工業(yè)系統(tǒng)中用到的ST IO-Link通信主站整體解決方案

通常在工業(yè)自動化系統(tǒng)之中，會通過一個高速的工業(yè)現(xiàn)場總線，比如ProfiNet、EtherNet/IP等網(wǎng)絡(luò)，連接到一個IO-Link master設(shè)備，再通過這個IO-Link master設(shè)備連接到各個IO-Link 的節(jié)點(diǎn)，比如IO-Link 的sensor或者是IO-Link的執(zhí)行器，再或是IO-Link Hub。目前主流的IO-Link master 設(shè)備一般可以支持八個節(jié)點(diǎn)。

上行連接主控端的方式就是各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，也就是以總線的方式進(jìn)行下行連接，而不同IO-Link slave設(shè)備的通信方式則是通過點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行。

因此，如果需要擴(kuò)展更多的IO-Link設(shè)備，一般是通過增加IO-Link master 的設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。在這些系統(tǒng)之中，還會用到STM32-MCU,電源芯片、傳感器芯片以及其它的驅(qū)動器和功率器件等相關(guān)產(chǎn)品。

ST可以提供相關(guān)系統(tǒng)的完整解決方案，下面將向大家介紹具體內(nèi)容。

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IO-Link Master端的L6360的內(nèi)部功能框圖及主要特點(diǎn)。

首先，如下圖所示，圖右上角的VCC可以通過內(nèi)部開關(guān)Power Switch供給L+的電源，給Device一端的線纜上提供供電電壓。這個開關(guān)是一個帶限流功能的功率開關(guān)，內(nèi)阻是2Ω，相對較低。這個開關(guān)可以通過左邊Digital Interface 的Enable使能管腳進(jìn)行控制。

然后再來看一下輸出端，也就是中間部分的CQo管腳。它代表的是CQ output，即為信號輸出。它是由高邊開關(guān)和低邊開關(guān)組成的輸出控制電路，可以通過配置，將其設(shè)置為僅控制高邊開關(guān)的High-side模式，或者設(shè)置為僅控制低邊開關(guān)的Low-side 模式，再或是設(shè)置為高邊-低邊開關(guān)，同時配合使用Push-Pull 推挽的工作模式。

旁邊的CQI代表CQ input 輸入管腳。它是把外部的高電壓信號電平的信號，比如24v電平的信號，通過內(nèi)部的buffer轉(zhuǎn)換為3.3v的低電壓邏輯電平，再通過可編程的數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)給MCU進(jìn)行處理和發(fā)送。另外，下面還有一個IQ管腳。這個通道可以用來設(shè)置一些其他傳統(tǒng)的IO輸入。

在L6360的CQ信號和IQ信號的輸入部分，各有一個可配置的精密電流源。當(dāng)需要用到深度輸入的時候，就可以進(jìn)行使用。但如果將CQ作為High-side輸出時，就需要將它關(guān)閉。

ST的L6360內(nèi)置了兩組led指示燈的驅(qū)動和時序控制電路，可以用兩種不同顏色的LED指示燈，通過電源和限流電阻連接到LED1和LED2這兩個驅(qū)動管腳上。

每個LED都有一個16位的寄存器作為時序控制，每一位的掃描時間是64毫秒，那么16位掃描一次的時間就是一秒鐘左右。

所以不同的閃爍狀態(tài)和兩種不同顏色就可以用來顯示當(dāng)前狀態(tài)或者是報警診斷信息。左邊芯片可以支持I2C 接口，以此進(jìn)行芯片配置。

I2C接口的最快速率為400K，用來實(shí)現(xiàn)芯片的寄存器配置、控制和診斷等功能。比如，用寄存器配置高邊低邊的限流大小或是延遲時間等功能。上面部分的Digital Interface與 I2C接口不同, 是一個并行的控制接口，可以控制上述的輸出驅(qū)動、輸入接口等等的Enable使能功能，通過這些管腳的上下拉直接進(jìn)行控制。

在它內(nèi)部還集成了一個LDO，除了內(nèi)部使用，還可以實(shí)現(xiàn)輸出。它的VH就是這個LDO的輸入管腳，可以到VCC電壓。VDD管腳就是輸出電壓，可以是3.5v或5v，通過SEL管腳進(jìn)行控制。下拉設(shè)置為5v，上拉則設(shè)置為3.3v。輸出的電流一般最大可以到50毫安，限流是到65毫安。

LDO輸出可以用作單板上的MCU或者其他所需部分進(jìn)行供電。一般情況下，工業(yè)系統(tǒng)供電24v，而你的MCU是3.3v或者5v，所以它可以幫你的單板節(jié)省了一個MCU供電的LDO。當(dāng)然，當(dāng)需要更大的電流的時候，那可能就要通過外置一個DC-DC來實(shí)現(xiàn)供電。另外，它還有一個控制診斷模塊，具有欠壓保護(hù)和過溫保護(hù)等功能。

這些診斷信息還可以通過中斷，從而進(jìn)行輸出。該芯片的最高工作電壓VCC為32.5v。Low-side和High-side的Switch的最大限流為1600毫安。

High-side Switch的內(nèi)阻是1歐姆，Low-side Switch的內(nèi)阻是0.6歐姆，因此性能也非常不錯。該芯片的封裝大小為3.5*5毫米，QFN封裝，可以實(shí)現(xiàn)一些小型化的需求。

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基于主站的L6360和從站的L6362A芯片可以提供的demo和資料。

首先，主站的L6360評估板叫做STEVAL-IOM001V1。加上MCU的評估板套件，則叫做P-NUCLEO-IOM01M1的評估套件。另外一個四端口的評估板套件被命名為STEVAL-IDP004V2。這些主站評估板的套件都是內(nèi)置設(shè)計(jì)。ST軟件的合作伙伴TEConcept 提供了主站協(xié)議站的測試版，以供使用。

對于從站部分，ST的L6362A加上STM32的評估板套件，即P-NUCLEO-IOD01A1。另外還有IDP003V1以及BAF001V2這兩個從站評估板，ST都可提供。還有一些文檔資料，都可以在ST官網(wǎng)進(jìn)行下載。無論主站還是從站，ST都可以提供完整的參考設(shè)計(jì)，包括硬件軟件的參考設(shè)計(jì)。

對于從站部分，ST可以免費(fèi)提供Mini Stack以供使用。對于主站部分，由于代碼量和復(fù)雜性，需要通過與ST的軟件合作伙伴咨詢購買硬協(xié)議ASIC 或者是軟協(xié)議購買代碼的方式。后續(xù)會有詳細(xì)解釋說明。

怎么利用P-NUCLEO-IOM01M1和P-NUCLEO-IOD01A1這樣的評估套件來搭建一個多端口的測試系統(tǒng)? 舉個例子，四端口的測試系統(tǒng)需要將NUCLEO-F446的MCU評估板用作內(nèi)置主站協(xié)議站的評估板。加上4個STEVAL-IOM001V1的L6360評估板，作為四個輸出的物理層接口。

左邊是主站部分，從站部分為右邊，要使用NUCLEO-L073 MCU評估板來內(nèi)置從站協(xié)議站作為信號處理。STEVAL-LD003V1是從站收發(fā)器芯片評估板，作為從站的物理層接口。另外，X-NUCLEP-IKS01A2作為外部傳感器的輸入。最后，從站評估板就完成了。

這樣的話，通過四個主站接口，加上四個從站協(xié)議站的評估套件，并使用工業(yè)三線的標(biāo)準(zhǔn)線纜將評估板連接起來，接上24v電源，就可以搭建成功一個測試系統(tǒng)。電腦端支持使用USB口進(jìn)行連接。電腦上需要安裝Control tools, 即IO-Link Control tools, TEConcept評估套件，之后就可以完整搭建起來了。

對于P-NUCLEO-IOM01M1套件，它可以運(yùn)行IO-Link 主站協(xié)議站。它由兩個部分組成，一個是STEVAL-IOM001V1，基于主站L6360收發(fā)器的評估板。這個板子的端口插針可以直連四個同樣接口的評估板，因此可以搭建起一套四端口的評估系統(tǒng)。這個板子上還帶了一個IPS161H的智能控制開關(guān),可以作為L+的輸出。

當(dāng)輸出電流要求較大的時候，我們就可以使用這個外部的IPS161H作為L+ 24v電源的補(bǔ)充輸出這上邊這一塊叫做NUCLEO F446。它是一個基于STM32F446R1的MCU評估板。這塊評估板內(nèi)置了TEConcept 的IO-link 主站協(xié)議站版本。同時,這個板可以支持ST一些通用的開發(fā)環(huán)境,也有ST-link調(diào)試接口提供給大家使用。

這個套件里邊的STEVAL-IOM001V1評估板，就是L6360的評估板。它的插口可以當(dāng)作MCU的擴(kuò)展板，也可以疊加起來使用。在最中間，就是一個L6360的主站收發(fā)器芯片。在它的左邊部分，有一個IPS161H作為L+輸出電源的驅(qū)動和增強(qiáng)功能。

最左邊的中間是IO-Link 的接口端的綠色部分，它的接線要根據(jù)線纜接口來定義后再連接。在左下邊，也就是單板的供電，供電范圍是18v到32.5v。一般工業(yè)測試來說，24v的直流電源已經(jīng)足夠。在上面，還有一個Nucleo的備用電源。板子還可以選擇3.3v和5v的穩(wěn)壓電源，輸出電流可以達(dá)到65毫安。這塊板子可以用來單獨(dú)測試，也可以直接插到MCU的評估板，無縫連接地使用與評估。

IO-Link從站的P-NUCLEO-IOD01A1評估套件可以運(yùn)行IO-Link從站協(xié)議站，也包含了兩個部分。在擴(kuò)展版部分, 它由STEVAL-IOD003V1 L6362A從站收發(fā)器芯片評估板以及STEVAL-IKS01A2傳感器評估板組成。上面有加速度計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等。

另外一個是模板部分，是一個型號為NUCLEO-L073RZ的MCU評估模板。它是一個基于STM32L073RZ的MCU評估板，可以用來加載來自TEConcept 的IO-Link從站協(xié)議站。這個是ST的一款低功耗的MCU-M0的評估板,也可以支持ST的一些調(diào)試環(huán)境、編譯環(huán)境，還有一些外部連接，因此我們可以使用ST link這樣的調(diào)試端口來連接使用。

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IO-Link傳感器評估套件里的兩個擴(kuò)展板。

上圖左是負(fù)責(zé)IO-Link通信的STEVAL-IOD003V1評估板，上面有一個L6362A的IO-Link從站收發(fā)器芯片，下面帶一個連接IO-Link線纜的連接器端子。在這上邊，還可以有一個接頭附加另外的傳感器。另外一塊是傳感器的評估板，它的型號是X-NUCLEO-IKS01A2，帶有ST四種型號的傳感器。

第一個型號是HTS221溫濕度傳感器，它可以測量空氣中的溫濕度。第二個型號是IPS22HB壓力式傳感器，是一個壓阻式絕對值數(shù)字輸出氣壓計(jì)。第三個型號是LSM6DSL慣性導(dǎo)航測量單元，被稱之為IMU模塊。它由三個方向的加速度計(jì)和三個軸向的陀螺儀組成。第四個的型號是一個LSM303AGR加速度計(jì)加電子羅盤的傳感器模塊，由三個方向的數(shù)字線性加速度傳感器和3D的數(shù)字式磁傳感器的電子羅盤組成。

所以這是一個多傳感器測量模塊。在它上邊還有一個接口，可以擴(kuò)展外接更多的MEMES的傳感器。這是ST的一個特色。

為了配合使用這些評估套件系統(tǒng)，ST有一系列的軟件工具和固件可以提供。首先針對STEVAL-IOM001V1和STEVAL-IOD1003V1這套評估系統(tǒng)，有一個圖形化的用戶界面叫做STSW-IOLINKGUI的圖形用戶界面和對應(yīng)固件。在ST官網(wǎng)上搜索STSW-IOLINKGUI，就可以找到這個軟件的下載鏈接。

GUI可以免費(fèi)下載，用來進(jìn)行這些器件的設(shè)置、評估、測試等工作。同時，ST還與一些IO-link協(xié)議站的第三方進(jìn)行合作，可以提供一系列的IO-link專業(yè)的協(xié)議站應(yīng)用評估和測試工具。P-NUCLEO這套評估板就可以用來加載來自TEConcept公司的協(xié)議站。

TEConcept公司也提供了IO-Link control Tool應(yīng)用軟件，可以很容易地可視化運(yùn)行這套IO-Link系統(tǒng)，進(jìn)行一些參數(shù)通訊和數(shù)據(jù)處理工作。從站中有一個名為IODD的設(shè)備描述文件，我們可以通過這個Tool的IODD finder進(jìn)行加載配置。一些相關(guān)的詳細(xì)操作方法和步驟，可以參考ST的一些應(yīng)用文檔，也可以通過在官網(wǎng)搜索UM2421獲得下載鏈接。

基于當(dāng)前方案，ST產(chǎn)品線還有一個4端口的IDP004V2主站評估板。這套評估板使用了STM32的MCU，加上4個L6360收發(fā)器。其內(nèi)置的IO-Link v1.1的評估板本的協(xié)議站，這個單板上還有485接口、CAN接口、USB接口以及DC-DC電源。我們一般是使用USB電纜連接到電腦上，然后在電腦上使用TEConcept的IO-Link control tour進(jìn)行評估測試。

對于從站的通信接口，其板子上使用的是標(biāo)準(zhǔn)的M12接頭，可以支持標(biāo)準(zhǔn)的IO-Link三線制通信。也就是一根通信線，一根L+電源，以及一根D，可以連接各種IO-Link從站并進(jìn)行通信測試評估。對于IO-Link 從站協(xié)議站， ST這邊可以提供Mini Stack免費(fèi)協(xié)議站。主站協(xié)議站相對于從站來說就會更復(fù)雜一些。





審核編輯：劉清