10分鐘解鎖一種新的通信技術(shù)——IO-Link

古有秦始皇統(tǒng)一文字與貨幣，今有手機(jī)充電口統(tǒng)一USB Type-C。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，同樣也有很多統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比如IO-Link，統(tǒng)一工控系統(tǒng)中傳感器和執(zhí)行器的通信標(biāo)準(zhǔn)。什么是IO-Link呢？強(qiáng)勢(shì)科普來了——

為什么需要IO-Link統(tǒng)一？

在工業(yè)系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器是設(shè)備的“眼睛、耳朵、手”，“監(jiān)視”設(shè)備的一舉一動(dòng)，并完成相應(yīng)的動(dòng)作指令。工業(yè)4.0時(shí)代，如果說來自傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題了，那么作為大腦的主機(jī)控制器就被“蒙蔽”，無法知道工控系統(tǒng)最底層的數(shù)據(jù)，不作為或者亂作為，這樣對(duì)于工廠來說，損失不可計(jì)數(shù)。

為什么傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)會(huì)有問題？無論過去還是現(xiàn)在，有很多工業(yè)傳感器都采用模擬信號(hào)或者是離散的信號(hào)，且數(shù)據(jù)采用單向方式進(jìn)行傳輸。雖然之后出現(xiàn)了可提供數(shù)字開/關(guān)信號(hào)的二進(jìn)制傳感器，比如電感 、電容 、超聲波、光電等檢測(cè)元件，以及半導(dǎo)體開關(guān)元件，他們輸出可能是：高邊開關(guān)或低邊開關(guān)，或者是推挽式，但數(shù)據(jù)仍然受到限制，只能從傳感器單向傳輸至主機(jī)，也同時(shí)存在模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度損失、數(shù)據(jù)傳輸速率慢、沒有故障信息等問題。

雖然有一些協(xié)議，比如CAN、Profibus可以提高工控系統(tǒng)的通信效率、可靠性，但他們都有一定程度的復(fù)雜，不易使用。

于是，IO-Link就橫空出世了！由于IO-Link用在工控系統(tǒng)的最前端的傳感器和執(zhí)行器上，因此IO-Link被譽(yù)為工控系統(tǒng)直到“最后一米的連續(xù)通信”。

IO-Link的工作原理

首先，我們要明白一點(diǎn)：IO-Link不是現(xiàn)場(chǎng)總線，獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線之外，但可集成到所有現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中。

IO-Link 是全球首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的IO 技術(shù) （IEC 61131-9），用于與傳感器、執(zhí)行器進(jìn)行通信。它是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的串行數(shù)字通信協(xié)議，每個(gè)IO設(shè)備都有一個(gè)單獨(dú)的通道，連接到主站單元。從下圖典型的IO-Link應(yīng)用框圖，可以直觀看出IO-Link在工控系統(tǒng)中的應(yīng)用：

IO-Link系統(tǒng)這里有3個(gè)部分組成：

1）Master，對(duì)上與PLC等控制器連接，對(duì)下連接IO-link標(biāo)準(zhǔn)的傳感器、執(zhí)行器或者h(yuǎn)ub。

2）設(shè)備：傳感器、執(zhí)行器，或是IO-Linkhub，其中傳感器通常是M12的四針接口，執(zhí)行器通常是M12的五針接口，滿足IO-Link設(shè)備針腳的定義要求，IO-link hub可以連接沒有IO-Link輸入輸出的設(shè)備。

3）IO-Link線纜，連接IO-link Master和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)的3芯線纜：數(shù)據(jù)線、電源線和地線。

每個(gè)IO-Link設(shè)備都有標(biāo)準(zhǔn)化的連接接口和協(xié)議。在IO-Link通信模式下，IO-Link Master會(huì)發(fā)送預(yù)先定義好的信號(hào)并等待IO-Link設(shè)備的應(yīng)答。當(dāng)IO-Link設(shè)備被喚醒后，IO-Link Master與IO-Link設(shè)備之間首先互換通信參數(shù)，之后就開始周期性的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)可能是過程數(shù)據(jù)，也可能是設(shè)備的警報(bào)或故障狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)了雙向通信。IO-Link Master除了可以作為IO-Link來使用之外，還可以配置為普通的IO模式，像使用普通數(shù)字量IO口一樣來使用它。

IO-Link硬件解決方案

作為技術(shù)型授權(quán)代理商，Excelpoint世健與ADI合作三十余年，能提供基于ADI芯片的IO-Link應(yīng)用解決方案，并提供專業(yè)的技術(shù)支持。

根據(jù)功能劃分，包含下面這些芯片類型：

控制器MCU：MAX32670，用于處理數(shù)據(jù)，運(yùn)行協(xié)議棧；

IO-Link Master收發(fā)器：

MAX14819/MAX14819A，低功耗、雙通道的IO-Link Master收發(fā)器；

IO-Link設(shè)備收發(fā)器：

MAX22513/MAX22514，具有高效的DC-DC降壓穩(wěn)壓器和兩個(gè)內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，以及集成的浪涌保護(hù)器件，非常魯棒性的通信；

IO-Link Hub收發(fā)器：

MAX14827A/MAX14828，集成了工業(yè)傳感器中常見的高壓功能；

IO-Link Hub高邊輸出開關(guān)：

MAX14915/MAX14916/MAX14917，控制高壓側(cè)的導(dǎo)通與關(guān)斷。

前段時(shí)間，我們正好收到了世健提供的業(yè)界超小的八通道工業(yè)高側(cè)開關(guān)MAX14917評(píng)估套件，第一時(shí)間體驗(yàn)了這套開發(fā)板的工作流程。

這套MAX14917評(píng)估套件，由一塊USB轉(zhuǎn)SPI通訊轉(zhuǎn)接板和MAX14917AFM+為核心的IO-Link評(píng)估板組成，IO-Link評(píng)估板供電為DC 24V，板載 8個(gè)高邊輸出開關(guān)，每個(gè)輸出通道提供高達(dá)700mA的連續(xù)電流。板上還有一個(gè)SPI接口，可以進(jìn)行菊花鏈連接，將多片MAX14917共用一個(gè)SPI總線。板載有4 x 4 LED交叉矩陣，可提供每個(gè)通道狀態(tài)的視覺指示。測(cè)試使用到的上位軟件是MAX14915_6_7EVKITSetupV1.15.exe，將IO-Link評(píng)估板卡與USB轉(zhuǎn)SPI通訊轉(zhuǎn)接板連接好，同時(shí)把評(píng)估板的供電也連接好，再通過USB將通訊轉(zhuǎn)接板與PC連接即可開始測(cè)試。

最后，用三個(gè)詞總結(jié)一下IO-Link：

通用：IO-Link獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線，可集成到所有現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中。只要是M12、M8 或 M5 連接器和三芯電纜等標(biāo)準(zhǔn)，即可工作。

智能 ：IO-Link 功能強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器的擴(kuò)展診斷，或者通過雙軸通信實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速的參數(shù)設(shè)置。IO-Link速度快，三種通信速率，4.8 k波特率，38.4 k波特率和230.4 k波特率。IO-Link體積小，可實(shí)現(xiàn)“智能”傳感器和執(zhí)行器的小型化。

簡(jiǎn)單：IO-Link采用最簡(jiǎn)單的無屏蔽三芯電纜進(jìn)行連接。通過雙向的通信，可以最短時(shí)間知道設(shè)備上發(fā)了什么，并第一時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程維護(hù)。