Sfera Labs SPMC12XP – kommunikationsmodul

Strato Pi CAN server (tillverkarens artikelnummer SPMC12XP) är en färdigmonterad industriserver från Sfera Labs med en Raspberry Pi 3 Model B+ och expansionskortet Strato Pi CAN i ett standardiserat DIN-skenehölje på 4 moduler. Kortet utökar Raspberry Pi med CAN-buss (CAN V2.0B), RS-485, en reläutgång, en realtidsklocka med batteribackup, ett säkerhetselement och en konfigurerbar hårdvarubaserad watchdog, för tillämpningar där tillförlitlighet och driftkontinuitet är avgörande.

Enheten matas med likspänning inom det vida området 9–65 Vdc och har skydd mot överspänning och omvänd polaritet. CAN- och RS-485-gränssnitten är var för sig optoisolerade och har ESD-skydd. Användarguiden (Strato Pi CAN User Guide, juli 2021, revision 012) omfattar kortet (SPBC12X) och servrarna med Raspberry Pi 3 Model B, 3 Model B+ och 4 Model B. Den här artikeln avser SPMC12XP med Raspberry Pi 3 Model B+.

Teknik och prestanda

• Matning: endast likspänning, 9–65 V. Skydd mot omvänd polaritet med två parallella självåterställande säkringar på 0.65 A (1.3 A totalt) och överspänningsskydd upp till ±500V/2ohms 1.2/50μs. En blå lysdiod lyser när matning finns. Raspberry Pis micro-USB-matning får aldrig anslutas.
• Ström till Raspberry Pi: matningssteget är optimerat för upp till 2.5 A vid 5 V (vid 24 Vdc). Utströmmen begränsas av säkringarna vid låg matningsspänning och av regulatorns termiska skydd vid hög.
• Strömförbrukning inklusive Raspberry Pi 3 (låg CPU/GPU-last, inga USB-enheter): vid 24 V 80 mA utan Ethernet, CAN och RS-485 och 90 mA med dem anslutna; vid 64 V 40 mA respektive 45 mA.
• Realtidsklocka: Microchip MCP79410 via I2C, med utbytbart CR1025-batteri (Li/MnO2) som räcker cirka två år utan huvudmatning; tillverkaren anger byte vart femte år.
• Säkerhetselement: Microchip ATECC608A på I2C (0x60), med skyddad lagring för upp till 16 nycklar, certifikat eller data, hårdvarustöd för ECDSA, ECDH (NIST P256), SHA-256/HMAC och AES-128, stöd för TLS 1.2 och 1.3 samt säker uppstart.
• Relä: en växlande (CO/SPDT) utgång styrd av GPIO26. Reläet är dimensionerat för 6 A, men på grund av plintens storlek och isolationskrav är kontakterna specificerade för max 0.6 A vid 65 V (DC); vid resistiv last (DC1) 1 A vid 48 Vdc eller 0.6 A vid 65 Vdc.
• Summer: inbyggd och styrd av GPIO20 (hög = ljud); inte avsedd att ljuda oavbrutet.
• Watchdog och strömcykel: konfigurerbar hårdvarubaserad watchdog i kortets mikrokontroller, oberoende av Raspberry Pi, som kan göra en full strömcykel av Raspberry Pi. Normalt avstängd; slås på med GPIO6 hög och kräver att GPIO5 växlar oftare än var 60:e sekund. Vid timeout höjs GPIO12 och strömcykeln sker senast 120 s efter timeouten. En fördröjd strömcykel startas genom att GPIO16 hålls hög minst en sekund.
• Miljö: drifttemperatur -20…+50 °C för servern (-20…+70 °C endast kortet, -20…+65 °C med fläkttillvalet SPBF10X), förvaring -30…+70 °C, 5 % till 90 % luftfuktighet utan kondens, skyddsklass IP20.
• Termik: fläkttillvalet SPBF10X kan under ideala förhållanden sänka CPU-temperaturen och lufttemperaturen i höljet med upp till 15 °C. Raspberry Pi 4 Model B blir enligt databladets mätningar betydligt varmare än 3 Model B+.

Anslutningar och gränssnitt

• Plint: 11 positioner för matning (+/−), relä (NC, C, NO), CAN (CANH, CANL, SH) och RS-485 (B, A, SH). Max ledararea 1.5 mm² (16 AWG), eller 0.5 mm² med ändhylsor (rekommenderas starkt); avisolering 5 mm, skruv M2, högsta åtdragningsmoment 0.25 Nm.
• CAN: Microchip MCP2515 (CAN 2.0B, två accepteringsmasker och sex filter) med MCP2561 höghastighetstransceiver, upp till 1 Mbps. Transceivern är galvaniskt isolerad med optokopplare och DC-DC-omvandlare. 120 Ohm avslutning mellan CANH och CANL aktiveras med bygeln JP3. ESD ±14 kV (HBM) / ±8 kV (kontakt) och transientskydd -150 V till +100 V (ISO-7637 del 1, testpuls 1, 2, 3a och 3b) på CANH/CANL.
• RS-485: halvduplex, max 115200 bps, med automatisk riktningsstyrning (transparent för UART-programvaran). Optoisolerad; 620 Ohm pull-up/pull-down på A och B (bort med JP1 och JP4) och 100 Ohm avslutning med JP2. ESD ±15 kV (HBM) / ±8 kV (kontakt), överspänning upp till ±500V/2ohms 1.2/50μs med 600 W toppeffekt (10/1000μs), fail-safe. RS-485 och CAN är var för sig optoisolerade men matas av samma isolerade DC-DC-omvandlare, så RS-485-linjerna är inte galvaniskt isolerade från CAN-linjerna.
• Raspberry Pi-sidan: alla USB-portar och Ethernet-porten nås på sidan mittemot plinten; HDMI och 3.5 mm-uttag (ljud och kompositvideo) nås från sidan. microSD-kortet (medföljer inte) sätts i via en liten öppning i höljets sida.
• Lysdioder: ON, 485 Rx, 485 Tx, CAN Rx och CAN Tx.

Programvara och kompatibilitet

• Alla funktioner styrs via dedikerade GPIO-stift, I2C, SPI och ett seriellt gränssnitt mot mikrokontrollern och kan användas med de flesta operativsystem och programmeringsspråk; användarguiden utgår från Raspbian.
• CAN stöds av SocketCAN. Aktivera SPI och lägg till dtoverlay=mcp2515-can0,oscillator=16000000,interrupt=25 och dtoverlay=spi-bcm2835-overlay i /boot/config.txt; testa med paketet can-utils (till exempel ip link set can0 up type can bitrate 500000, cansend och candump).
• Kommandoradsverktyget strato styr summer, relä och watchdog (beep, relay, watchdog, shutdown). Strato Pi-kärnmodulen (strato-pi-kernel-module på GitHub) ger åtkomst via sysfs i /sys/class/stratopi/ (dtoverlay=stratopi).
• Realtidsklockan (MCP79410, I2C-adress 0x6f) installeras med skriptet rtc-install när I2C är aktiverat.
• På Raspberry Pi 3 och 4 används huvud-UART (ttyAMA0) som standard för Bluetooth. För att styra den till GPIO-stiften kan Bluetooth stängas av (dtoverlay=pi3-disable-bt) eller flyttas till mini-UART (pi3-miniuart-bt); Linux-seriekonsolen ska också stängas av om RS-485 används.
• Kortet är kompatibelt med Raspberry Pi 4 Model B, 3 Model B+, 3 Model B och 2 Model B. Enligt tillverkaren är produkten inte godkänd för säkerhetskritiska tillämpningar.

Egenskaper

• Raspberry Pi 3 Model B+ färdigmonterad med Strato Pi CAN i DIN-skenehölje 4M
• Matning 9–65 Vdc med skydd mot omvänd polaritet och överspänning
• CAN V2.0B upp till 1 Mbps (MCP2515/MCP2561), optoisolerad, ESD ±14 kV
• RS-485 halvduplex upp till 115200 bps, optoisolerad, fail-safe
• Ett växlande relä (SPDT), kontakter 1 A vid 48 Vdc / 0.6 A vid 65 Vdc
• Upp till 2.5 A vid 5 V till Raspberry Pi (vid 24 Vdc)
• Konfigurerbar hårdvarubaserad watchdog med strömcykel av Raspberry Pi
• Realtidsklocka MCP79410 med utbytbart CR1025-batteri
• Säkerhetselement Microchip ATECC608A
• Inbyggd summer och lysdioder för ON, RS-485 och CAN
• Tillgång till USB, Ethernet, HDMI och 3.5 mm-uttag
• Drifttemperatur -20…+50 °C, IP20, 170 g

Användningsområden

• CAN-baserade industrinätverk där en Raspberry Pi behöver ansluta till en CAN-buss
• Gateway eller datalogger mellan CAN, RS-485 och Ethernet i kopplingsskåp på DIN-skena
• Styrning av en extern last eller larm via den växlande reläutgången och summern
• Installationer med bred matningsspänning 9–65 Vdc
• Enheter som ska övervakas av en oberoende hårdvarubaserad watchdog med automatisk strömcykel
• Tillämpningar som kräver hårdvarubaserad nyckellagring (ATECC608A) eller exakt tid med batteribackup

Certifieringar och standarder: CE (EMC 2014/30/EU, LVD 2014/35/EU), RoHS (2011/65/EU och 2015/863/EU), EN60664-1:2007, EN61000-6-2:2005 (immunitet, industrimiljö), EN61000-6-4:2007 (emission, industrimiljö), FCC Part 15 klass A, ICES-003 (A) / NMB-003 (A), Kanada, RCM (Australien/Nya Zeeland), CISPR 32:2015 klass A, Raspberry Pi 3 Model B+: Radio Equipment Directive 2014/53/EU, FCC ID 2ABCB-RPI3BP, IC 20953-RPI3BP, WEEE

Användarguiden (rev. 012, juli 2021) gäller kortet och alla servermodeller i familjen; SPMC12XP avser servern med Raspberry Pi 3 Model B+. Leverantörens lista anger drifttemperatur 0 till +50 °C medan databladet anger -20…+50 °C för servern; databladets värde används. Fläkttillvalet SPBF10X anges i databladet som tillval och beskrivs i en separat användarguide. Måtten är avlästa ur måttritningen. Strömförbrukningen avser Raspberry Pi 3 enligt databladet.

Tillverkarens artikelnummer SPMC12XP. Uppgifterna är hämtade ur tillverkarens datablad (PDF). Lagerförd vara – skickas inom 1–3 vardagar.