Die I/O Module des Revolution Pi

Revolution Pi IO-Modul

Nachdem wir euch in den letzten zwei Wochen den RevPi Core näher gebracht haben, widmen wir uns diese Woche den digitalen IO-Modulen.

Versionen

Die IO-Module gibt es in 3 Versionen, die alle den gleichen 28-poligen IO-Steckverbinder an der Frontseite besitzen (Stecker mit 2 Reihen á 14 Stiften – 2 passende 14-polige Buchsenleisten mit Federklemmkontakten für den Anschluss von bis zu 1,5 mm² Schaltlitze werden mitgeliefert):

  • Die Standardversion RevPi DIO besitzt 14 digitale Ein- & 14 digitale Ausgänge
  • Die Spezialversion RevPi DI besitzt 16 digitale Eingänge und keine Ausgänge
  • Die Spezialversion RevPi DO besitzt 16 digitale Ausgänge und keine Eingänge

Bei allen 3 Varianten sind die Ein- bzw. Ausgänge vom Logikteil mit der PiBridge galvanisch getrennt (600 VRMS Isolationsspannung). Bei der Standardversion RevPi DIO sind die Eingänge ebenfalls von den Ausgängen galvanisch getrennt. Alle 3 Versionen sind gemäß EN61131-2 gegen Störungen geschützt und können zwischen -40 und +50°C Umgebungstemperatur und bis zu 80% relativer Luftfeuchtigkeit betrieben werden.*

Für die zyklische Übertragungszeit der Daten zwischen dem RevPi Core und den IO-Modulen haben wir folgende Testergebnisse je nach Systemkonfiguration:
Bei einem IO-Modul und zwei Gateway Modulen wird eine Zykluszeit von 5 ms garantiert. Bei drei IO-Modulen und zwei Gateway-Modulen wird eine Zykluszeit von 10 ms garantiert. Dies gilt nur bei korrekter Konfiguration der Task-Prioritäten im Scheduler des Betriebssystems.

Stromversorgung

Wegen der galvanischen Trennung benötigt der Logikteil (Verbindung über PiBridge mit dem RevPi Core) eine eigene Stromversorgung, an dessen Stecker mit Schraubklemmkontakten ebenfalls die Funktionserde angeschlossen werden muss. Das Netzteil arbeitet mit 10,2 V bis 28,8 V Eingangsspannung und benötigt nur maximal 50 mA Strom (bei 24 V; 100 mA bei 12 V) für den STM32F205 Prozessor, der die Kommunikation über die PiBridge steuert und über eine galvanische Trennung und zwei SPI Schnittstellen mit den Ein- und Ausgangsschaltungen verbunden ist. Das Netzteil überbrückt bei 24 V Betrieb Spannungseinbrüche von bis zu 77 ms (8 ms bei 10,2 V Eingangsspannung).

Für eine einwandfreie galvanische Trennung kann und sollten die Ein- und Ausgänge über einen weiteren 4-poligen robusten Stecker mit Schraubklemmverbindern an eine jeweils eigene und getrennte Stromversorgung angeschlossen werden, die jeweils auch die angeschlossenen Sensoren (Schalter, Kontakte) bzw. Aktoren (Relais etc.) versorgen. Diese Stromversorgungen dürfen ebenfalls zwischen 10,2 und 28,8 V Spannung haben. Allerdings ergeben sich normkonforme Schaltschwellen der Eingänge nur bei 24 V Versorgung des Eingangsbereichs. Der maximale Strombedarf für die Eingangsschaltung liegt dabei unter 10 mA. Der Strombedarf für die Ausgänge hängt natürlich von der an den Ausgängen angeschlossenen Last ab, die bis zu 500 mA Strom pro Kanal (also 8 A Gesamtstrom bei der 16DO Variante) ziehen darf.

Alle Spannungsversorgungsanschlüsse sind verpolungssicher und gegen Überspannungen und schnelle Störungspannungen bzw. Störströme gemäß der Forderungen der EN61131-2 geschützt.

Funktionalität

Die an den Eingängen anliegenden Schaltzustände, sowie die Schaltzustände, die an den Ausgängen anliegen sollen, werden zyklisch über die PiBridge und durch den PiControl Treiber mit dem zentralen Prozessabbild des RevPi Core ausgetauscht. Außer diesen Schaltzuständen werden zyklisch auch mögliche Fehlerzustände („Diagnose“) und Konfigurationswerte ausgetauscht.

Beim Start des Gesamtsystems wird eine Modulerkennungssequenz abgearbeitet, über die der RevPi Core alle angeschlossenen RevPi DIO und deren physikalische Einbauposition erkennt. Danach bekommen die DIO-Module Konfigurationswerte übermittelt, die nicht im zyklischen Datenverkehr enthalten sind. Anschließend wir der zyklische Datenaustausch über RS485 und ein zeitoptimiertes Protokoll abgewickelt.

Da der Gesamtübertragungsweg nicht beliebig schnell ist, können die Ausgänge nicht für PWM oder Schrittmotoren sinnvoll genutzt werden. Dafür wird es ein spezielles RevPi MOT Modul geben. Aus gleichem Grund sind die Eingänge auch nicht für schnelle Encoder geeignet, die mit mehr als 100 Hz abgetastet werden müssen. Auch diese Aufgabenstellung wird das RevPi MOT Modul übernehmen.

Eingänge

Die Eingänge arbeiten bei 24 V Versorgung mit Schaltschwellen, wie sie die Norm EN61131-2 für Typ 1 und 3 fordert. Dabei wird der Eingangsstrom pro Eingang auf maximal 2,4 mA limitiert. Bei 12 V Spannungsversorgung greift diese Norm nicht mehr. Sollte die Versorgungsspannung einbrechen und unter 9 V fallen, wird automatisch ein Alarm an den RevPi Core gesendet, um anzuzeigen, dass die übertragenen Eingangswerte nicht mehr zuverlässigen Schaltschwellen nach Norm gemäß 24 V Schaltlogik entsprechen.

Ein einstellbarer Tiefpassfilter kann zum Entprellen von Eingangssignalen verwendet werden. Er kann immer nur für alle Eingänge gleichzeitig geschaltet werden. Der Filter gibt nur Änderungen der Eingänge weiter, wenn ein Eingang für mindestens 25 µs, 750 µs oder 3 ms einen stabilen Zustand annimmt. Der Filter kann auch ganz abgestellt werden. Die Eingänge sind gegen statische Entladungen, Burst- und Surge- Impulse gemäß der Forderungen von EN61131-2 geschützt.

Ausgänge

Jeder der Ausgänge kann getrennt als High-Side-Switch mit bis zu 500 mA Strombelastbarkeit oder als Push-Pull-Ausgang mit mindestens 100 mA Strombelastbarkeit konfiguriert werden. Alle Ausgänge sind unabhängig vom Betriebsmodus kurzschlussfest. Eine Watchdog-Schaltung sorgt dafür, dass die Ausgänge auf 0 (sicherer Zustand) gestellt werden, sobald der STM Prozessor keine Daten mehr von der PiBridge zu den Ausgängen überträgt. Auch bei Unterspannung an dem Stromversorgungsanschluss für die Ausgänge oder Übertemperatur werden die Ausgänge auf 0 gestellt. Diese letzten beiden Fehlerzustände als auch das Ansprechen der Kurzschlusssicherung pro Kanal werden über die PiBridge an den RevPi Core übermittelt.

Zusätzlich können die Ausgänge so konfiguriert werden, dass bei High-Side Ausgangstyp auch eine „Open-Load“-Erkennung (Leitungsbruch) eingeschaltet und ein entsprechender Alarm an den RevPi Core übermittelt wird. Genau wie die Eingänge, sind auch die Ausgänge gegen statische Entladungen, Burst- und Surge- Impulse gemäß der Forderungen von EN61131-2 geschützt.

 

*Temperaturbereich ist abhängig vom Gesamtausgangsstrom. Test stehen noch aus, nähere Angaben erfolgen sobald Testergebnisse vorliegen.

14 Gedanken zu „Die I/O Module des Revolution Pi“

    1. Hallo Mario,
      ja, das kann man tun. Theoretisch alle 16 Ausgänge des DO Modells, also 8 A. Aber wir empfehlen dies nicht, denn nach ersten Messergebnissen darf unter dieser Maximallast die Umgebungstemperatur nur 40°C sein. Wir reichen aber dazu noch Daten nach. Wir empfehlen ganz klar bei hohen Schaltströmen ein Relais einzusetzen. Für unter 15 Euro bekommt man z.B. von Finder sehr schmale Relais, auch als Halbleiterversion. Darf ich fragen, welche Anwendung Du im Kopf hast? Mir ist nämlich jetzt so auf Anhieb kein typischer Schütz oder Ventil oder Signallampe bekannt, die als 24 V Ausführung mehr als 12 W Leistungsaufnahme hat.

      1. Hallo Volker,

        die Anwendung wären z.B. Hochleistungs- LED Gruppen, die in der Summe ca. 700mA oder mehr benötigen. Könnt Ihr auch Angaben dazu machen, was die Dauerbelastung und Impulsbelastung der Ausgänge angeht? Ich vermute, dass die Ausgänge bzw. die Ausgangstreiber auch über einen zusätzlichen Thermoschutz verfügen, ist das richtig?

        Mario Hofmann

        1. Hallo Mario,
          zur thermischen Absicherung wurde alles im Newsletter gesagt. Die Überstromsicherung der Kanäle zieht erst bei Strömen über 1 A, aber aus thermischen Gründen sollte die Grenze von 800 mA pro Kanal nicht überschritten werden (die thermische Sicherung würde da ansprechen). Theoretisch würde also schon 1 Kanal diese Anwendung abdecken können. Allerdings nicht bei einer Summenbelastung von 16 Kanälen. Aber wie schon im Newsletter angemerkt: Genaue Daten müssen wir leider nachliefern, weil noch Messungen in Klimaschränken dazu ausstehen. Bitte einfach noch ein wenig Geduld haben…
          LED-Beleuchtungen in der Industrie (z.B. für optische Sensoren etc.) würde ich aber immer empfehlen über ein externes Relais zu schalten, um wirklich thermisch unabhängig zu bleiben (die Mehrkosten sind ja minimal und auch der Platzbedarf). Und für die smart home Welt ist der RevPi Core nur bedingt ausgelegt. Für diese Welt mit ganz anderen Anforderungen werden wir 2017 Lösungen präsentieren. Mehr Infos dazu gibt es aber aktuell leider nicht.

  1. Hallo Volker,

    Du schreibst, dass die Anbindung der DIO- Module über eine RS-485 an das Core- Module erfolgt, lässt sich daraus schließen, dass eine abgesetzte Montage über ein Verbindungskabel statt über einen Verbindungsstecker prinzipiell möglich wäre? Wenn ja, über welche Distanz?
    Mario Hofmann

    1. Hallo Mario,
      abgesehen davon, dass es keine wirklich profesionelle mechanische Lösung für den Ersatz der Kopelstecker zwischen den Modulen gibt, ist diese Art des betriebs so nicht von uns vorgesehne. Wie schon beschrieben, sind auf der PiBridge ja auch weitere Signale, die für eine Mpdulerkennung zwingend erforderlich sind. Der Betrieb mit PiControl würde daher ohne PiBridge und nur mit RS485 nicht funktionieren.

    1. Hallo Gunnar,

      Definitiv Ja: Ein Analog-Modul ist bereits in der Entwicklung. Jedoch wird dieses zum Revolution Pi Verkaufsstart im November 2016 noch nicht erhältlich sein, sondern erst aller Voraussicht nach im Frühjahr 2017.

  2. Hallo,

    wird es auch vileicht noch Module geben wo die Möglichkeit besteht PH und Redox werte auswerten zu können?
    Und ein Modul zu Steuern eines Umschaltbaren Netzteils, wo Spannung und Strom geregelt werden können.
    z.b. für eine Salzelektrolyse

    1. Hallo Ingo,
      es wird ein hochgenaues Analogmodul geben, welches Spannungs- und Stromschleifeneingänge hat und auch PT100/1000 Messungen durchführen kann. Wenn ich recht informiert bin, so haben übliche Sonden eine Spannung von 60 mV pro pH. Da wir industrielle Analogeingänge mit 10 V haben werden könnten wir mit Kalibrierung sicher noch auf 0,2 pH genau die Spannung messen. ABER: pH Sonden benötigen einen extrem hochohmigen Eingang (>10^10 Ohm) und das bieten unsere Eingänge sicher nicht. Daher sollten die Sonden über einen gängigen Messwandler (pH auf 4-20 mA Strom) angeschlossen werden.
      Da aber generell der Anschluss solcher Sonden für die Aquaristik hoch interessant ist, könnte ich mir vorstellen, dass wir diesen Vorschlag mal auf die ToDo-Liste setzen 🙂

        1. Hallo Till,
          im Forum haben wir dazu einiges geschrieben (Hardwarebereich). Zum Zeitplan können wir keine konkreteren Aussagen machen. Wir hoffen nach wie vor zur embedded world in Nürnberg das Modul vorstellen zu können und bis dahin dann auch alle Prüfungen im Testlabor abgeschlossen zu haben.

    1. im industriellen Bereich macht das aus unserer Sicht wenig Sinn. Es gibt hervorragende Relais für die Hutschiene, die man dann der zu schaltenden Leistung entsprechend auswählen kann. Relais sind Verschleißteile, weshalb der feste Einbau in Module nicht empfehlenswert ist. Hinzu kommt noch ein anderes Problem: Oft sollen hohe Spannungen (über 40 V ) geschaltet werden. Wenn wir so ein Modul für diese Spannungen freigeben würden, dann würde es verschärften Auflagen für CE bzw. die EN61131-2 unterliegen. Wenn zum Beispiel keine 16 A geschaltet werden könnten (wie das bei diversen angeblich industrietauglichen Raspi oder Arduino Nachbauten der Fall ist), dann dürfen solche Relais nicht an üblichen Stromkreisen betrieben werden, die für Ströme bis zu 16 A abgesichert sind (z.B. im smart home Bereich). Externe Hutschienenrelais machen einfach mehr Sinn.

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