IO-Link——直至最后一米的連續通信
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背景與基礎
隨著(zhù)工業(yè)4.0的興起，人們對可重設置的雙向數據交互的智能傳感器/執行器的需求顯著(zhù)上升。為此，自動(dòng)化領(lǐng)域的許多知名廠(chǎng)商一起開(kāi)發(fā)了獨立于現場(chǎng)總線(xiàn)的傳感器和執行器的通信標準：IO-Link，這是一種相對較新的工業(yè)傳感器標準，目前已呈現出迅速增長(cháng)態(tài)勢。據IO-Link相關(guān)組織預測，截至當前，行業(yè)使用支持IO-Link標準的節點(diǎn)已超過(guò)2700萬(wàn)個(gè)，而這個(gè)數字仍在不斷攀升。
圖1 IO-Link nodes增長(cháng)趨勢 （圖源IO-Link.com）
IO-Link技術(shù)定義了用于將傳感器和執行器連接到主站單元的接口標準，其遵守的規范和標準是IO-Link Interface and System Specification（V1.1.1 or V1.1.2以及最新的V1.1.3）和IEC 61131-9標準。
IO-Link系統是IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）之間的數字點(diǎn)對點(diǎn)連接，IO-Link通信獨立于所使用的Fieldbus。此外，IO-Link還可以通過(guò)IO-Link Hub在系統中連接沒(méi)有IO-Link輸入輸出的設備（遵守IEC 61131-2的sensor or Actuator）。
圖2 IO-Link系統應用概述
IO-Link Master可以有兩種工作模式，分別是IO-Link mode和SIO mode，其可以在任何端口單獨設置，每個(gè)端口只能連接一個(gè)IO-Link Device。通信總是從IO-Link Master的Wake-up pulse（80μs）開(kāi)始，后跟測試消息（Type_0的M序列），等待IO-Link Device的響應信息。在SIO mode下，傳感器/執行器的工作方式與傳統的傳感器/執行器類(lèi)似，測量值和開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)數字量與傳感器/執行器通信；在IO-Link mode下，確定通信速率和最小周期時(shí)間（Cycle time）后建立通信（Master支持4.8Kbit/s、38.4Kbit/s、230.4Kbit/s三種波特率，Device僅支持其中一種波特率），通過(guò)一系列消息（M序列）交換數據，可以選擇不同的M序列類(lèi)型（Type_1_x/Type_2_x）來(lái)滿(mǎn)足IO-Link Device的特定需求（掃描速率、過(guò)程數據量等）。每個(gè)IO-Link Device的屬性、功能和參數都在IO-Link設備描述文件（IODD）中表示。
圖3 IO-Link接口物理層定義
圖4 Master與Device建立通信的過(guò)程
注：Master發(fā)送喚醒電流脈沖（WURQ）后，接著(zhù)發(fā)送（COM1、COM2、COM3不同傳輸速率）測試消息，直到獲得Device響應，通信建立。
圖5 O-Link 消息序列（M序列）
ADI的IO-Link相關(guān)產(chǎn)品和方案
技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健的工程師Tony Wang介紹了當前ADI可用于設計IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）的相關(guān)芯片級設計參考方案。下圖為IO-Link系統中相關(guān)產(chǎn)品的設計參考框圖。
圖6 IO-Link系統ADI芯片級應用框圖
1、IO-Link Master設計
Tony表示，大多數IO-Link Master設計中主要包括四種組件：一是用于處理數據的微控制器，在使用IO-Link Master的情況下，也運行協(xié)議棧；二是用于物理層的IO-Link Master收發(fā)器；三是用于現場(chǎng)總線(xiàn)通信的工業(yè)以太網(wǎng)控制器；四是電源，以及用于提供浪涌保護的TVS、ESD等。
另外IO-Link Master設計的主要挑戰包括散熱（Heat）、魯棒性（Robustness）、驅動(dòng)能力（Drive capability）、軟件（Software）。
2、ADI在IO-Link Master設計中的優(yōu)勢
IO-Link Master收發(fā)器：MAX14819/MAX14819A介紹
ADI的MAX14819/MAX14819A是低功耗、雙通道的IO-Link主站收發(fā)器。該收發(fā)器包括兩個(gè)輔助數字輸入（DI）通道，完全符合最新的IO-Link和二進(jìn)制輸入標準和測試規范，遵守IEC 61131-2、IEC 61131-9和IO-Link 1.1.3標準。
圖7 MAX14819/MAX14819A（集成Framers and L+ Supply Controllers）功能框圖
MAX14819與MAX14819A的特色和優(yōu)點(diǎn):
● CQ_ DRIVER的1Ω（typ）導通電阻，減少25%的能量消耗
● 兩個(gè)通道共1.9mA（typ）的供電電流
● 集成了L+ Supply Controllers，具有大容性負載充電能力和2A或者更高的負載電流
● 集成了Frame Handler，減少了對MCU的UART需求
● 每個(gè)通道自帶Cycle Timer，減少對MCU精確定時(shí)器的需求
● 通過(guò)邏輯地址輸入A1和A0，在一個(gè)SPI總線(xiàn)上允許最多四個(gè)MAX14819/MAX14819A
● CQ_ DRIVER可獨立配置為push-pull、NPN、PNP模式輸出，可選電流范圍從100mA到500mA
● 65V絕對最大額定值，在其關(guān)鍵引腳上（VCC，CQA，CQB，DIA，DIB，L+A，L+B，SN1A，SN1B）
● -40°C至+125°C的工作溫度范圍
MAX14819與MAX14819A的不同點(diǎn)：
● MAX14819A具有Device Message Response Time Checking功能（tA，參考圖5）
● MAX14819A比MAX14819具有更高的L+閾值
● MAX14819A接收器比MAX14819具有更高的高頻信號隔離能力
ADI合作的3家IO-Link協(xié)議棧公司，可以為終端設計客戶(hù)提供更多的IO-Link協(xié)議棧開(kāi)發(fā)選擇。
圖8 ADI合作的3家IO-Link協(xié)議棧公司
ADI還提供多種評估板資源，方便終端客戶(hù)評估與學(xué)習。
圖9 ADI評估板資源
3、IO-Link Hub設計
大多數IO-Link Hub設計中主要包括四種組件：一是用于處理數據的微控制器，在使用IO-Link Hub的情況下，也運行協(xié)議棧；二是用于物理層的IO-Link Device收發(fā)器；三是用于連接傳感器/執行器的高邊/低邊輸出開(kāi)關(guān)，輸入開(kāi)關(guān)等；四是電源，以及用于提供浪涌保護的TVS、ESD等。
IO-Link Hub設計的主要挑戰同樣包括散熱（Heat）、魯棒性（Robustness）、驅動(dòng)能力（Drive capability）、軟件（Software）。
4、ADI在IO-Link Hub設計中的優(yōu)勢
IO-Link Hub收發(fā)器：MAX14827A/MAX14828介紹
MAX14827A集成了工業(yè)傳感器中常見(jiàn)的高壓功能，包括驅動(dòng)器和調節器。MAX14827A具有兩個(gè)主動(dòng)反極性保護的超低功耗驅動(dòng)器，可工作于正常的24V供電電壓至60V。
圖10 MAX14827A功能框圖
MAX14827A的特色和優(yōu)點(diǎn):
● 非常低的功率損耗（2.3Ω/2.7Ω（typ）導通電阻）
● 集成了LDO和LED驅動(dòng)器
● 熱插拔電源保護
● 具有主動(dòng)反向極性保護功能的驅動(dòng)器
● 65V絕對最大額定值
● MAX14828與MAX14827A的Pin和軟件兼容
注：MAX14827A-Dual Driver；MAX14828- Single Driver；MAX14829- Pin Controlled，Dual Driver。
IO-Link Hub收發(fā)器：MAX22513/MAX22514介紹
MAX22513是雙通道低功耗IO-Link Device收發(fā)器，內部具有高效的DC-DC降壓穩壓器和兩個(gè)內部線(xiàn)性穩壓器，以及集成的浪涌保護器件，非常魯棒性的通信。MAX22513具有低導通電阻驅動(dòng)器（C/Q和DO/DI），可選擇的驅動(dòng)器電流限制和過(guò)流保護，以減少傳感器應用中的功耗。
圖11 MAX22513功能框圖
MAX22513的特色和優(yōu)點(diǎn):
● 集成了高效的DC-DC降壓調節器（可輸出2.5到12V@300mA）
● 集成了±1kV/500Ω的浪涌保護功能
● 非常低的功率損耗（2.1Ω/2.3Ω（typ）導通電阻）
● 集成了LDO和LED驅動(dòng)器
● 集成了精確的振蕩器
● 熱插拔和主動(dòng)反向極性保護功能
● 65V絕對最大額定值
注：MAX22513-Dual Driver；MAX22514- Single Driver；MAX22515- Dual Driver（no DC-DC）。
圖12 IO-Link Device收發(fā)器散熱對比
IO-Link Hub高邊輸出開(kāi)關(guān)：MAX14915/MAX14916/MAX14917介紹
MAX14917有8個(gè)高邊輸出開(kāi)關(guān)，每個(gè)通道提供高達700mA（min）的連續電流。MAX14917有一個(gè)SPI接口，可以菊花鏈連接，允許與多片MAX14917共用一個(gè)SPI總線(xiàn)。兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器提供了對主設備連接的額外安全檢查。MAX14917具有4 x 4 LED交叉矩陣，可提供每個(gè)通道狀態(tài)的視覺(jué)指示。
圖13 MAX14917功能框圖
注：MAX14917不具備診斷功能，MAX14915/MAX14916具備診斷功能。MAX14917只在菊花鏈配置中與MAX14915兼容。
MAX14917的特色和優(yōu)點(diǎn):
● 65V絕對最大供電范圍和集成了1KV的浪涌保護功能
● 精確的輸出電流（0.7A，min）
● 在125℃時(shí)250mΩ（max）導通電阻
● 過(guò)熱保護功能
● 緊湊的6mm x 6mm QFN封裝
IO-Link Hub低邊輸出開(kāi)關(guān)：MAX14919/ MAX14919A介紹
圖14 MAX14919/MAX14919A功能框圖
MAX14919/MAX14919A的特色和優(yōu)點(diǎn):
● 165V絕對最大供電范圍和集成了1KV的浪涌保護功能
● 電阻設置精確的電流限制（100mA到800mA）
● 在125℃時(shí)300mΩ （max）導通電阻
● 過(guò)熱保護和反向電流保護功能
● 緊湊的6.5mm x 6.5mm 20-TSSOP或者4mm x 5mm 20-TQFN封裝
為了滿(mǎn)足將來(lái)的需求，數據透明度和通信必須一致延伸至比控制層更深的層次。那么如何在自動(dòng)化系統中充分利用智能傳感器和執行器？答案是采用開(kāi)放式通信標準的IO-Link。同時(shí)，隨著(zhù)所采用的執行器和傳感器變得越來(lái)越智能，也更需要開(kāi)放的IO-Link通信標準發(fā)揮作用，使傳感器/執行器層直至自動(dòng)化層都保持較高數據透明度。ADI的IO-Link相關(guān)產(chǎn)品和解決方案，讓客戶(hù)可以快速、便捷的去評估自動(dòng)化系統性能，Excelpoint世健還可以提供相關(guān)技術(shù)支持和指導，深入支持客戶(hù)完成整個(gè)IO-Link相關(guān)產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)，幫助客戶(hù)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。
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