IO-Link通信從站的設計

　　IO-Link是獨立于任何現場(chǎng)總線(xiàn)，適用于工業(yè)控制最底層的簡(jiǎn)單傳感器和執行器的工業(yè)通信接口。IO-Link系統包含IO-Link設備(如傳感器、執行器)、IO-Link主站和標準傳感器用電纜，系統結構如圖1所示。例如，當一個(gè)兼容EtherNet/IP的遠程IO模塊作主站時(shí)，除了標準的I/O信號，該模塊通過(guò)脈沖調制過(guò)程發(fā)送和接收配置數據、診斷數據或增強的過(guò)程數據，然后打包到EtherNet/IP數據報文中，最后傳送給網(wǎng)絡(luò )主控站，通常是一臺PLC。上述應用中，遠程I/O與IO-Link設備的連接與傳統離散設備保持相同，IO-Link的優(yōu)勢主要在于更大的信息交換能力，這是以前標準I/O設備無(wú)法實(shí)現的。IO -Link的另一個(gè)好處是不依賴(lài)于任何現場(chǎng)總線(xiàn)，通過(guò)任何遵守IO-Link協(xié)議的I/O模塊(包括本地I/O 和遠程I/O)，IO-Link傳感器或執行器便可被集成到任何現場(chǎng)總線(xiàn)系統中。

　　圖1 IO-Link系統結構

　　為了對IO-Link系統結構、通信機制以及開(kāi)發(fā)應用做進(jìn)一步研究，可設計開(kāi)發(fā)IO-Link從機工具包，包括IO-Link通用開(kāi)發(fā)模塊、IO-Link分析工具以及IO-Link從機協(xié)議棧。IO-Link通用開(kāi)發(fā)模塊是進(jìn)行該項工作的基礎，也是IO-Link主站與設備信號間的橋梁。IO-Link分析工具可以幫助開(kāi)發(fā)人員和測試人員分析通訊細節，從而找出并解決問(wèn)題。IO-Link從機協(xié)議棧是一個(gè)固件庫，它提供硬件抽象層和應用程序接口，開(kāi)發(fā)者可以利用它方便快速地在各種微處理器平臺上開(kāi)發(fā)IO-Link從機產(chǎn)品。本文研究的IO-Link從站只針對數字(按鍵)信號輸入和數字信號輸出(指示燈)，IO-Link通用開(kāi)發(fā)模塊的設計只需在此基礎上進(jìn)行擴展，使之具備處理模擬信號的能力。

　　1 系統結構

　　圖2是IO-Link從機工具包及演示系統的結構示意圖。

　　圖2 IO-Link從機工具包及演示系統的結構圖

　　本文所使用的IO-Link主站模塊USB IO-Link Master可將IO-Link設備與PC機相連，這樣可通過(guò)IO-Link Device Tool軟件配置并測試IO-Link設備或演示設備功能。IO-Link設備必須通過(guò)一個(gè)設備描述文件(IODD文件)來(lái)描述，它包括一組XML文本文件和PNG 圖形文件，這些文件包含設備的識別、通信特點(diǎn)、參數、過(guò)程數據和診斷數據的信息。圖2中橢圓虛線(xiàn)內的部分是IO-Link三線(xiàn)電纜，L+/I-是24 V 直流電源，C/Q為信號線(xiàn)，用來(lái)傳輸過(guò)程數據、診斷數據、配置數據等。IO-Link通用開(kāi)發(fā)模塊主要由數據收發(fā)器和微處理器構成，它可對傳感器的輸入信號進(jìn)行處理并將信息傳遞給IO-Link主站，也可接收并處理來(lái)自主站的數據信息，傳遞給執行器。IO-Link分析工具可以幫助開(kāi)發(fā)人員查看、記錄、分析數據，了解通訊細節，該部分設計本文不作論述。

　　2 IO-Link通訊模式簡(jiǎn)介

　　IO-Link設備可以工作在SIO模式(標準I/O模式)或IO-Link模式(通訊模式)。上電后，設備總是工作在SIO模式。主站的端口有不同的配置方式，如果配置為SIO 模式，主站把該端口視為標準數字輸入，如果配置為通訊模式，主站會(huì )自動(dòng)識別可通訊的裝置，進(jìn)行通訊。

　　2.1 數據類(lèi)型

　　IO-Link通訊的3種基本數據類(lèi)型為：周期性數據(或過(guò)程數據PD)、非周期性數據(或服務(wù)數據SD)、事件(Event)。

　　設備的過(guò)程數據(PD)以一個(gè)數據幀的形式周期性地傳輸，而服務(wù)數據(SD)只有在主站發(fā)出請求后才會(huì )進(jìn)行交換，圖3為典型的IO-Link報文結構。當事件(Event)發(fā)生時(shí)，設備的“事件標志”置位，主站檢測到該置位后讀出報告的事件(讀取過(guò)程中不能交換服務(wù)數據)，于是，污染、過(guò)熱、短路等事件或設備狀態(tài)便可通過(guò)主站傳送給PLC或可視化的軟件。

　　圖3 IO-Link報文結構

　　2.2 參數數據交換

　　由于服務(wù)數據(SD)必須經(jīng)由PLC請求才能傳送，于是定義了SPDU(服務(wù)協(xié)議數據單元)。在主站中，讀寫(xiě)服務(wù)的請求編寫(xiě)到SPDU并通過(guò)IO-Link接口傳送給設備。

　　SPDU一般結構如圖4所示，其排列順序與傳輸順序一致。SPDU中的各元素可根據服務(wù)種類(lèi)采取不同的形式。SPDU允許訪(fǎng)問(wèn)希望進(jìn)行傳輸的數據對象，Index用于指定遠程IO-Link設備上被請求的數據對象的地址。IO-Link中有一個(gè)名詞叫直接參數頁(yè)(direct parameter page)，其中存放了最小周期時(shí)間、供應商ID、主站命令等參數信息，直接參數頁(yè)中可訪(fǎng)問(wèn)的數據對象可以有選擇地通過(guò)SPDU來(lái)提供。

　　圖4 SPDU 一般結構

　　3 IO-Link從站硬件設計

　　IO-Link從站的系統結構如圖5所示，主要包括數據收發(fā)器HMT7742、微控制器AT-mega328P、信號輸入輸出通道、電壓電流監測模塊以及過(guò)流保護模塊等。

　　圖5 IO-Link從站結構圖

　　HMT7742是一款I(lǐng)O-Link從機收發(fā)器芯片，是外接傳感器或執行器的MCU與支持IO-Link通信的24 V信號線(xiàn)間的橋梁，當IO-Link設備與主站相連時(shí)，主站會(huì )進(jìn)行通信初始化并與MCU交換數據，HMT7742則充當通信的物理層。

　　由于MCU 的輸出端口控制的3盞指示燈(額定電壓為24 V)是由IO-Link電源線(xiàn)供電的，因此需監測電源線(xiàn)上的電流，以便在電流超過(guò)某設定好的閾值后觸發(fā)適當的更正措施，如將指示燈從IO-Link電源線(xiàn)上切除。電流監測模塊使用的是INA194電流檢測放大器，作為一款高測電流檢測器，INA194直接連接至電源，可檢測所有的下行故障，擁有非常高的共模抑制比以及較大的帶寬和響應速度，可將感應電阻上的電壓放大5O倍輸出到MCU 內部電壓比較器的正向輸入端AIN0,當AIN0的電壓值超過(guò)反向輸入端設置的閾值時(shí)，控制PB0輸出低電平，即可將指示燈LAMP從IO-Link電源線(xiàn)上切除，實(shí)現過(guò)流保護功能。該部分電路如圖6所示。

　　圖6 電流監測與過(guò)流保護電路

　　4 IO-Link從站軟件設計

　　軟件設計基于IO-Link設備通信協(xié)議棧，IO-Link設備通信協(xié)議棧提供通用應用程序接口(API函數)，這為IO-Link從站開(kāi)發(fā)模塊的設計提供了便利。

　　軟件設計主要包括初始化模塊和一個(gè)與IO-Link通信相關(guān)的主循環(huán)模塊，主程序流程如圖7所示。

　　圖7 主流程圖

　　在圖8所示的初始化程序中，棧初始化、SP-DU數值初始化、直接參數頁(yè)面初始化是通過(guò)分別調用API函數實(shí)現的。

　　圖8 初始化程廳流程圖

　　圖9為主循環(huán)流程圖，每隔1 ms執行一次主循環(huán)，每過(guò)255 ms觸發(fā)一次看門(mén)狗。在運行了IO-Link從機協(xié)議棧以后，就可以檢測主站發(fā)送的有效輸出過(guò)程數據并將它傳遞給應用模塊(3盞指示燈)，并根據按鍵的狀態(tài)設置輸入過(guò)程數據，并將數據傳遞給主站。另外，若發(fā)生了對直接參數頁(yè)面的寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)或有SPDU標識符置位，都要運行相應的處理程序。

　　圖9 主循環(huán)流程圖

　　5 實(shí)驗結果及結論

　　實(shí)驗構建了圖2所示的系統，并通過(guò)IO-Link Device Tool軟件測試系統功能，圖10即為顯示過(guò)程數據和參數的界面。程序中設置過(guò)程數據為一個(gè)字節，格式如圖l1所示。由圖l1可知，輸入過(guò)程數據的Bit7為故障診斷位，當IO-Link電源線(xiàn)上的電壓和電流均正常時(shí)，該位為0,否則置1;Bit5至Bit0分別表示6個(gè)按鍵的狀態(tài)。輸出過(guò)程數據的Bit2至Bit0分別代表3盞指示燈的狀態(tài)。

　　圖10 過(guò)程數據和參數顯示界面

　　圖11 過(guò)程數據的格式

　　當電壓和電流正常時(shí)，如果沒(méi)有按鍵按下，輸入過(guò)程數據為63(0011 1111)(見(jiàn)圖10 a)，如果只有按鍵1被按下，輸入過(guò)程數據為62(00111110)，以此類(lèi)推。當電壓或電流不在規定的范圍內，如果沒(méi)有按鍵按下，輸入過(guò)程數據為一65(1011 1111)。若進(jìn)行圖10b所示的操作，可將獲取的按鍵狀態(tài)取反后送給主站。這樣，當無(wú)按鍵按下且電壓電流正常時(shí)，輸入過(guò)程數據為0(00000000)，若電壓或電流不在規定的范圍內，輸入過(guò)程數據為一128(1000 0000)。

　　過(guò)程輸出數據的Bit2至Bit0可分別用來(lái)控制3盞燈的狀態(tài)，若電壓電流正常，當輸出過(guò)程數據為1(0000 0001)時(shí)，只有指示燈1亮，當輸出過(guò)程數據為27(0000 0111)時(shí)，3盞燈全亮。以此類(lèi)推。但是當電流超過(guò)了一定范圍，硬件電路將實(shí)現過(guò)流保護，將指示燈從IO-Link電源線(xiàn)上切除，此時(shí)輸出過(guò)程數據將不能控制指示燈的狀態(tài)，直到排除故障重新上電。

　　IO-Link從機工具包對于IO-Link系統結構、通信機制以及開(kāi)發(fā)應用的研究有著(zhù)重要意義。本文設計的IO-Link從站是IO-Link主站與設備信號間的橋梁，也是IO-Link從機工具包的基礎和核心。本文構建的基于IO-Link從站的演示系統形象地展示了IO-Link通信的特點(diǎn)與優(yōu)勢，對于了解和深入研究IO-Link通信系統有著(zhù)重要的意義。