使用IO-Link收發(fā)器管理數據鏈路如何簡(jiǎn)化微控制器選擇

問(wèn)題

面對與遵守IO-Link標準中規定的時(shí)序要求相關(guān)的挑戰，IO-Link^?從站微控制器如何克服？

回答

IO-link從站微控制器需要同時(shí)執行多項任務(wù)，因此可能難以在可接受的指定時(shí)間窗口內響應請求。在執行微控制器不能中斷的任務(wù)時(shí)尤其如此。解決此時(shí)序挑戰的一個(gè)典型解決方案是使用第二個(gè)微控制器來(lái)管理IO-Link堆棧，從而在IO-Link從站和IO-Link主站之間保持更穩定的響應時(shí)間間隔。然而，該方法的效率極低，因為其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的傳感器外殼。一個(gè)更好的替代方案是使用能夠在通信路徑中管理數據鏈路和物理層的收發(fā)器。通過(guò)使用該收發(fā)器，從站微控制器無(wú)需再執行此任務(wù)，設計人員能夠設計出更小巧、更復雜、功能更強大且具有成本效益的工業(yè)現場(chǎng)儀器。

圖1 IO-Link主站/從站通信接口

IO-Link時(shí)序

IO-Link是24 V、3線(xiàn)工業(yè)通信標準，支持工業(yè)從站和IO-Link主站之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信，進(jìn)而與更高級別的過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。

在IO-Link應用中，收發(fā)器充當運行數據鏈路層協(xié)議（堆棧）的微控制器和24 V IO-Link信號線(xiàn)路之間的物理層接口。IO-Link通信涉及多種類(lèi)型的傳輸，包括過(guò)程數據、值狀態(tài)、從站數據和事件。這樣一來(lái)，如果發(fā)生錯誤，便能快速識別、跟蹤和處理工業(yè)從站，幫助減少停機時(shí)間。IO-Link支持遠程配置；例如，如果需要調整觸發(fā)過(guò)程警報的閾值，可以通過(guò)IO-Link連接將更新的閾值發(fā)送到從站，以此方式進(jìn)行調整，無(wú)需技術(shù)人員前往現場(chǎng)操作。

IO-Link主站端口和從站之間的通信受到多個(gè)時(shí)序的限制，并按照名為M序列時(shí)間的固定時(shí)間表進(jìn)行。M序列消息包括從IO-Link主站發(fā)送到從站的命令或請求，以及來(lái)自從站的回復消息。圖2所示為M序列中的時(shí)序參數，其中包括IO-Link主站端口和從站消息之間的消息。從站必須在從站響應時(shí)間tA內響應主站，該時(shí)間范圍為1 Tbit至10 Tbit(Tbit = 位時(shí)間)。對于COM3波特率，tA應介于4.3 μs和43 μs之間。如果響應時(shí)間超出此范圍，則會(huì )發(fā)生通信故障。

圖2 IO-Link通信中的M序列時(shí)序

如果未能準時(shí)

IO-link從站微控制器需要同時(shí)執行多項任務(wù)，因此可能難以在為tA指定的可接受時(shí)間窗口內響應請求。在執行微控制器不能中斷的任務(wù)時(shí)尤其如此，此類(lèi)型任務(wù)通常被稱(chēng)為不可屏蔽中斷(NMI)。如果從站微控制器在指定時(shí)間窗口內未做出響應，則通信中斷，必須重新啟動(dòng)。

例如，對于超聲波測距傳感器，微控制器需要執行的一些任務(wù)包括：

■   發(fā)送超聲波突發(fā)脈沖

■   處理上一次突發(fā)脈沖中的固有線(xiàn)路，然后計算距離

■   測量環(huán)境溫度以補償聲速

■   管理傳感器后臺任務(wù)（例如電源管理）

■   回復IO-Link周期性請求

■   回復IO-Link非周期性請求

由于要連續處理數據樣本，微控制器幾乎沒(méi)有時(shí)間管理數據鏈路層通信任務(wù)，這導致從站響應時(shí)間顯著(zhù)變化。在極端情況下，還可能無(wú)法滿(mǎn)足tA的時(shí)序要求。

僅使用速度更快、功能更多的微控制器無(wú)法解決NMI引起的時(shí)序問(wèn)題。解決此時(shí)序問(wèn)題的一個(gè)典型解決方案是使用第二個(gè)微控制器來(lái)管理IO-Link堆棧，從而在IO-Link從站和IO-Link主站之間保持更穩定的響應時(shí)間間隔。然而，該方法的效率極低，因為其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的傳感器外殼。

圖3 帶收發(fā)器和集成DC-DC轉換器的MAX22516 IO-Link狀態(tài)機

管理數據鏈路

一個(gè)更好的替代方案是使用收發(fā)器來(lái)管理通信路徑中的數據鏈路和物理層。MAX22516 IO-Link狀態(tài)機（圖3）集成了IO-Link從站收發(fā)器中常見(jiàn)的所有功能，包括24 V C/Q、集成降壓型DC-DC轉換器以及5 V和3.3 V線(xiàn)性穩壓器。

該設備是第一個(gè)包含全功能狀態(tài)機的收發(fā)器，可全面管理IO-Link數據通信的時(shí)序。它能夠自動(dòng)處理與IO-Link主站的通信，以處理配置和維護請求等，并能夠使用微控制器寫(xiě)入寄存器和FIFO的數據來(lái)處理數據傳輸。使用該收發(fā)器的一個(gè)主要好處是，在為傳感器選擇微控制器時(shí)，它提供了更多的選擇，因為從站微控制器不需要管理與IO-Link主站通信的任務(wù)。

MAX22516監控來(lái)自IO-Link主站的傳入消息。收到完整的索引服務(wù)數據單元(ISDU)配置或維護請求后，該收發(fā)器自動(dòng)向IO-Link主站發(fā)送ISDU BUSY消息，并通知從站微控制器通信已成功完成。如果時(shí)間允許，微控制器可將按需數據加載到ISDU FIFO中，這項任務(wù)通常需要多個(gè)周期才能完成。收發(fā)器使用輸入過(guò)程數據(PDIn)和輸出過(guò)程數據(PDOut) FIFO中的數據來(lái)管理PDIn和PDOut，允許微控制器將數據寫(xiě)入PDIn FIFO并從PDOut FIFO讀取，不受任何時(shí)間限制。集成緩沖區確保FIFO中的數據在處理前不會(huì )丟失或被覆蓋。

圖4展示了與使用單一微控制器的應用相比，使用該收發(fā)器如何顯著(zhù)減少從站響應IO-Link主站所需的時(shí)間。從站響應時(shí)間縮短超過(guò)50%，同時(shí)變化幅度也從12 μs大幅降至0.25 μs。

圖4 比較使用單一微控制器（左）和MAX22516（右）管理IO-Link通信的應用的響應時(shí)間

MAXREFDES281 IO-Link從站參考設計（圖5）采用MAX22516，可用于驗證不同類(lèi)型IO-Link傳感器的時(shí)序性能。

圖5 MAXREFDES281 IO-Link從站參考設計

結論

微控制器需要同時(shí)管理多項任務(wù)，這意味著(zhù)它們有時(shí)難以滿(mǎn)足IO-Link數據通信的時(shí)序規范。一些設備制造商使用第二個(gè)微控制器來(lái)管理IO-Link堆棧，但該方法令人難以接受?，F在不再需要該雙微控制器方法，因為MAX22516 IO-Link收發(fā)器集成了一個(gè)可以管理所有IO-Link通信的狀態(tài)機，讓主要從站微控制器能夠執行其他時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)。

作者簡(jiǎn)介

Brian Condell是ADI公司的數字營(yíng)銷(xiāo)工程師，工作地點(diǎn)在愛(ài)爾蘭利默里克。他于2003年畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲得電氣工程榮譽(yù)學(xué)位。他擁有超過(guò)25年的半導體行業(yè)工作經(jīng)驗，曾擔任多個(gè)職位。他是經(jīng)過(guò)TüV Rheinland認證的IEC 61508硬件/軟件設計功能安全工程師。

Michael Jackson是SSG事業(yè)部的首席工程師，負責解決方案營(yíng)銷(xiāo)。他擁有電子工程碩士學(xué)位。

Konrad Scheuer是ADI公司技術(shù)人員的資深首席工程師。他于2003年畢業(yè)于阿倫高等專(zhuān)業(yè)學(xué)院，獲得電氣工程學(xué)位。