基于ESP32 S2的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器

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如果您像我一樣具有控制工程背景并在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域工作，那么您肯定了解 PLC 并且很可能喜歡它們！我喜歡 PLC，更喜歡它們在實(shí)踐中的實(shí)際制造方式。在這個(gè)項(xiàng)目中，我為中小型家庭和工業(yè)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)了具有 WiFi 和以太網(wǎng)連接功能的緊湊型物聯(lián)網(wǎng) PLC。它內(nèi)置了一些 IO；但是，它不限于任何數(shù)量的 IO，因?yàn)槟梢允褂冒迳峡捎玫?MODBUS 和/或 CAN 總線將它們增加到大量。為了使設(shè)備更實(shí)用，我還在 Fusion 360 中設(shè)計(jì)了一個(gè)外殼，包括 DIN 導(dǎo)軌適配器，便于控制柜安裝和使用，并具有以下附加功能：

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1. 具有理想二極管反極性保護(hù)的 24VDC 電源
2. ESP32-S2 嵌入式，Xtensa？單核 32 位 LX7 微處理器，最高 240 MHz，帶 4 MB SPI 閃存和 2 MB PSRAM
3. 16 通道 24 VDC 輸入，符合 IEC61131 標(biāo)準(zhǔn)，帶 LED 指示燈
4. 12 通道 24 VDC 晶體管輸出，帶過流保護(hù)和 LED 指示燈
5. 8 通道 0-10 VDC 模擬輸入，16 位分辨率。
6. 以太網(wǎng) 10/100 Mbps 和 WiFi EEE 802.11b/g/n 連接
7. MODBUS 和 CANBUS 高達(dá) 1Mbps 的速度連接
8. 4 層堆疊，具有堅(jiān)固的接地層和接地填充，以提高 EMC
9. 鋁盒連接到機(jī)箱接地和 PCB 接地，以提高 ESD、EMC 和熱性能。
10. 外殼上的 DIN 導(dǎo)軌適配器，便于導(dǎo)軌和機(jī)柜安裝。
11. 工業(yè)溫度范圍 -40 至 +85。
12. 用于編程和調(diào)試的 USB OTG
13. 在 Arduino IDE 中直接可編程
14. 兼容 Open PLC 平臺(tái)，可直接使用 LADDER 和 FBD 等 PLC 標(biāo)準(zhǔn)編程語言

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如下圖所示，大部分組件都安裝在底部。

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僅包括連接器和 ADC 芯片在內(nèi)的少數(shù)組件放置在頂部。您也可以在下圖中看到這一點(diǎn)。

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請注意，有一根內(nèi)部電纜將 WiFi SMA 連接器連接到設(shè)計(jì)文件中不存在的 ESP32 UFL 連接器。從 PCB 文件到 BOM 的所有內(nèi)容都已準(zhǔn)備好，系統(tǒng)已準(zhǔn)備好進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和進(jìn)一步優(yōu)化。

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需要特別注意的一件事是 ESD 保護(hù)。在連接到電路板的每個(gè)連接器或電纜上，都有一種 ESD 保護(hù) TVS 二極管和電容器。還有一個(gè)機(jī)箱地，所有這些 ESD TVS 二極管和電容器都連接到該地，以轉(zhuǎn)移主電路的 ESD 放電。您可以在所有層中看到電路板周圍的這個(gè)機(jī)箱，內(nèi)部有許多過孔，以有效降低阻抗。機(jī)箱在電源輸入連接器處連接到 PCB 地。此外，板上有 4 個(gè)孔將機(jī)箱連接到鋁制外殼，形成更大的機(jī)箱。您也可以在下圖中看到此鏈接。

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在地平面的左側(cè)觀察到一個(gè)大切口。這種切割不會(huì)隔離這部分接地層，但會(huì)避免數(shù)字返回電流影響精確的 16 位模擬測量。以太網(wǎng)的諧波豐富的數(shù)字返回電流很容易使 ADC 地電位失真。

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有許多過孔，尤其是在電路板的數(shù)字區(qū)域位于中間，而電源區(qū)域幾乎位于右側(cè)。和底部的開關(guān)晶體管。過孔直接連接到接地平面和所有層上的接地填充。以改善電路板在全功率下運(yùn)行時(shí)的熱傳遞。

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