★中國(guó)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(duì)邊緣控制器最重要的輸入輸出功能板，本研究在電路設(shè)計(jì)上采用四 層PCB設(shè)計(jì)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路軟排線接口，應(yīng)用高性價(jià)比的樹(shù)莓派RP2040微處理器進(jìn)行核心板接 口通信，設(shè)計(jì)了功能板控制流程，并基于Python語(yǔ)言通過(guò)循環(huán)檢測(cè)IO端口電平信 息或接收核心板數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)IO口的輸入輸出響應(yīng)。在工程設(shè)計(jì)上，本研究還兼顧 了功能板的機(jī)械尺寸與布局，使其結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理。 

關(guān)鍵詞：數(shù)字IO擴(kuò)展；邊緣計(jì)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5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù) 據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，對(duì)算力、延時(shí)提出了更高 要求，能夠在靠近數(shù)據(jù)源頭位置提供算力服務(wù)的邊緣 計(jì)算正快速興起[1]。在此之前，云計(jì)算已經(jīng)誕生，為企 業(yè)提供了可擴(kuò)展性、可靠性、安全性和易用性。然而， 云計(jì)算并不是完美的，其集中化的特性意味著無(wú)論終 端設(shè)備（如智能手機(jī)）位于何處，數(shù)據(jù)都需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò) （如4G蜂窩連接）從終端設(shè)備傳輸?shù)皆铺峁┥痰臄?shù)據(jù) 中心，然后再反向操作，到達(dá)終端設(shè)備。對(duì)于需要快速 傳輸大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，這可能既緩慢又昂貴，而云 計(jì)算的這一缺憾恰恰是邊緣計(jì)算的用武之地。作為一種 分布式計(jì)算范式，邊緣計(jì)算使計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更接近需 要的位置，以提高響應(yīng)時(shí)間和節(jié)省帶寬，由此也引出了 邊緣計(jì)算的定義—在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng) 絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開(kāi)放平臺(tái)，就 近提供最近端服務(wù)，具有低延遲、安全、節(jié)約成本、高 可靠性等幾大優(yōu)勢(shì)[2]。 

正是基于邊緣計(jì)算的上述優(yōu)勢(shì)及潛在的應(yīng)用前景， 中國(guó)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(yàn)室自主 開(kāi)發(fā)出了一款專用于邊緣計(jì)算領(lǐng)域的終端設(shè)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制，以及實(shí)現(xiàn)IO采集、無(wú) 線傳輸、遠(yuǎn)程運(yùn)維、機(jī)器視覺(jué)、數(shù)據(jù)庫(kù)與邊緣計(jì)算等多 種功能，可無(wú)縫整合IT與OT，在邊緣側(cè)協(xié)同遠(yuǎn)程工業(yè) 云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的智能控制，提高了設(shè)備智能化水平。 該款邊緣控制器為全自主國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制作，其CPU、基 板、功能板的選型、設(shè)計(jì)、繪制及制板焊接，包括外殼 設(shè)計(jì)制作均為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室及國(guó)內(nèi)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(yīng)用于各類工業(yè)控制設(shè)備。本文所介紹的 數(shù)字IO擴(kuò)展功能板作為該邊緣控制器的一個(gè)獨(dú)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(diào)節(jié)，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(yīng)各類工業(yè) 生產(chǎn)現(xiàn)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價(jià)比的工業(yè)控制IO擴(kuò)展功能板。

 2　邊緣控制器介紹 

該款邊緣控制器采用完全國(guó)產(chǎn)化的自研CPU。該 款CPU采用四核Cortex-A53架構(gòu)，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(jí)運(yùn)行溫寬，支持絕大部分 當(dāng)前流行的視頻及圖片格式解碼，具有穩(wěn)定可靠的工業(yè) 級(jí)產(chǎn)品性能、低功耗以及豐富的用戶接口等優(yōu)勢(shì)，可搭 載Linux、Android、Ubuntu等操作系統(tǒng)，適用于車 載電子、電力、醫(yī)療、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、智能終端等 領(lǐng)域[3-4]。 

圖1 國(guó)產(chǎn)CPU邊緣控制器實(shí)物照片 

該款國(guó)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(cè)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(guó)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(yīng)的信息提示燈。 通過(guò)集成本文所介紹的數(shù)字IO擴(kuò)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)， 為了滿足更多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，數(shù)字IO擴(kuò)展功能板還提 供了3路3.3V信號(hào)輸出接口及1路24V直流電源輸出。

圖2 國(guó)產(chǎn)CPU邊緣控制器接口圖示 

3　數(shù)字IO擴(kuò)展功能板設(shè)計(jì) 

3.1　工業(yè)IO控制 

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，IO控制最接近設(shè)備端，面臨 著復(fù)雜多樣的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備環(huán)境，除了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溫 度、濕度、氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù)外，還要面臨復(fù)雜的電氣環(huán) 境。比較常見(jiàn)的IO信號(hào)有AI、AO、DI、DO、HSC、 RTD等，工業(yè)控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖3所示。下面介紹 一下部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中較為常見(jiàn)的IO信號(hào)。

 圖3 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)拓?fù)鋱D示例 

（1）AI（Analog Input，模擬量輸入）。將現(xiàn)場(chǎng) 模擬量信號(hào)即4—20mA、0—5V、0—10V等電流或電 壓信號(hào)，輸入到PLC/ESD中。現(xiàn)場(chǎng)的溫度變送器、壓 力變送器均為AI信號(hào)，AI信號(hào)接入PLC/ESD后，通過(guò) 量程轉(zhuǎn)化后傳給HMI，用于顯示現(xiàn)場(chǎng)的溫度值、壓力 值，方便監(jiān)控生產(chǎn)情況。同時(shí)需要參與連鎖的AI信號(hào)， 由PLC/ESD利用其數(shù)據(jù)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(hào)即4—20mA、0—5V、0— 10V等電流或電壓信號(hào)，用于控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，主要設(shè)備 有變頻器，調(diào)節(jié)閥等。AO信號(hào)由HMI人工操作，或者 由PLC/ESD進(jìn)行邏輯編程（PID調(diào)節(jié)），自動(dòng)輸出信號(hào) 控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 

（3）DI（Digital Input，數(shù)字輸入信號(hào)）。開(kāi)關(guān) 量輸入信號(hào)，只有回路閉合與回路斷開(kāi)兩種狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng) 主要設(shè)備為閥門(mén)的反饋、運(yùn)動(dòng)設(shè)備的到位情況、安防信 號(hào)等。DI信號(hào)接入PLC/ESD后，通過(guò)HMI反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)閥 門(mén)開(kāi)關(guān)情況、運(yùn)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及是否有安防報(bào)警 等。同時(shí)需要參與連鎖的DI信號(hào)，由PLC/ESD利用其 數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯編程。 

（4）DO（Digital Output，數(shù)字輸出信號(hào)）。開(kāi) 關(guān)量輸出信號(hào)，由PLC/ESD輸出啟動(dòng)或停止的信號(hào)給 設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備有電磁閥、電機(jī)、泵等。需要特別 提醒，一般PLC/ESD的DO模塊回路負(fù)載比較小，因此 DO應(yīng)用一般是由DO驅(qū)動(dòng)繼電器，再由繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，起到了隔離保護(hù)的作用。DO信號(hào)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(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[5]。 

在制造或工業(yè)工廠車間，存在著大量的電噪聲，而 這些環(huán)境中潛在的電壓尖峰、接地回路和共模信號(hào)極有 可能導(dǎo)致有害的停機(jī)時(shí)間、操作停止、機(jī)械故障和電子 設(shè)備損壞。因此，具備隔離性的工業(yè)IO控制（DIO）被 廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。這種隔離技術(shù)被稱為光耦隔 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(hào)都使用光電耦合器封閉光通道中的 光傳輸。因?yàn)闆](méi)有物理連接，所以需要一個(gè)外部小直流 信號(hào)來(lái)給DIO供電，這使DIO能夠?yàn)槿魏喂I(yè)應(yīng)用提供 寬電壓兼容性和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析/洞察，無(wú)論是簡(jiǎn)化工廠 自動(dòng)化流程，還是優(yōu)化生產(chǎn)線[6]。 

目前的工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC（Programmable LogicController）被廣泛應(yīng)用，意為可編程邏輯控制 器，是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算 操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部 存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算 等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制 各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。本文所介紹的自研國(guó) 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(shè)備都是高度集成化的，為了適應(yīng)不同的工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)，開(kāi)發(fā)者將各類功能接口全部集成于一塊控制板上， 對(duì)一些生產(chǎn)種類較為單一的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)并不實(shí)用，導(dǎo)致接 口浪費(fèi)嚴(yán)重，性價(jià)比偏低。本文介紹的國(guó)產(chǎn)CPU邊緣控 制器則是獨(dú)創(chuàng)性地采用了模塊化功能區(qū)設(shè)計(jì)，將各類功 能接口壓縮為獨(dú)立的功能板，可以根據(jù)需要安裝使用。 此外，功能板的UART串口可以兼容各類微控制器及微 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(shù)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(qū)域信息

圖5 IO輸出功能板接口示意圖 

圖4分別給出了數(shù)字IO擴(kuò)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(qū)域信息，圖5給出了 輸出功能板的接口對(duì)應(yīng)示意圖。數(shù)字IO擴(kuò)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(hào)接口、1個(gè)24V參考地。此外， 為了滿足多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備控制需求，功能板還提供了1路3.3V/5V的信號(hào)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(tǒng)一的KF2EDGSR3.5-2*8P規(guī)格接線端子。該款功能板具備NPN/PNP模 式調(diào)節(jié)功能，位于板上的3路排針處，左側(cè)對(duì)應(yīng)為PNP 模式，右側(cè)對(duì)應(yīng)為NPN模式，采用跳線帽調(diào)節(jié)；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，為便于用戶自主設(shè)計(jì)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(jī)通信及燒錄程序。數(shù)字IO擴(kuò)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(qū)域 信息見(jiàn)表1，輸出功能板的接口對(duì)應(yīng)示意圖如圖5所示。

 3.2.2　軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)行流程 

 圖6 RP2040微控制器 

 圖7 軟件運(yùn)行流程 

該款I(lǐng)O功能板集成了專用微控制器，如圖6所示， 便于用戶自主定制適合各類工控場(chǎng)合的控制軟件，微 控制器型號(hào)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(nèi)核，最高時(shí)鐘可達(dá)133MHz。此外，它 擁有多達(dá)26個(gè)多功能的GPIO，可以與任何外部設(shè)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(yùn)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(dāng)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(duì)應(yīng)IO口的電 平數(shù)據(jù)，隨后響應(yīng)至對(duì)應(yīng)IO口，之后掃描全部IO口的 當(dāng)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(jù)用戶 需求調(diào)節(jié)。 

3.3　IO輸入功能板 

3.3.1　基本參數(shù)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(qū)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(shù)字IO擴(kuò)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(hào)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(tǒng)一的KF2EDGSR-3.5-2*8P規(guī)格接線端子。此 外，該款功能板同樣具備NPN/PNP模式調(diào)節(jié)功能，位 于板上的3路排針處，左側(cè)對(duì)應(yīng)為NPN模式，右側(cè)對(duì)應(yīng) 為PNP模式，采用跳線帽調(diào)節(jié)；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，為便于用戶自主設(shè)計(jì)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(jī)通 信及燒錄程序。數(shù)字IO擴(kuò)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(qū)域信息見(jiàn)表2，輸入功能 板的接口對(duì)應(yīng)示意圖如圖9所示。 

3.3.2　軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)行流程 

圖10 軟件運(yùn)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(yùn)行流程如圖7所示，當(dāng)功能板串口初始化后， 微控制器以固定頻率循環(huán)掃描當(dāng)前的全部IO口電平狀 態(tài)，隨后將電平數(shù)據(jù)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(xù)以該頻率重復(fù)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(jù)用戶需要調(diào)節(jié)。此外，基板通信信息碼為該款功能 板預(yù)定義，無(wú)特殊需要時(shí)不需要修改。

 4　結(jié)束語(yǔ) 

本文介紹了由中國(guó)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(yàn)室自主研制開(kāi)發(fā)的通用數(shù)字IO擴(kuò)展功能板和 國(guó)產(chǎn)化CPU邊緣控制器以及它們的各類應(yīng)用參數(shù)，隨后 討論了數(shù)字IO擴(kuò)展功能板的接口信息及軟件運(yùn)行流程。 該款自研工業(yè)控制功能板很好地契合了我國(guó)工業(yè)控制領(lǐng) 域國(guó)產(chǎn)化自主化的發(fā)展路線，其系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)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 地滿足不同工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的邊緣控制需求，為我國(guó)邊緣 計(jì)算領(lǐng)域提供了一款更高性價(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(xiàn)就職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣 計(jì)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(xiàn)就職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事智能制造基礎(chǔ) 技術(shù)、系統(tǒng)控制與集成技術(shù)、邊緣計(jì)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(xiàn)就 職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、邊緣計(jì) 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(jí)工程師，碩 士，現(xiàn)就職于中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，從事嵌入式、 邊緣計(jì)算、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化、機(jī)器視覺(jué)等研究工作。

參考文獻(xiàn)： 

[1] 比特網(wǎng). 邊緣計(jì)算到底有多強(qiáng)？這九個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景一起來(lái)看[EB/OL]. https://baijihao.baidu. com/s?id=1712456558977425551& wfr=spider&for=pc, 2021 - 10 - 02. 

[2] 雷鋒網(wǎng)leiphone. 為什么邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中很重要？[EB/OL]. https://baijiahao.baidu.c om/s?id=1685295289230661787& wfr=spider&for=pc, 2020 - 12 - 06. 

[3] 劉諾石, 鄒方, 何昭巖, 等. 一種智能防錯(cuò)的輔助人工作業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2021, 64 (5) : 89 - 97. 

[4] 劉平凡, 鄒方, 何昭巖, 等. 基于邊緣控制的智能人工作業(yè)系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化博覽, 2022, 39 (2) : 59 - 64. 

[5] aIpM_gongkongwo. 介紹一下工業(yè)控制系統(tǒng)中的I/O[EB/OL]. https://www.elecfans.com/d848518.html, 2019 - 01 - 11. 

[6] 朗銳智科. 工業(yè)計(jì)算機(jī)中的DIO和GPIO是什么[EB/OL]. http://www.elecfans.com/d/commp-5050556-1363814489814524231 68.html, 2022 - 05 - 07. 

[7] Coder.mark. Raspberry-Pi-PICO系列—第一篇初識(shí)RP2040[EB/OL]. https://blog.csdn.n et/tianizimark/article/ details/122708534, 2022 - 05 - 08.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年第2期暨《邊緣計(jì)算2023專輯》