏零件，如 Crouzet 81 546 001 電磁閥。
對于使用 Automation Hat 進行的軟件開發，Pimoroni 提供了一個相關的 Python 模塊，只需要編寫幾行代碼，就可使用 HAT 的硬件功能。當導入到 Python 程序時，Pimoroni 模塊會創建軟件對象，以控制模擬輸入、數字輸入、數字輸出、繼電器輸出和 LED 燈，所有這些功能都包含相應的低級別讀/寫功能（列表 1）。
class AnalogInput(object):
type = 'Analog Input'
def __init__(self, channel, max_voltage, led):
self._en_auto_lights = True
self.channel = channel
self.value = 0
self.max_voltage = float(max_voltage)
self.light = SNLight(led)
def auto_light(self, value):
self._en_auto_lights = value
return True
def read(self):
"""Return the read voltage of the analog input"""
return round(self.value * self.max_voltage, 2)
def _update(self):
self.value = ads1015.read(self.channel)
def _auto_lights(self):
if self._en_auto_lights:
adc = self.value
self.light.write(max(0.0,min(1.0,adc)))
列表 1：Pimoroni 用于 Automation HAT 的 Python 模塊可通過處理詳細事務處理，如從板載模數轉換器 (ADC) 讀取讀數，而簡化開發工作。（圖片來源：Pimoroni）
每個對象都可以識別相應的通道和其他相關數據。例如，當創建時，模擬輸入對象包含關聯引腳的最大電壓（請參見列表 1 中的 init 函數）。為了執行模數轉換器 (ADC) 轉換，ADC 對象會調用底層的 ADC 模塊（列表 1 中的 ads1015.read）。隨后，ADC 模塊會執行設置 ADC 和執行轉換所需的低級別 I2C 事務處理，然后返回有用格式的值（列表 2）。
class ads1015:
def __init__(self, i2c_bus=None, addr=ADDR):
self._over_voltage = [False] * 4
self.i2c_bus = i2c_bus
if not hasattr(i2c_bus, "write_i2c_block_data") or not hasattr(i2c_bus, "read_i2c_block_data"):
raise TypeError("Object given for i2c_bus must implement write_i2c_block_data and read_i2c_block_data")
self.addr = addr
def read(self, channel=0, programmable_gain=PGA_4_096V, samples_per_second=1600):
# sane defaults
config = 0x0003 | 0x0100
config |= SAMPLES_PER_SECOND_MAP[samples_per_second]
config |= CHANNEL_MAP[channel]
config |= PROGRAMMABLE_GAIN_MAP[programmable_gain]
# set "single shot" mode
config |= 0x8000
# write single conversion flag
self.i2c_bus.write_i2c_block_data(self.addr, REG_CFG, [(config >> 8) & 0xFF, config & 0xFF])
delay = (1.0 / samples_per_second) + 0.0001
time.sleep(delay)
data = self.i2c_bus.read_i2c_block_data(self.addr, REG_CONV)
value = ((data[0] << 4) | (data[1] >> 4))
if value & 0x800:
value -= 1 << 12
value /= 2047.0 # Divide down to percentage of FS
value *= float(programmable_gain)
value /= 3300.0 # Divide by VCC
return value
...
列表 2：用于 ADC 轉換的更高級別函數調用會調用一個讀取例程，此例程會執行 I2C 總線寫入以開始進行轉換，并休眠足夠長的時間以便轉換完成，然后執行 I2C 總線讀取以收集結果。（圖片來源：Pimoroni）
但對于開發人員而言，當讀取模擬值時，只需對模擬對象的指定模擬輸入 (.one) 執行高級別讀取功能 (.read())：
value = automationhat.analog.one.read()
資源庫允許使用這種簡單模型實現其他的 HAT 功能，因此打開或關閉繼電器也是一個簡單的調用：
automationhat.relay.write(1) # 1 = ON, 0 = OFF
Pimoroni Automation HAT 提供了小型工業自動化應用所需的基本 IO 功能，但開發人員可以選擇多種valuation-boards-expansion-boards-daughter-cards/797?s=N4IgjCBcpgHAzFUBjKAzAhgGwM4FMAaEAeygG1wQj4aAGWgJipBoE4AWAdieoFZX47AGzN2tMGCEjqsBjWktYrBmJABdIgAcALlBABlbQCcAlgDsA5iAC%2BRALRNoIVJGMBXQiXIhW62yDsIJxdMXE9SSAowTk5YP39HCgAJAEEAFT8gA">可用的 HAT，以實現工業自動化等專業應用所需的各種功能。例如，Adafruit 3013 RTC HAT 提供實時時鐘 (RTC) 功能，這并非開發板本身的標準功能。Raspberry Pi 設計師希望開發人員始終將開發板連接到因特網，以便能夠使用標準的網絡時間協議 (NTP) 保持時鐘時間。因此，對于因設計本意或意外與因特網斷開連接的設計，需要使用外部 RTC，例如 Adafruit RTC HAT。
當增加 RTC 等功能時，開發人員在工業自動化設計中無需只使用一個 HAT。開發人員可以在 Raspberry Pi 開發板上疊接多個 HAT。盡管大多數 HAT 經過專門設計可進行疊接，但開發人員可能需要增加疊接針座（例如 Adafruit 的 2223）以完成裝配，或者增加 M2.5 支座以防止 HAT 相互接觸或與基板接觸。
開發人員可以使用疊接針座和支座輕松疊接 HAT，例如 Adafruit 2348 電機 HAT，以增加很多工業自動化應用所需的電機驅動器。每個 2348 電機 HAT 都可以驅動兩個步進電機或四個直流電機。實際上，開發人員可以疊接多達 32 塊這樣的擴展板，以支持最多 64 個步進電機或 128 個直流電機（圖 2）。
圖 2：開發人員可以疊接多個 Adafruit 2348 電機 HAT，以便在設計中支持最多 64 個步進電機或 128 個直流電機。（圖片來源：Adafruit）
與 Pimoroni Automation HAT 一樣，可以使用幾個簡單的 Python 命令對 Adafruit 2348 電機 HAT 進行編程。Adafruit 針對電機 HAT 的采樣軟件甚至具有基本設計模式，能夠使用 Python 線程模塊并行運行多個電機（列表 3）。
from Adafruit_MotorHAT import Adafruit_MotorHAT, Adafruit_DCMotor, Adafruit_StepperMotor
import threading
# create a default object, no changes to I2C address or frequency
mh = Adafruit_MotorHAT()
# create empty threads (these will hold the stepper 1 and 2 threads)
st1 = threading.Thread()
st2 = threading.Thread()
...
myStepper1 = mh.getStepper(200, 1) # 200 steps/rev, motor port #1
myStepper2 = mh.getStepper(200, 2) # 200 steps/rev, motor port #1
myStepper1.setSpeed(60) # 30 RPM
myStepper2.setSpeed(60) # 30 RPM
stepstyles = [Adafruit_MotorHAT.SINGLE, Adafruit_MotorHAT.DOUBLE, Adafruit_MotorHAT.INTERLEAVE, Adafruit_MotorHAT.MICROSTEP]
def stepper_worker(stepper, numsteps, direction, style):
#print("Steppin!")
stepper.step(numsteps, direction, style)
#print("Done")
while (True):
if not st1.isAlive():
randomdir = random.randint(0, 1)
if (randomdir == 0):
dir = Adafruit_MotorHAT.FORWARD
else:
dir = Adafruit_MotorHAT.BACKWARD
randomsteps = random.randint(10,50)
st1 = threading.Thread(target=stepper_worker, args=(myStepper1, randomsteps, dir, stepstyles[random.randint(0,3)],))
st1.start()
if not st2.isAlive():
randomdir = random.randint(0, 1)
if (randomdir == 0):
dir = Adafruit_MotorHAT.FORWARD
else:
dir = Adafruit_MotorHAT.BACKWARD
randomsteps = random.randint(10,50)
print("%d steps" % randomsteps)
st2 = threading.Thread(target=stepper_worker, args=(myStepper2, randomsteps, dir, stepstyles[random.randint(0,3)],))
st2.start()
列表 3：Adafruit 的電機 HAT Python 模塊包含采樣軟件，例如此代碼片段就展示了如何使用簡單控制命令和 Python 線程模塊來控制一對步進電機。（圖片來源：Adafruit）
對于可用 HAT 中未提供的功能，開發人員不需要限制自己只使用 HAT 格式。利用 DFRobot DFR0327 Arduino 盾板、Seeed Technology GrovePi+ 入門套件和 MikroElektronika MIKROE-2756 click 盾板，開發人員能夠分別獲得大量的可用 valuation-boards-expansion-boards-daughter-cards/797?s=N4IgjCBcpgHAzFUBjKAzAhgGwM4FMAaEAeygG0R4qAGagJhCPgFYBOeAFgDZHLZW6Har3itqo2CNbMudBkSFgwXHgF0iABwAuUEAGUtAJwCWAOwDmIAL5EwAdg4NoIVJEy5CJcpTDcOHEV8uNkCONgD1EG1dAxMLayIAWicUKCMAV09SSApWEFUbEESIZ1d3fCJsijBqZmECwqcKDEMAE3SzUgKgA">Arduino 盾板、valuation-boards-expansion-boards-daughter-cards/797?s=N4IgjCBcpg7ALAJiqAxlAZgQwDYGcBTAGhAHsoBtEAZgFY5ZaQBdEgBwBcoQBlDgJwCWAOwDmIAL4kwATgAcMlCHSRs%2BYmUogADC3ZdIvASPFSQAWnhKVawiXKQqcsHJAl68ObDcgPc1%2B5g8DK6JPC01GCh4Noy8NQsEmbIjiCi-KQAbgSJQA">Grove 器件和 valuation-boards-expansion-boards-daughter-cards/797?s=N4IgjCBcpmAMVQGMoDMCGAbAzgUwDQgD2UA2iACwCcATABx0DMIh1YVYAbCyIwOwBWThQE9%2BQit0LjhfMYOF0eFRiM5TeCgQlZ1OjGqOlaK8oQKOU6VOnFPHzGmQOYPOApawpqEAXUIADgAuUCAAykEATgCWAHYA5iAAvoQAtDSIICiQUQCuBMRkIFQgvkkpIBmQ5ACy0QDWkUQAQgCqYaVJQA">MikroBUS click 板。
使用這些開發板時，開發人員可以通過連接 MikroElektronika MIKROE-988 CAN click 板，快速添加標準 CAN 接口支持，或通過連接 MikroElektronika MIKROE-1296 4 至 20 mA 電流回路 Click 板，添加 4 至 20 mA 的電流回路。
即使為基于 Raspberry Pi 的設計快速配置了所需的擴展功能后，開發人員通常也需要花費時間構建相應的用戶界面。而使用 Raspberry Pi 3 之后，開發人員就可以將設計連接到 Adafruit 的 IO 云服務，從而為用戶提供自動化流程的圖形化反饋和控制。云服務允許開發人員創建簡單的數據和流程信息饋送（列表 4），并構建儀表板以允許用戶從臺式機、智能手機或其他移動設備上的任何 Web 瀏覽器監視和控制項目（圖 3）。
# import library and create instance of REST client.
from Adafruit_IO import Client
aio = Client('YOUR ADAFRUIT IO KEY')
# Send the value 100 to a feed called 'Foo'.
aio.send('Foo', 100)
列表 4：開發人員可以輕松地將數據從工業自動化應用傳輸到 Adafruit IO 云服務，進行顯示和控制。（圖片來源：Adafruit）
圖 3：開發人員可以顯示來自基于 Raspberry Pi 3 的工業自動化應用的信息，并使用 Adafruit IO 儀表板提供控制。（圖片來源：Adafruit）
簡單的軟件開發、豐富的擴展板和高性能的 Raspberry Pi 組合提供了一個適合小型工業自動化應用的解決方案。但在某些這樣的應用中，與使用 RTC 的配置（例如 Adafruit 3013 RTC HAT）相比，開發人員可能需要更嚴格的定時控制。
3013 RTC HAT 基于 Maxim Integrated DS3231 RTC IC，提供了兩個可編程報警功能和一個方波輸出信號。開發人員可以使用報警功能在指定日期、時、分、秒生成中斷，或者使用方波在 1 赫茲 (Hz) 頻率生成中斷。對于需要以快于 1 Hz 的定期中斷的應用，開發人員需要使用處理器的系統定時器開發定制軟件功能，或者構建能夠以所需的速率生成中斷的定制硬件計數器。
在需要更快的定時分辨率的應用中，同樣重要的要求將變成確定性響應延遲。在高速率下，標準 Raspbian 操作系統中的響應延遲變化可能會影響精度。盡管標準系統可能以微秒級分辨率提供具有足夠確定性的響應，但開發人員可能需要借助使用 mentation/howto/applications/preemptrt_setup" target="_blank">Linux PREEMPT_RT 補丁的方法來滿足更嚴格、更具確定性的分辨率要求。
傳統 PLC 提供的能力通常超出小規模制造業、加工業和原型開發車間的大多數較小工業作業的要求和預算。對于這些應用，操作員面臨的要求通常較低，Raspberry Pi 3 完全可以勝任。
開發人員可以使用 Raspberry Pi 3 和相應的擴展板，快速實施能夠滿足廣泛小企業作業要求的專用工業自動化系統。
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