★中國航空制造技術(shù)研究院 劉平凡，鄒方，何昭巖，秦玉波 

摘要： 針對邊緣控制器最重要的輸入輸出功能板，本研究在電路設計上采用四 層PCB設計工藝，外引出12-14路IO輸入輸出端子，外接NPN/PNP選擇電路、 Type-C及8路軟排線(xiàn)接口，應用高性?xún)r(jià)比的樹(shù)莓派RP2040微處理器進(jìn)行核心板接 口通信，設計了功能板控制流程，并基于Python語(yǔ)言通過(guò)循環(huán)檢測IO端口電平信 息或接收核心板數據來(lái)實(shí)現IO口的輸入輸出響應。在工程設計上，本研究還兼顧 了功能板的機械尺寸與布局，使其結構緊湊，布局合理。 

關(guān)鍵詞：數字IO擴展；邊緣計算；四層PCB；微控制器；Python 

Abstract: This paper focuses on the development of a digital IO expansion function board of the edge controller. The circuit design adopts a four-layer PCB design process, with 12-14 channels of IO input and output terminals led out, along with external NPN/PNP selection circuit, Type-C and 8-channel flexible cable interface. The high performance and cost-effective Raspberry Pi RP2040 microprocessor is used for core board interface communication, and the control flow of the function board is designed. Based on Python language, the I/O response of the IO port is realized by circularly detecting the level information of the IO port or receiving the data of the core board. The mechanical size and layout of the function board are also considered in the engineering design, resulting in a compact and reasonable layout. 

Key words: Digital IO extension; Edge computation; Four-layer PCB; Microcontroller; Python 

1　引言 

近年來(lái)，隨著(zhù)5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數 據呈現爆炸式增長(cháng)的態(tài)勢，對算力、延時(shí)提出了更高 要求，能夠在靠近數據源頭位置提供算力服務(wù)的邊緣 計算正快速興起[1]。在此之前，云計算已經(jīng)誕生，為企 業(yè)提供了可擴展性、可靠性、安全性和易用性。然而， 云計算并不是完美的，其集中化的特性意味著(zhù)無(wú)論終 端設備（如智能手機）位于何處，數據都需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò ) （如4G蜂窩連接）從終端設備傳輸到云提供商的數據 中心，然后再反向操作，到達終端設備。對于需要快速 傳輸大量數據的應用程序，這可能既緩慢又昂貴，而云 計算的這一缺憾恰恰是邊緣計算的用武之地。作為一種 分布式計算范式，邊緣計算使計算和數據存儲更接近需 要的位置，以提高響應時(shí)間和節省帶寬，由此也引出了 邊緣計算的定義—在靠近物或數據源頭的一側，采用網(wǎng) 絡(luò )、計算、存儲、應用核心能力為一體的開(kāi)放平臺，就 近提供最近端服務(wù)，具有低延遲、安全、節約成本、高 可靠性等幾大優(yōu)勢[2]。 

正是基于邊緣計算的上述優(yōu)勢及潛在的應用前景， 中國航空制造技術(shù)研究院工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化實(shí)驗室自主 開(kāi)發(fā)出了一款專(zhuān)用于邊緣計算領(lǐng)域的終端設備—依邁特 邊緣控制器（E-Mate）。該款邊緣控制器可作為小型 的PLC實(shí)現運動(dòng)控制和過(guò)程控制，以及實(shí)現IO采集、無(wú) 線(xiàn)傳輸、遠程運維、機器視覺(jué)、數據庫與邊緣計算等多 種功能，可無(wú)縫整合IT與OT，在邊緣側協(xié)同遠程工業(yè) 云平臺實(shí)現產(chǎn)線(xiàn)的智能控制，提高了設備智能化水平。 該款邊緣控制器為全自主國產(chǎn)化設計制作，其CPU、基 板、功能板的選型、設計、繪制及制板焊接，包括外殼 設計制作均為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化實(shí)驗室及國內相關(guān)企業(yè) 完成。其中功能板部分具有模塊化、輕量化、靈活裝卸的特點(diǎn)，可以應用于各類(lèi)工業(yè)控制設備。本文所介紹的 數字IO擴展功能板作為該邊緣控制器的一個(gè)獨立組成模 塊，兼具輕量化與兼容性的特點(diǎn)，采用UART串口通信方 式，支持NPN/PNP模式調節，具有3000V以上的電氣隔 離能力以及充足的GPIO接口。此外，為了適應各類(lèi)工業(yè) 生產(chǎn)現場(chǎng)的控制需求，該款功能板還支持自主編程，是 一款極具通用性和高性?xún)r(jià)比的工業(yè)控制IO擴展功能板。

 2　邊緣控制器介紹 

該款邊緣控制器采用完全國產(chǎn)化的自研CPU。該 款CPU采用四核Cortex-A53架構，主頻1.5GHz，擁 有2GB DDR3的RAM及8GB eMMC的ROM，工作溫 度-40℃～+85℃，具備工業(yè)級運行溫寬，支持絕大部分 當前流行的視頻及圖片格式解碼，具有穩定可靠的工業(yè) 級產(chǎn)品性能、低功耗以及豐富的用戶(hù)接口等優(yōu)勢，可搭 載Linux、Android、Ubuntu等操作系統，適用于車(chē) 載電子、電力、醫療、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、智能終端等 領(lǐng)域[3-4]。 

圖1 國產(chǎn)CPU邊緣控制器實(shí)物照片 

該款國產(chǎn)CPU邊緣控制器的實(shí)物照片如圖1所示， 其外部為鋁制金屬外殼，兩端配有塑料固定套，兩側各 有兩組固定自攻螺絲。此外，在鋁制外殼的前端還開(kāi)有 一排散熱孔。

 該款國產(chǎn)CPU邊緣控制器的接口如圖2所示，它擁有 一個(gè)RS485接口、一個(gè)Debug接口、一個(gè)USB3.0接口、 一個(gè)HDMI接口。此外，它還具備16路AI輸入和雙網(wǎng) 口，采用24V直流輸入電源，外殼有響應的信息提示燈。 通過(guò)集成本文所介紹的數字IO擴展功能板，該款邊緣控 制器可擁有12路IO輸出接口及14路IO輸入接口。同時(shí)， 為了滿(mǎn)足更多工業(yè)現場(chǎng)的需要，數字IO擴展功能板還提 供了3路3.3V信號輸出接口及1路24V直流電源輸出。

圖2 國產(chǎn)CPU邊緣控制器接口圖示 

3　數字IO擴展功能板設計 

3.1　工業(yè)IO控制 

在工業(yè)控制系統中，IO控制最接近設備端，面臨 著(zhù)復雜多樣的工業(yè)生產(chǎn)設備環(huán)境，除了生產(chǎn)現場(chǎng)的溫 度、濕度、氣壓等環(huán)境數據外，還要面臨復雜的電氣環(huán) 境。比較常見(jiàn)的IO信號有AI、AO、DI、DO、HSC、 RTD等，工業(yè)控制系統的拓撲圖如圖3所示。下面介紹 一下部分工業(yè)現場(chǎng)中較為常見(jiàn)的IO信號。

 圖3 工業(yè)現場(chǎng)拓撲圖示例 

（1）AI（Analog Input，模擬量輸入）。將現場(chǎng) 模擬量信號即4—20mA、0—5V、0—10V等電流或電 壓信號，輸入到PLC/ESD中?，F場(chǎng)的溫度變送器、壓 力變送器均為AI信號，AI信號接入PLC/ESD后，通過(guò) 量程轉化后傳給HMI，用于顯示現場(chǎng)的溫度值、壓力 值，方便監控生產(chǎn)情況。同時(shí)需要參與連鎖的AI信號， 由PLC/ESD利用其數據進(jìn)行邏輯編程。 

（2）AO（Analog Output，模擬量輸出）。由 PLC/ESD輸出模擬量信號即4—20mA、0—5V、0— 10V等電流或電壓信號，用于控制現場(chǎng)設備，主要設備 有變頻器，調節閥等。AO信號由HMI人工操作，或者 由PLC/ESD進(jìn)行邏輯編程（PID調節），自動(dòng)輸出信號 控制現場(chǎng)設備。 

（3）DI（Digital Input，數字輸入信號）。開(kāi)關(guān) 量輸入信號，只有回路閉合與回路斷開(kāi)兩種狀態(tài)?，F場(chǎng) 主要設備為閥門(mén)的反饋、運動(dòng)設備的到位情況、安防信 號等。DI信號接入PLC/ESD后，通過(guò)HMI反應現場(chǎng)閥 門(mén)開(kāi)關(guān)情況、運動(dòng)設備運轉情況以及是否有安防報警 等。同時(shí)需要參與連鎖的DI信號，由PLC/ESD利用其 數據進(jìn)行邏輯編程。 

（4）DO（Digital Output，數字輸出信號）。開(kāi) 關(guān)量輸出信號，由PLC/ESD輸出啟動(dòng)或停止的信號給 設備，現場(chǎng)主要設備有電磁閥、電機、泵等。需要特別 提醒，一般PLC/ESD的DO模塊回路負載比較小，因此 DO應用一般是由DO驅動(dòng)繼電器，再由繼電器來(lái)驅動(dòng)現 場(chǎng)設備動(dòng)作，起到了隔離保護的作用。DO信號由HMI 人工操作，或者由PLC/ESD進(jìn)行邏輯編程（連鎖）， 自動(dòng)輸出信號控制現場(chǎng)設備[5]。 

在制造或工業(yè)工廠(chǎng)車(chē)間，存在著(zhù)大量的電噪聲，而 這些環(huán)境中潛在的電壓尖峰、接地回路和共模信號極有 可能導致有害的停機時(shí)間、操作停止、機械故障和電子 設備損壞。因此，具備隔離性的工業(yè)IO控制（DIO）被 廣泛應用于各類(lèi)生產(chǎn)現場(chǎng)。這種隔離技術(shù)被稱(chēng)為光耦隔 離，即其各個(gè)引腳在物理和電氣上相互分離，所有進(jìn)出 DIO端口的輸入信號都使用光電耦合器封閉光通道中的 光傳輸。因為沒(méi)有物理連接，所以需要一個(gè)外部小直流 信號來(lái)給DIO供電，這使DIO能夠為任何工業(yè)應用提供 寬電壓兼容性和實(shí)時(shí)數據分析/洞察，無(wú)論是簡(jiǎn)化工廠(chǎng) 自動(dòng)化流程，還是優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)[6]。 

目前的工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC（Programmable LogicController）被廣泛應用，意為可編程邏輯控制 器，是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算 操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部 存儲執行邏輯運算、順序控制、定時(shí)、計數和算術(shù)運算 等操作的指令，通過(guò)數字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制 各種類(lèi)型的機械設備或生產(chǎn)過(guò)程。本文所介紹的自研國 產(chǎn)CPU邊緣控制器也是基于此理念開(kāi)發(fā)的。目前市場(chǎng)上 的PLC設備都是高度集成化的，為了適應不同的工業(yè)現 場(chǎng)，開(kāi)發(fā)者將各類(lèi)功能接口全部集成于一塊控制板上， 對一些生產(chǎn)種類(lèi)較為單一的生產(chǎn)現場(chǎng)并不實(shí)用，導致接 口浪費嚴重，性?xún)r(jià)比偏低。本文介紹的國產(chǎn)CPU邊緣控 制器則是獨創(chuàng )性地采用了模塊化功能區設計，將各類(lèi)功 能接口壓縮為獨立的功能板，可以根據需要安裝使用。 此外，功能板的UART串口可以兼容各類(lèi)微控制器及微 處理器，因此并不局限于本款邊緣控制器，具有很好的 通用性。

 3.2　IO輸出功能板 

3.2.1　基本參數信息 

圖4 IO輸出功能板實(shí)物照片 

表1 功能板主要接口及區域信息

圖5 IO輸出功能板接口示意圖 

圖4分別給出了數字IO擴展功能板中的輸出功能板 實(shí)物照片及部分主要接口和功能區域信息，圖5給出了 輸出功能板的接口對應示意圖。數字IO擴展功能板中的 輸出功能板為四層PCB制板工藝，在硬件電路組成上， 擁有12個(gè)24V直流信號接口、1個(gè)24V參考地。此外， 為了滿(mǎn)足多種工業(yè)現場(chǎng)的設備控制需求，功能板還提供了1路3.3V/5V的信號接口、1路3.3V/5V電源接口和1路 3.3V/5V參考地，上述接口均采用統一的KF2EDGSR3.5-2*8P規格接線(xiàn)端子。該款功能板具備N(xiāo)PN/PNP模 式調節功能，位于板上的3路排針處，左側對應為PNP 模式，右側對應為NPN模式，采用跳線(xiàn)帽調節；功能 板與控制基板或核心板通過(guò)UART串口通信，接口為 8路軟排線(xiàn)接口，分別為功能板提供3.3V/5V及24V電 源、串口通信及參考地。此外，為便于用戶(hù)自主設計功 能板控制程序，功能板還提供了一個(gè)Type-C接口用于 與微控制器上位機通信及燒錄程序。數字IO擴展功能板 中的輸出功能板如圖4所示，部分主要接口和功能區域 信息見(jiàn)表1，輸出功能板的接口對應示意圖如圖5所示。

 3.2.2　軟件設計及運行流程 

 圖6 RP2040微控制器 

 圖7 軟件運行流程 

該款I(lǐng)O功能板集成了專(zhuān)用微控制器，如圖6所示， 便于用戶(hù)自主定制適合各類(lèi)工控場(chǎng)合的控制軟件，微 控制器型號為RP2040。該款微控制器是樹(shù)莓派基金會(huì ) 于2021年初發(fā)布的一款40nm制程的微控制器，具備兩 個(gè)M0+處理器內核，最高時(shí)鐘可達133MHz。此外，它 擁有多達26個(gè)多功能的GPIO，可以與任何外部設備通 信，超低的功耗及微小的尺寸使其在工業(yè)控制領(lǐng)域也有 潛力被挖掘[7]。該款功能板的控制軟件程序采用Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，其運行流程如圖7所示，功能板串口初始化 后便始終處于循環(huán)接收狀態(tài)，當接收到核心板或基板的 電平信息后便開(kāi)始解碼工作，將信息譯為對應IO口的電 平數據，隨后響應至對應IO口，之后掃描全部IO口的 當前電平狀態(tài)，譯碼后再次通過(guò)串口發(fā)送至核心板或基 板。此外，功能板串口循環(huán)掃描過(guò)程的頻率可根據用戶(hù) 需求調節。 

3.3　IO輸入功能板 

3.3.1　基本參數信息 

圖8 IO輸入功能板實(shí)物照片 

表2 功能板主要接口及區域信息 

圖9 IO輸入功能板接口示意圖 

與輸出功能板相同，數字IO擴展功能板中的輸入 功能板也是四層PCB制板工藝。在硬件電路組成上，輸 入功能板擁有14個(gè)24V直流信號接口、1個(gè)24V直流電源 及1個(gè)24V參考地，與IO輸出功能板相同，上述接口也 都采用統一的KF2EDGSR-3.5-2*8P規格接線(xiàn)端子。此 外，該款功能板同樣具備N(xiāo)PN/PNP模式調節功能，位 于板上的3路排針處，左側對應為NPN模式，右側對應 為PNP模式，采用跳線(xiàn)帽調節；功能板與控制基板或核心板通過(guò)UART串口通信，接口為8路軟排線(xiàn)接口，分 別為功能板提供3.3V/5V及24V電源、串口通信及參考 地。此外，為便于用戶(hù)自主設計功能板控制程序，功能 板也提供了一個(gè)Type-C接口用于與微控制器上位機通 信及燒錄程序。數字IO擴展功能板中的輸入功能板如圖 8所示，部分主要接口和功能區域信息見(jiàn)表2，輸入功能 板的接口對應示意圖如圖9所示。 

3.3.2　軟件設計及運行流程 

圖10 軟件運行流程 

IO輸入功能板的軟件程序同樣采用Python語(yǔ)言開(kāi) 發(fā)，其運行流程如圖7所示，當功能板串口初始化后， 微控制器以固定頻率循環(huán)掃描當前的全部IO口電平狀 態(tài)，隨后將電平數據譯為占用信息碼并通過(guò)串口發(fā)送至 基板，隨后微控制器繼續以該頻率重復上述操作。與輸 出IO功能板相同，輸入IO功能板的電平掃描頻率也可 根據用戶(hù)需要調節。此外，基板通信信息碼為該款功能 板預定義，無(wú)特殊需要時(shí)不需要修改。

 4　結束語(yǔ) 

本文介紹了由中國航空制造技術(shù)研究院工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與 自動(dòng)化實(shí)驗室自主研制開(kāi)發(fā)的通用數字IO擴展功能板和 國產(chǎn)化CPU邊緣控制器以及它們的各類(lèi)應用參數，隨后 討論了數字IO擴展功能板的接口信息及軟件運行流程。 該款自研工業(yè)控制功能板很好地契合了我國工業(yè)控制領(lǐng) 域國產(chǎn)化自主化的發(fā)展路線(xiàn)，其系統運行穩定，制造成 本低廉，同時(shí)，其模塊化、自主定制化的特點(diǎn)也能更好 地滿(mǎn)足不同工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的邊緣控制需求，為我國邊緣 計算領(lǐng)域提供了一款更高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品。

作者簡(jiǎn)介：

 劉平凡（1995-），男，河北唐山人，工程師，碩士， 現就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣 計算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化等研究工作。

 鄒　方（1965-），男，湖南婁底人，研究員，碩士， 現就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事智能制造基礎 技術(shù)、系統控制與集成技術(shù)、邊緣計算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自 動(dòng)化等研究工作。 

何昭巖（1991-），男，吉林人，工程師，碩士，現就 職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣計 算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化等研究工作。 

秦玉波（1988-），男，河北邯鄲人，高級工程師，碩 士，現就職于中國航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、 邊緣計算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化、機器視覺(jué)等研究工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專(zhuān)輯》