有些小企業(yè)的工業(yè)作業(yè)需要同時滿足惡劣工作環(huán)境、高 I/O 能力和復(fù)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(shè)計師現(xiàn)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(xiàn)有效的工業(yè)監(jiān)視和控制。

Raspberry Pi Foundation 的微小型 Raspberry Pi 3 及其相關(guān)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(jiān)視和控制應(yīng)用。

Raspberry Pi 為何適用于小企業(yè)工業(yè)控制

對于很多較小作業(yè)規(guī)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(fā)板結(jié)合了基于 Broadcom ARM? Cortex?-A53 的處理器、1 GB RAM、數(shù)字接口、Wi-Fi 和藍牙連接，完全能夠勝任專門的工業(yè)自動化任務(wù)。處理器本身就是一個高性能的片上系統(tǒng) (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(diào)制器、時鐘和串行接口。開發(fā)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(chǎn)品一樣，Raspberry Pi 3 充分簡化了嵌入式開發(fā)，初學(xué)者亦能輕松上手，同時仍不失足夠強大，可以滿足經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員更復(fù)雜、更強大的處理要求。

開始時，開發(fā)人員只需將開發(fā)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(biāo)。對于軟件設(shè)計，開發(fā)人員則有著廣泛的生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐，受到 Raspberry Pi Foundation 的基于 Linux 的免費 Raspbian 操作系統(tǒng)支持，且該操作系統(tǒng)可通過該開發(fā)板的微型 SD 接口從存儲卡加載。

增加工業(yè)處理能力

除了具有高性能和易開發(fā)的優(yōu)勢以外，Raspberry Pi 用于擴展其功能的簡化方法也非常適合工業(yè)自動化應(yīng)用的各種要求。需要增加硬件的能力時，開發(fā)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(fā)板上即可。與更復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)一樣，HAT 提供了用于識別 HAT 以及根據(jù)需要自動配置 GPIO 和驅(qū)動程序的標(biāo)準(zhǔn)方法。因此，開發(fā)人員只需插入 Pimoroni PIM213 Automation HAT（圖 1），即可針對工業(yè)應(yīng)用立即將自己的 Raspberry Pi 系統(tǒng)升級。

圖 1：開發(fā)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(xiàn)工業(yè)自動化的基礎(chǔ) Raspberry Pi 3 開發(fā)板。（圖片來源：Pimoroni）

專為監(jiān)測和控制自動化系統(tǒng)而設(shè)計的 Pimoroni Automation HAT 組合了多個 I/O 通道，包括模擬和數(shù)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(qū)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(fā)，Pimoroni 提供了一個相關(guān)的 Python 模塊，只需要編寫幾行代碼，就可使用 HAT 的硬件功能。當(dāng)導(dǎo)入到 Python 程序時，Pimoroni 模塊會創(chuàng)建軟件對象，以控制模擬輸入、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、繼電器輸出和 LED 燈，所有這些功能都包含相應(yīng)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(wù)處理，如從板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 讀取讀數(shù)，而簡化開發(fā)工作。（圖片來源：Pimoroni）

每個對象都可以識別相應(yīng)的通道和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)創(chuàng)建時，模擬輸入對象包含關(guān)聯(lián)引腳的最大電壓（請參見列表 1 中的 init 函數(shù)）。為了執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 轉(zhuǎn)換，ADC 對象會調(diào)用底層的 ADC 模塊（列表 1 中的 ads1015.read）。隨后，ADC 模塊會執(zhí)行設(shè)置 ADC 和執(zhí)行轉(zhuǎn)換所需的低級別 I2C 事務(wù)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(zhuǎn)換的更高級別函數(shù)調(diào)用會調(diào)用一個讀取例程，此例程會執(zhí)行 I2C 總線寫入以開始進行轉(zhuǎn)換，并休眠足夠長的時間以便轉(zhuǎn)換完成，然后執(zhí)行 I2C 總線讀取以收集結(jié)果。（圖片來源：Pimoroni）

但對于開發(fā)人員而言，當(dāng)讀取模擬值時，只需對模擬對象的指定模擬輸入 (.one) 執(zhí)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(xiàn)其他的 HAT 功能，因此打開或關(guān)閉繼電器也是一個簡單的調(diào)用：

automationhat.relay.write(1) # 1 = ON, 0 = OFF

靈活的選擇

Pimoroni Automation HAT 提供了小型工業(yè)自動化應(yīng)用所需的基本 IO 功能，但開發(fā)人員可以選擇多種可用的 HAT，以實現(xiàn)工業(yè)自動化等專業(yè)應(yīng)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(fā)板本身的標(biāo)準(zhǔn)功能。Raspberry Pi 設(shè)計師希望開發(fā)人員始終將開發(fā)板連接到因特網(wǎng)，以便能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (NTP) 保持時鐘時間。因此，對于因設(shè)計本意或意外與因特網(wǎng)斷開連接的設(shè)計，需要使用外部 RTC，例如 Adafruit RTC HAT。

當(dāng)增加 RTC 等功能時，開發(fā)人員在工業(yè)自動化設(shè)計中無需只使用一個 HAT。開發(fā)人員可以在 Raspberry Pi 開發(fā)板上疊接多個 HAT。盡管大多數(shù) HAT 經(jīng)過專門設(shè)計可進行疊接，但開發(fā)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(fā)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(yè)自動化應(yīng)用所需的電機驅(qū)動器。每個 2348 電機 HAT 都可以驅(qū)動兩個步進電機或四個直流電機。實際上，開發(fā)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(fā)人員可以疊接多個 Adafruit 2348 電機 HAT，以便在設(shè)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(shè)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(fā)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(fā)人員能夠分別獲得大量的可用 Arduino 盾板、Grove 器件和 MikroBUS click 板。

使用這些開發(fā)板時，開發(fā)人員可以通過連接 MikroElektronika MIKROE-988 CAN click 板，快速添加標(biāo)準(zhǔn) 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。

完成小企業(yè)設(shè)計

即使為基于 Raspberry Pi 的設(shè)計快速配置了所需的擴展功能后，開發(fā)人員通常也需要花費時間構(gòu)建相應(yīng)的用戶界面。而使用 Raspberry Pi 3 之后，開發(fā)人員就可以將設(shè)計連接到 Adafruit 的 IO 云服務(wù)，從而為用戶提供自動化流程的圖形化反饋和控制。云服務(wù)允許開發(fā)人員創(chuàng)建簡單的數(shù)據(jù)和流程信息饋送（列表 4），并構(gòu)建儀表板以允許用戶從臺式機、智能手機或其他移動設(shè)備上的任何 Web 瀏覽器監(jiān)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(fā)人員可以輕松地將數(shù)據(jù)從工業(yè)自動化應(yīng)用傳輸?shù)?Adafruit IO 云服務(wù)，進行顯示和控制。（圖片來源：Adafruit）

圖 3：開發(fā)人員可以顯示來自基于 Raspberry Pi 3 的工業(yè)自動化應(yīng)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(fā)、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(yè)自動化應(yīng)用的解決方案。但在某些這樣的應(yīng)用中，與使用 RTC 的配置（例如 Adafruit 3013 RTC HAT）相比，開發(fā)人員可能需要更嚴(yán)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(fā)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(yīng)用，開發(fā)人員需要使用處理器的系統(tǒng)定時器開發(fā)定制軟件功能，或者構(gòu)建能夠以所需的速率生成中斷的定制硬件計數(shù)器。

在需要更快的定時分辨率的應(yīng)用中，同樣重要的要求將變成確定性響應(yīng)延遲。在高速率下，標(biāo)準(zhǔn) Raspbian 操作系統(tǒng)中的響應(yīng)延遲變化可能會影響精度。盡管標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)可能以微秒級分辨率提供具有足夠確定性的響應(yīng)，但開發(fā)人員可能需要借助使用 Linux PREEMPT_RT 補丁的方法來滿足更嚴(yán)格、更具確定性的分辨率要求。

總結(jié)

傳統(tǒng) PLC 提供的能力通常超出小規(guī)模制造業(yè)、加工業(yè)和原型開發(fā)車間的大多數(shù)較小工業(yè)作業(yè)的要求和預(yù)算。對于這些應(yīng)用，操作員面臨的要求通常較低，Raspberry Pi 3 完全可以勝任。

開發(fā)人員可以使用 Raspberry Pi 3 和相應(yīng)的擴展板，快速實施能夠滿足廣泛小企業(yè)作業(yè)要求的專用工業(yè)自動化系統(tǒng)。