기술원고

IO-Link 센서 디자인 ③

글/맥심인터그레이티드 기술부


이 섹션에서는 스마트 센서 디자인 방법을 비롯해 IO-Link 포트와 인터페이스하는 레거시 바이너리 센서를 지원하는 시스템 디자인 방법을 보여주기 위한 레퍼런스 디자인 사례에 대해 살펴보고자 한다.

센서 설계 시 고려 사항

IO-Link 센서의 기본 구조(그림 17)는 시스템 디자이너가 고려해야 하는 기본적인 빌딩 블록을 포함하고 있다.
• 센서 형태(옵티컬, 온도 등)
• 센서와 인터페이스하고 IO-Link 디바이스 스택을 구동하는 MCU
• IO-Link 트랜시버(또는 물리 계층/PHY)
• 전원 공급 및 다양한 전압과 전류 등급
• 커넥터 유형
• 서지(Surge) 보호

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[그림 17] IO-Link 센서의 빌딩 블록


IO-Link 스마트 센서 디자인의 특징

그림 18은 종이 클립과 비교한 MAXREFDES27 근접 센서(proximity sensor)를 보여준다. 종이 클립과 비교해보면, 크기가 얼마나 작은지 알 수 있다. 이 디자인은 IO-Link 버전 1.1 및 1.0과 호환되며 역극성(reverse-polarity)과 단락 보호(short-circuit protection) 뿐만 아니라 과도 전압 억제(transient voltage suppression) 기능을 포함하고 있다.

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[그림 18] MAXREFDES27 근접 센서(Proximity Sensor)

IO-Link 근접 센서: MAXREFDES27

MAXREFDES27는 적외선 IR 리시버와 IR LED 드라이버, IO-Link 트랜시버, 스텝 다운(step-down) 컨버터 등 8.2mm x 31.5mm 인쇄 회로 기판(PCB)에 탑재된 소형 IO-Link 근접 센서이다. 맥심 인터그레이티드는 TMG TE(Technologie Management Gruppe Technologie and Engineering)와 협력해 IO-Link 버전 1.1/1.0과 호환되는 근접 센서 레퍼런스 디자인으로 MAXREFDES27을 디자인했다. MAXREFDES27 디자인은 그림 19에 나와 있듯이 업계 표준 IO-Link 디바이스 트랜시버(MAX14821)와 소형 LDO(low-dropout) 선형 레귤레이터(MAX8532), 효율적인 고전압 스텝 다운 컨버터(MAX17552), TMG TE의 IO-Link 디바이스 스택을 활용하는 초전력 16비트 마이크로컨트롤러(RL78), 근접 센서(MAX44000)로 구성되어 있다.

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[그림 19] MAXREFDES27 IO-Link 근접 센서 블록 다이어그램

MAXREFDES27은 최소의 전력과 공간, 비용이 들기 때문에 많은 산업용 제어 및 자동화 근접 감지 애플리케이션에 다방면으로 사용되는 솔루션이다.
MAXREFDES27 IO-Link 디바이스 트랜시버는 컨피규레이션 가능한 출력(push-pull, PNP, NPN), 역극성(reverse-polarity)과 단락 보호(short-circuit protection), 광범위한 고장 진단 기능으로 IO-Link 버전 1.1/1.0 물리 계층과 호환되며 모든 것이 소형 2.5mm x 2.5mm WLP 패키지로 제공된다. MAX17552 초소형 고전압 동기 스텝 다운 컨버터는 24V를 5V로 변환한다. MAX8532는 5V를 2.85V로 변환한다.
MAX44000의 통합 LED 드라이버는 IR을 발광시킨 다음 I2C 인터페이스로 내부 IR 리시버를 사용해 목표물로부터 반사된 IR을 판독한다. IR LED 전류는 소프트웨어로 조절 가능하며 MAX44000은 패키지로 이용 가능하다. MAX44000이 포함된 서브보드인 MAXREFDES28은 메인 보드에 수직으로 배치되며, 초저전력 RL78/G1A 마이크로컨트롤러는 시스템을 제어한다.
TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드는 모두가 같은 것은 아니다. SDC36 TVS 다이오드는 55V 미만의 제한 전압(clamping voltae)을 갖고 있으며 IEC 61000-4-2(ESD)와 IEC 61000-4-4(EFT) 모두를 충족시킨다. 이러한 규격을 만족시키지 못하는 소형 TVS 다이오드도 많이 출시되어 있다. 24V(18V~30V) 시스템에서 저항기를 선택할 때 주의해야 한다. 디자이너들의 경우 가장 작은 크기의 소자가 필요할 수도 있지만 정상적인 작동 기간 동안 24V로 연결한다면 0201 케이스 크기의 저항기를 사용하는 것은 피해야 한다. 최대 전력 등급을 넘지 않더라도 최대 작동 전압을 넘어서면서 장애가 발생할 수 있다.
MAXREFDES27는 4와이어 또는 전통적인 3와이어 케이블 사용이 가능한 업계 표준 M12 커넥터를 사용해 비용을 낮출 수 있다. MAXREFDES27는 7mA(typ)미만을 소비한다.

소프트웨어 설명

MAXREFDES27는 TMG TE사의 TMG-USB IO-Link Master TS 하드웨어를 구매할 때 함께 제공되는 TMG IO-Link Device Tool V3를 사용해 인증되었다. 추가 정보가 필요할 경우 TMG TE에 연락하면 된다. 또한 부품 번호 BNI USB-901-000-A501인 Balluff USB IO-Link 마스터를 구매할 때 함께 제공되는 Balluff의 IO-Link Device Tool 버전 2.11.1을 사용해 인증되었다. IODD 파일(*.xml) 다운로드는 MAXREFDES27 제품 페이지의 Design Resources 섹션 아래에서 가능하며 소프트웨어 사용법에 대한 단계별 지침은 Quick Star 섹션에서 제공된다(그림 20).

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[그림 20] MAXREFDES27 소프트웨어 인터페이스

IO-Link 디지털 입력 허브: MAXREFDES36

PLC와 DCS(distributed control system)는 다른 모든 입력 신호 형태보다 많은 디지털 입력을 사용한다. 산업용 디지털 입력을 위해 PLC 후면에 병렬로 와이어를 배치하는 것은 비용이 많이 들 뿐만 아니라 와이어가 집약되어 있어 관리하기 어렵다. 필드버스는 I/O 인터페이스를 PLC로부터 필드 센서에 가까이 마운트된 원격지의 I/O 허브로 이동시킴으로써 이러한 문제점을 상당히 개선했다. IO-Link는 PLC로부터 직접 기능할 수 있으며 모든 표준형 필드버스와 통합될 수 있기 때문에 MAXREFDES36와 같은 스마트 디바이스와의 보편적인 통신을 위한 사실상의 표준이 되고 있다.
MAXREFDES36는 소형 53.75mm x 72mm PCB의 IO-Link 16채널 디지털 입력 허브이다. 맥심 인터그레이티드는 TMG TE와 협력해 IO-Link 버전 1.1/1.0과 호환되는 디지털 입력 허브 레퍼런스 디자인으로 MAXREFDES36을 설계했다. MAXREFDES36 디자인은 그림 21에 나와 있듯이 업계 표준 IO-Link 디바이스 트랜시버(MAX14821)와 효율적인 고전압 스텝 다운 컨버터(MAX17552), TMG TE의 IO-Link 디바이스 스택을 활용하는 르네사스 초전력 16비트 마이크로컨트롤러(RL78), 두 개의 디지털 입력 직렬 변환기(MAX31913*)로 구성되어 있다.
*MAX31913의 대체로 MAX31910 혹은 31911 추천

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[그림 21] MAXREFDES36 디지털 입력 허브 블록 다이어그램

소프트웨어 설명

MAXREFDES36는 TMG-USB IO-Link 마스터 TS 하드웨어를 구매할 때 함께 제공되는 TMG IO-Link Device Tool V3를 사용해 인증되었다. 추가 정보를 원할 경우 TMG TE에 연락하면 된다. 또한 부품 번호 BNI USB-901-000-A501인 Balluff USB IO-Link 마스터를 구매할 때 함께 제공되는 Balluff의 IO-Link Device Tool 버전 2.11.1을 사용해 인증되었다. IODD 파일(*.xml) 다운로드는 MAXREFDES36 제품 페이지의 Design Resources 탭의 Download All Design Files 섹션에서 가능하며 소프트웨어 사용법에 대한 단계별 지침은 Quick Start 섹션에서 제공된다. 그림 22는 Balluff IO-Link Device Tool의 스크린샷이다.

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[그림 22] Balluff IO-Link 디바이스 소프트웨어

기사입력 : 2018-10-08