STEVAL-SILKT01评估套件技术解析：面向SIL3工业PLC的安全解决方案

STMicroelectronics STEVAL-SILKT01评估套件设计用于SIL3应用的工业PLC解决方案。 此套件包括一块母板STEVAL-SILKTA01（主板）和两块子板STEVAL-SILKTB01（执行板）。主板包括三个连接接口。其中两个接口采用RS485和CAN物理层的差分通信，第三个接口采用以太网技术，支持以太网/IP。STEVAL-SILKT01评估套件具有双数字输出（IPS1025H和IPS4260L）、双数字输入 (CLT03-1SC3) 和 >90%的全面诊断覆盖范围。此评估套件适合用于可编程逻辑控制器 (PLC)。

数据手册：*附件：STMicroelectronics STEVAL-SILKT01 评估套件数据手册.pdf

特性

• 设计符合IEC61508-2、EN 62061、EN ISO 13849-1和EN ISO 13849-2，以便达到SIL3/PLe标准性能
• 基于STM32H743ZG和STM32G431RB的双核架构
• 双数字输出IPS1025H和IPS4260L
• 双数字输入CLT03-1SC3
• 全面诊断覆盖范围：>90%
• 使用STISO621对数据传输和数字I/O信号进行电流隔离
• 过载和过热保护，并在器件级集成了板载功能
• 硬件层面的板载冗余和数据处理
• 实时通信，支持以太网/IP的以太网技术，以及RS485和CAN的差分串行通信

示意图

STEVAL-SILKT01评估套件技术解析：面向SIL3工业PLC的安全解决方案‌

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‌核心特性与设计目标‌

STEVAL-SILKT01是STMicroelectronics推出的工业PLC评估套件，专为满足‌SIL3/PLe安全等级‌（符合IEC61508-2、EN 62061等标准）设计。其核心亮点包括：

• ‌双核冗余架构‌：主控板（STEVAL-SILKTA01）采用高性能STM32H743ZG（Cortex-M7，480 MHz），执行板（STEVAL-SILKTB01）搭载STM32G431RB（Cortex-M4，170 MHz），通过硬件冗余提升系统可靠性。
• ‌全诊断覆盖‌：诊断覆盖率（DC）>90%，集成过载、过温保护及实时通信监控功能。
• ‌隔离与冗余设计‌：
  • 数字输入采用CLT03-1SC3实现单通道冗余检测。
  • 数字输出通过高边（IPS1025H）和低边（IPS4260L）驱动架构实现双重冗余。
  • STISO621隔离芯片确保信号传输的电气隔离安全性。

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‌硬件架构解析‌

‌ 1. 主控板（STEVAL-SILKTA01） ‌

• ‌通信接口‌：支持Ethernet/IP（基于DP83848MPHPEP PHY芯片）、RS485和CAN总线（通过ST3485EI和MAX3051ESA+实现），满足工业现场多样化连接需求。
• ‌电源管理‌：
  • 输入电压范围20-60V，通过L7987L DC-DC转换器生成3.5V和3.3V电源轨，集成电压监控（STM802RM6F）和看门狗电路。
  • 关键信号路径采用磁珠（如600Ω@100MHz）和低ESR电容滤波，降低噪声干扰。

‌ 2. 执行板（STEVAL-SILKTB01） ‌

• ‌安全I/O设计‌：
  • 数字输入通过CLT03-1SC3实现电流隔离检测，配合SN74AUP1G08逻辑门实现信号冗余处理。
  • 数字输出采用IPS1025H（高边）和IPS4260L（低边）驱动，通过TSZ121运算放大器实时监控输出状态（如开路、短路）。
• ‌隔离电源‌：L7983PUR DC-DC转换器为隔离侧提供3.5V电源，确保信号与功率域独立。

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‌软件与开发支持‌

• ‌固件架构‌：基于STM32Cube生态，包含应用层、HAL库驱动层及中间件，支持快速功能开发。
• ‌安全功能实现‌：
  • 双核间通过SPI通信同步数据，结合CRC校验和看门狗定时器（PWM_WD）确保执行一致性。
  • 温度传感器（STTS751-0DP3F）监控关键器件温升，触发安全关断。

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‌典型应用场景‌

• ‌工厂自动化‌：如安全门控、紧急停止系统。
• ‌过程控制‌：冗余PLC逻辑处理，确保高可用性。
• ‌设备诊断‌：通过Ethernet/IP上传实时诊断数据至云端。

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‌设计建议与注意事项‌

1. ‌PCB布局‌：
   • 大电流路径（如电机驱动）需短而宽，减少寄生电感。
   • 隔离区域（如STISO621周边）应避免跨分割走线。
2. ‌测试验证‌：
   • 需通过FMEA分析验证单点故障覆盖率。
   • 使用示波器监测IPS1025H的OVL_DIAG_HS信号，确认过载响应时间。