★中国航空制造技术研究院 刘平凡，邹方，何昭岩，秦玉波 

摘要： 针对边缘控制器最重要的输入输出功能板，本研究在电路设计上采用四 层PCB设计工艺，外引出12-14路IO输入输出端子，外接NPN/PNP选择电路、 Type-C及8路软排线接口，应用高性价比的树莓派RP2040微处理器进行核心板接 口通信，设计了功能板控制流程，并基于Python语言通过循环检测IO端口电平信 息或接收核心板数据来实现IO口的输入输出响应。在工程设计上，本研究还兼顾 了功能板的机械尺寸与布局，使其结构紧凑，布局合理。 

关键词：数字IO扩展；边缘计算；四层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 

近年来，随着5G、人工智能、物联网的发展，数 据呈现爆炸式增长的态势，对算力、延时提出了更高 要求，能够在靠近数据源头位置提供算力服务的边缘 计算正快速兴起[1]。在此之前，云计算已经诞生，为企 业提供了可扩展性、可靠性、安全性和易用性。然而， 云计算并不是完美的，其集中化的特性意味着无论终 端设备（如智能手机）位于何处，数据都需要通过网络 （如4G蜂窝连接）从终端设备传输到云提供商的数据 中心，然后再反向操作，到达终端设备。对于需要快速 传输大量数据的应用程序，这可能既缓慢又昂贵，而云 计算的这一缺憾恰恰是边缘计算的用武之地。作为一种 分布式计算范式，边缘计算使计算和数据存储更接近需 要的位置，以提高响应时间和节省带宽，由此也引出了 边缘计算的定义—在靠近物或数据源头的一侧，采用网 络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就 近提供最近端服务，具有低延迟、安全、节约成本、高 可靠性等几大优势[2]。 

正是基于边缘计算的上述优势及潜在的应用前景， 中国航空制造技术研究院工业网络与自动化实验室自主 开发出了一款专用于边缘计算领域的终端设备—依迈特 边缘控制器（E-Mate）。该款边缘控制器可作为小型 的PLC实现运动控制和过程控制，以及实现IO采集、无 线传输、远程运维、机器视觉、数据库与边缘计算等多 种功能，可无缝整合IT与OT，在边缘侧协同远程工业 云平台实现产线的智能控制，提高了设备智能化水平。 该款边缘控制器为全自主国产化设计制作，其CPU、基 板、功能板的选型、设计、绘制及制板焊接，包括外壳 设计制作均为工业网络与自动化实验室及国内相关企业 完成。其中功能板部分具有模块化、轻量化、灵活装卸的特点，可以应用于各类工业控制设备。本文所介绍的 数字IO扩展功能板作为该边缘控制器的一个独立组成模 块，兼具轻量化与兼容性的特点，采用UART串口通信方 式，支持NPN/PNP模式调节，具有3000V以上的电气隔 离能力以及充足的GPIO接口。此外，为了适应各类工业 生产现场的控制需求，该款功能板还支持自主编程，是 一款极具通用性和高性价比的工业控制IO扩展功能板。

 2　边缘控制器介绍 

该款边缘控制器采用完全国产化的自研CPU。该 款CPU采用四核Cortex-A53架构，主频1.5GHz，拥 有2GB DDR3的RAM及8GB eMMC的ROM，工作温 度-40℃～+85℃，具备工业级运行温宽，支持绝大部分 当前流行的视频及图片格式解码，具有稳定可靠的工业 级产品性能、低功耗以及丰富的用户接口等优势，可搭 载Linux、Android、Ubuntu等操作系统，适用于车 载电子、电力、医疗、工业控制、物联网、智能终端等 领域[3-4]。 

图1 国产CPU边缘控制器实物照片 

该款国产CPU边缘控制器的实物照片如图1所示， 其外部为铝制金属外壳，两端配有塑料固定套，两侧各 有两组固定自攻螺丝。此外，在铝制外壳的前端还开有 一排散热孔。

 该款国产CPU边缘控制器的接口如图2所示，它拥有 一个RS485接口、一个Debug接口、一个USB3.0接口、 一个HDMI接口。此外，它还具备16路AI输入和双网 口，采用24V直流输入电源，外壳有响应的信息提示灯。 通过集成本文所介绍的数字IO扩展功能板，该款边缘控 制器可拥有12路IO输出接口及14路IO输入接口。同时， 为了满足更多工业现场的需要，数字IO扩展功能板还提 供了3路3.3V信号输出接口及1路24V直流电源输出。

图2 国产CPU边缘控制器接口图示 

3　数字IO扩展功能板设计 

3.1　工业IO控制 

在工业控制系统中，IO控制最接近设备端，面临 着复杂多样的工业生产设备环境，除了生产现场的温 度、湿度、气压等环境数据外，还要面临复杂的电气环 境。比较常见的IO信号有AI、AO、DI、DO、HSC、 RTD等，工业控制系统的拓扑图如图3所示。下面介绍 一下部分工业现场中较为常见的IO信号。

 图3 工业现场拓扑图示例 

（1）AI（Analog Input，模拟量输入）。将现场 模拟量信号即4—20mA、0—5V、0—10V等电流或电 压信号，输入到PLC/ESD中。现场的温度变送器、压 力变送器均为AI信号，AI信号接入PLC/ESD后，通过 量程转化后传给HMI，用于显示现场的温度值、压力 值，方便监控生产情况。同时需要参与连锁的AI信号， 由PLC/ESD利用其数据进行逻辑编程。 

（2）AO（Analog Output，模拟量输出）。由 PLC/ESD输出模拟量信号即4—20mA、0—5V、0— 10V等电流或电压信号，用于控制现场设备，主要设备 有变频器，调节阀等。AO信号由HMI人工操作，或者 由PLC/ESD进行逻辑编程（PID调节），自动输出信号 控制现场设备。 

（3）DI（Digital Input，数字输入信号）。开关 量输入信号，只有回路闭合与回路断开两种状态。现场 主要设备为阀门的反馈、运动设备的到位情况、安防信 号等。DI信号接入PLC/ESD后，通过HMI反应现场阀 门开关情况、运动设备运转情况以及是否有安防报警 等。同时需要参与连锁的DI信号，由PLC/ESD利用其 数据进行逻辑编程。 

（4）DO（Digital Output，数字输出信号）。开 关量输出信号，由PLC/ESD输出启动或停止的信号给 设备，现场主要设备有电磁阀、电机、泵等。需要特别 提醒，一般PLC/ESD的DO模块回路负载比较小，因此 DO应用一般是由DO驱动继电器，再由继电器来驱动现 场设备动作，起到了隔离保护的作用。DO信号由HMI 人工操作，或者由PLC/ESD进行逻辑编程（连锁）， 自动输出信号控制现场设备[5]。 

在制造或工业工厂车间，存在着大量的电噪声，而 这些环境中潜在的电压尖峰、接地回路和共模信号极有 可能导致有害的停机时间、操作停止、机械故障和电子 设备损坏。因此，具备隔离性的工业IO控制（DIO）被 广泛应用于各类生产现场。这种隔离技术被称为光耦隔 离，即其各个引脚在物理和电气上相互分离，所有进出 DIO端口的输入信号都使用光电耦合器封闭光通道中的 光传输。因为没有物理连接，所以需要一个外部小直流 信号来给DIO供电，这使DIO能够为任何工业应用提供 宽电压兼容性和实时数据分析/洞察，无论是简化工厂 自动化流程，还是优化生产线[6]。 

目前的工业控制领域中，PLC（Programmable LogicController）被广泛应用，意为可编程逻辑控制 器，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算 操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部 存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制 各种类型的机械设备或生产过程。本文所介绍的自研国 产CPU边缘控制器也是基于此理念开发的。目前市场上 的PLC设备都是高度集成化的，为了适应不同的工业现 场，开发者将各类功能接口全部集成于一块控制板上， 对一些生产种类较为单一的生产现场并不实用，导致接 口浪费严重，性价比偏低。本文介绍的国产CPU边缘控 制器则是独创性地采用了模块化功能区设计，将各类功 能接口压缩为独立的功能板，可以根据需要安装使用。 此外，功能板的UART串口可以兼容各类微控制器及微 处理器，因此并不局限于本款边缘控制器，具有很好的 通用性。

 3.2　IO输出功能板 

3.2.1　基本参数信息 

图4 IO输出功能板实物照片 

表1 功能板主要接口及区域信息

图5 IO输出功能板接口示意图 

图4分别给出了数字IO扩展功能板中的输出功能板 实物照片及部分主要接口和功能区域信息，图5给出了 输出功能板的接口对应示意图。数字IO扩展功能板中的 输出功能板为四层PCB制板工艺，在硬件电路组成上， 拥有12个24V直流信号接口、1个24V参考地。此外， 为了满足多种工业现场的设备控制需求，功能板还提供了1路3.3V/5V的信号接口、1路3.3V/5V电源接口和1路 3.3V/5V参考地，上述接口均采用统一的KF2EDGSR3.5-2*8P规格接线端子。该款功能板具备NPN/PNP模 式调节功能，位于板上的3路排针处，左侧对应为PNP 模式，右侧对应为NPN模式，采用跳线帽调节；功能 板与控制基板或核心板通过UART串口通信，接口为 8路软排线接口，分别为功能板提供3.3V/5V及24V电 源、串口通信及参考地。此外，为便于用户自主设计功 能板控制程序，功能板还提供了一个Type-C接口用于 与微控制器上位机通信及烧录程序。数字IO扩展功能板 中的输出功能板如图4所示，部分主要接口和功能区域 信息见表1，输出功能板的接口对应示意图如图5所示。

 3.2.2　软件设计及运行流程 

 图6 RP2040微控制器 

 图7 软件运行流程 

该款IO功能板集成了专用微控制器，如图6所示， 便于用户自主定制适合各类工控场合的控制软件，微 控制器型号为RP2040。该款微控制器是树莓派基金会 于2021年初发布的一款40nm制程的微控制器，具备两 个M0+处理器内核，最高时钟可达133MHz。此外，它 拥有多达26个多功能的GPIO，可以与任何外部设备通 信，超低的功耗及微小的尺寸使其在工业控制领域也有 潜力被挖掘[7]。该款功能板的控制软件程序采用Python 语言开发，其运行流程如图7所示，功能板串口初始化 后便始终处于循环接收状态，当接收到核心板或基板的 电平信息后便开始解码工作，将信息译为对应IO口的电 平数据，随后响应至对应IO口，之后扫描全部IO口的 当前电平状态，译码后再次通过串口发送至核心板或基 板。此外，功能板串口循环扫描过程的频率可根据用户 需求调节。 

3.3　IO输入功能板 

3.3.1　基本参数信息 

图8 IO输入功能板实物照片 

表2 功能板主要接口及区域信息 

图9 IO输入功能板接口示意图 

与输出功能板相同，数字IO扩展功能板中的输入 功能板也是四层PCB制板工艺。在硬件电路组成上，输 入功能板拥有14个24V直流信号接口、1个24V直流电源 及1个24V参考地，与IO输出功能板相同，上述接口也 都采用统一的KF2EDGSR-3.5-2*8P规格接线端子。此 外，该款功能板同样具备NPN/PNP模式调节功能，位 于板上的3路排针处，左侧对应为NPN模式，右侧对应 为PNP模式，采用跳线帽调节；功能板与控制基板或核心板通过UART串口通信，接口为8路软排线接口，分 别为功能板提供3.3V/5V及24V电源、串口通信及参考 地。此外，为便于用户自主设计功能板控制程序，功能 板也提供了一个Type-C接口用于与微控制器上位机通 信及烧录程序。数字IO扩展功能板中的输入功能板如图 8所示，部分主要接口和功能区域信息见表2，输入功能 板的接口对应示意图如图9所示。 

3.3.2　软件设计及运行流程 

图10 软件运行流程 

IO输入功能板的软件程序同样采用Python语言开 发，其运行流程如图7所示，当功能板串口初始化后， 微控制器以固定频率循环扫描当前的全部IO口电平状 态，随后将电平数据译为占用信息码并通过串口发送至 基板，随后微控制器继续以该频率重复上述操作。与输 出IO功能板相同，输入IO功能板的电平扫描频率也可 根据用户需要调节。此外，基板通信信息码为该款功能 板预定义，无特殊需要时不需要修改。

 4　结束语 

本文介绍了由中国航空制造技术研究院工业网络与 自动化实验室自主研制开发的通用数字IO扩展功能板和 国产化CPU边缘控制器以及它们的各类应用参数，随后 讨论了数字IO扩展功能板的接口信息及软件运行流程。 该款自研工业控制功能板很好地契合了我国工业控制领 域国产化自主化的发展路线，其系统运行稳定，制造成 本低廉，同时，其模块化、自主定制化的特点也能更好 地满足不同工业生产现场的边缘控制需求，为我国边缘 计算领域提供了一款更高性价比的产品。

作者简介：

 刘平凡（1995-），男，河北唐山人，工程师，硕士， 现就职于中国航空制造技术研究院，从事嵌入式、边缘 计算、工业网络与自动化等研究工作。

 邹　方（1965-），男，湖南娄底人，研究员，硕士， 现就职于中国航空制造技术研究院，从事智能制造基础 技术、系统控制与集成技术、边缘计算、工业网络与自 动化等研究工作。 

何昭岩（1991-），男，吉林人，工程师，硕士，现就 职于中国航空制造技术研究院，从事嵌入式、边缘计 算、工业网络与自动化等研究工作。 

秦玉波（1988-），男，河北邯郸人，高级工程师，硕 士，现就职于中国航空制造技术研究院，从事嵌入式、 边缘计算、工业网络与自动化、机器视觉等研究工作。

参考文献： 

[1] 比特网. 边缘计算到底有多强？这九个应用场景一起来看[EB/OL]. https://baijihao.baidu. com/s?id=1712456558977425551& wfr=spider&for=pc, 2021 - 10 - 02. 

[2] 雷锋网leiphone. 为什么边缘计算在物联网中很重要？[EB/OL]. https://baijiahao.baidu.c om/s?id=1685295289230661787& wfr=spider&for=pc, 2020 - 12 - 06. 

[3] 刘诺石, 邹方, 何昭岩, 等. 一种智能防错的辅助人工作业系统开发与应用[J]. 航空制造技术, 2021, 64 (5) : 89 - 97. 

[4] 刘平凡, 邹方, 何昭岩, 等. 基于边缘控制的智能人工作业系统[J]. 自动化博览, 2022, 39 (2) : 59 - 64. 

[5] aIpM_gongkongwo. 介绍一下工业控制系统中的I/O[EB/OL]. https://www.elecfans.com/d848518.html, 2019 - 01 - 11. 

[6] 朗锐智科. 工业计算机中的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—第一篇初识RP2040[EB/OL]. https://blog.csdn.n et/tianizimark/article/ details/122708534, 2022 - 05 - 08.

摘自《自动化博览》2023年第2期暨《边缘计算2023专辑》