為何工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要大量的低成本、低功耗的邊緣層節(jié)點(diǎn)？

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用架構(gòu)使用大量的聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器來監(jiān)視和控制工業(yè)過程。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)中，這些智能連接元素的集合被稱為邊緣層，典型的邊緣層節(jié)點(diǎn)位于或接近它所服務(wù)的機(jī)器。

邊緣層節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)者提出了一些挑戰(zhàn)。除了傳感器和執(zhí)行器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還包括微控制器和電源電路，以及與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)連接的串行通信鏈路。由于存在數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)，因而實(shí)現(xiàn)最低的成本和功耗非常重要。工業(yè)環(huán)境通常存在著非常嚴(yán)重的電磁干擾，因此提供強(qiáng)大的抗電磁干擾保護(hù)也是首要考慮因素。

本文將簡要介紹 IO-Link 通信協(xié)議及其在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的用途。然后，本文將介紹Maxim IntegratedMAX14827A收發(fā)器，以示范如何針對各種工業(yè)檢測和安全應(yīng)用來部署經(jīng)濟(jì)高效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣層節(jié)點(diǎn)。

IO-Link 概述

IO-Link (IEC 61131-9) 是一種點(diǎn)對點(diǎn)串行通信協(xié)議，針對包含傳感器、執(zhí)行器和低功耗微處理器的智能邊緣層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。它的基本形式是三線連接，可以切換模擬和數(shù)字信號（8 位、12 位和 16 位）。它簡明、智能、高效且可配置，并具有提供更多信息和控制的能力，因而得到了廣泛的工業(yè)支持。

例如，它采用了標(biāo)準(zhǔn)連接器和電纜，而不使用定制連接。使用 IO-Link，開發(fā)人員能夠識別器件，并在運(yùn)行中執(zhí)行自動(dòng)重新參數(shù)化。它的服務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (SPDU) 讓用戶能夠訪問詳細(xì)的傳感器和執(zhí)行器狀態(tài)，從器件類型和 ID 編號到完整的診斷信息。

在典型的工業(yè)安裝中，多個(gè) IO-Link 主站可操作執(zhí)行器，并從傳感器收集數(shù)據(jù)；它們還能夠動(dòng)態(tài)地重新配置傳感器和執(zhí)行器（在 IO-Link 術(shù)語中統(tǒng)稱為“器件”）（圖 1）。

可編程邏輯控制器 (PLC) 可能包含多個(gè) IO-Link 主站，每個(gè)主站連接到一個(gè)或多個(gè)器件。PLC 本身是局域網(wǎng)（例如現(xiàn)場總線）上的節(jié)點(diǎn)。諸如工業(yè)以太網(wǎng)之類的更高速網(wǎng)絡(luò)，在 PLC 集線器和更高的企業(yè)或云級別之間傳輸數(shù)據(jù)和命令。

圖 1： 在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用 IO-Link，從位于邊緣的傳感器和執(zhí)行器（稱為“器件”），通過包含 IO-Link 主站的 PLC，一直到高速工業(yè)以太網(wǎng)骨干。（圖片來源： IO-Link）

IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)引腳分配根據(jù) M5、M8、M12 的圓形外形尺寸，將數(shù)據(jù)鏈路和電源連接組合在單個(gè)連接器中： 其中 M12 最為常用。傳感器連接器有四個(gè)引腳，執(zhí)行器有五個(gè)引腳：IO-Link 主站器件通常有五引腳插座。

該標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)端口類，即端口 A 和端口 B：引腳 1、3 和 4 在兩個(gè)端口類中執(zhí)行相同的功能。在端口 A 中，引腳 2 和 5 未指定具體功能，但制造商通常使用引腳 2 作為附加數(shù)字通信通道。在端口 B 中，引腳 2 和 5 為具有較大需求的器件提供額外電源。最長 20 米的非屏蔽式電纜將主站與其器件連接在一起（表 1）。

引腳名稱 (A)名稱 (B)功能1L+電源連接： 24 VDC 時(shí)，200 mA2DI/DQ2L+可選數(shù)字 I/O 連接 (A) 或第二電源連接 (B)3L-信號和電源回路4C/QIO-Link 通信線路： 230.4 kBaud，半雙工5N.S.2M未指定 (A) 或第二電源回路 (B)

表 1： 端口類 A 和 B 的標(biāo)準(zhǔn) IO-Link 引腳分配。端口 B 使用引腳 2 和 5，為需要更大功率的器件提供更高的（電位隔離）電壓。（圖片來源： IO-Link）

IO-Link 規(guī)范具有后向兼容性，并能夠適應(yīng)舊有設(shè)備。主站可以使用標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出 (SIO) 功能來操作這些器件，將 C/Q 串行鏈路轉(zhuǎn)化為分立式數(shù)字 I/O 端口。SIO 還支持 IO-link 傳感器與傳統(tǒng)輸入模塊結(jié)合使用。主站端 (ILLM) 的 C/Q 線路上內(nèi)置有負(fù)載電流，還支持與具有離散 PNP 型輸出（僅驅(qū)動(dòng)高電平）的舊有傳感器結(jié)合使用。

使用 IO-Link 設(shè)計(jì)邊緣層節(jié)點(diǎn)

IO-Link 協(xié)議為功能強(qiáng)大的低成本邊緣層節(jié)點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)（圖 2）。此類低功耗節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn) IO-Link 連接時(shí)僅使用了三個(gè)有源器件：IO-Link 收發(fā)器 (MAX14827A)、降壓穩(wěn)壓器 (MAX17552)、監(jiān)控型微控制器。

圖 2： IO-Link 節(jié)點(diǎn)的簡化方框圖，其中包含三個(gè)有源器件：IO-Link 收發(fā)器、降壓穩(wěn)壓器、監(jiān)控型微控制器。（圖片來源：Maxim Integrated）

IO-Link 收發(fā)器

Maxim Integrated 的 MAX14827A 收發(fā)器發(fā)送和接收 IO-Link 消息，并通過三線 UART 與監(jiān)控型微控制器交換數(shù)據(jù)。該器件還帶有 SPI 接口，可提供診斷信息。復(fù)用 UART/SPI 選項(xiàng)將 SPI 和 UART 接口組合為單組共用引腳（圖 3）。

圖 3： MAX14827A 將 IO-Link 收發(fā)器、功率驅(qū)動(dòng)器和線性穩(wěn)壓器的組合在單個(gè)封裝中（圖片來源： Maxim Integrated）

MAX14827A 有兩種運(yùn)行模式，由 SPI/PIN 上的電壓決定。在 PIN 模式下（SPI/PIN 低），SPI 和 UART 都被禁用，可根據(jù)需要將 SPI/UART 引腳連接到高電平或低電平，來設(shè)置器件配置。在此模式下，有些功能設(shè)置為固定值。當(dāng) SPI/PIN 連接高電平時(shí)，SPI 和 UART 都被使能，用于配置 MAX14827A、監(jiān)控其運(yùn)行、以及傳輸和接收 IO-Link 消息。

除了 IO-Link 接口之外，MAX14827A 還集成了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)需要的多種常見功能，例如驅(qū)動(dòng)器和穩(wěn)壓器。這樣可以減少元器件數(shù)和節(jié)點(diǎn)尺寸。這些功能包括：

• 兩個(gè)低功耗邏輯電平 LED 驅(qū)動(dòng)器

• 集成的 3.3 V 和 5 V 線性穩(wěn)壓器，用于低噪聲模擬或邏輯電源軌。

• 如果 DI/DQ 工作不需要，則可使用推挽、PNP 和 NPN 模式的其他數(shù)字輸入和輸出。

MAX14827A 可檢測熱過載等故障條件，并提供反極性保護(hù)和熱插電源保護(hù)。該器件還可以針對各種條件引發(fā)中斷，例如 IO-Link 喚醒、超溫、驅(qū)動(dòng)器過載、V24 引腳低電壓。

降壓穩(wěn)壓器和電源

IO-Link L+/L- 引腳為節(jié)點(diǎn)提供 24 伏特直流電源。MAX17552A 高效率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器為其他元器件、傳感器和執(zhí)行器產(chǎn)生 5 伏特的總線電壓。它將同步降壓拓?fù)溆糜诩墒焦β?MOSFET。

MAX14827A 中的內(nèi)置 LDO 使用 5 伏特總線電壓，為微控制器產(chǎn)生 3.3 伏特的電壓。由于 MAX17552 提供了 5 伏特的電壓，因此此應(yīng)用將不使用 MAX14827A 的內(nèi)置 5 伏特穩(wěn)壓器。

雖然標(biāo)準(zhǔn) IO-Link L+ 電壓為 24 伏特，但 MAX17552A 可根據(jù)需要在 4 伏特至 60 伏特的輸入電壓范圍內(nèi)工作。轉(zhuǎn)換器能夠在 0.8 伏特至 0.9 x VIN的可調(diào)節(jié)輸出電壓下，產(chǎn)生最高 100 毫安的輸出電流。在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓精度為 ±1.75%。

該器件采用峰值電流模式控制方式，MODE 引腳可在脈寬調(diào)制 (PWM) 或脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 控制方案之間選擇。PWM 工作可在所有負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)恒定頻率工作方式，這一特點(diǎn)使其適用于對可變開關(guān)頻率敏感的應(yīng)用。PFM 模式在輕負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖跨周期調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)高效率。在這種模式下，轉(zhuǎn)換器僅消耗 22 微安的空載電源電流。

圖 4： MAX17552A 的開關(guān)拓?fù)涓咝У貙?IO-Link 24 伏特輸入轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)所需的 5 伏特總線電壓。（圖片來源： Maxim Integrated）

微控制器選擇

微控制器對傳出的 IO-Link 消息進(jìn)行格式化，并處理傳入的消息。它還接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，并通過外置驅(qū)動(dòng)器或 MAX14827A 中的驅(qū)動(dòng)器來控制執(zhí)行器。

在最小引腳數(shù)的配置中，微控制器串口同時(shí)支持 UART 和 SPI 功能，管理收發(fā)器控制 (SPI) 和 IO-Link 數(shù)據(jù)通信 (UART)。微控制器的共用 UART 和 SPI 接口引腳為復(fù)用引腳，但它們的使用模式各不相同。SPI 用于配置上電時(shí)的收發(fā)器配置，很少用于重新配置或診斷目的。另一方面，UART 消息可能隨時(shí)產(chǎn)生。

由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的功能存在很大差別，微控制器必須擁有靈活的功能集。這些功能可能包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、數(shù)字 I/O 功能（例如定時(shí)器和 PWM 輸出），具體取決于應(yīng)用。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的首要設(shè)計(jì)原則是在合理的位置處理數(shù)據(jù)，而并非自動(dòng)將數(shù)據(jù)向上游發(fā)送至更高級別的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。這會(huì)提高節(jié)點(diǎn)級微控制器的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗枰↑c(diǎn)支持等功能。但是，最大程度降低功耗仍然是頭等大事，因此微控制器必須具有電源管理功能，讓電源更長時(shí)間保持在低功耗模式下，僅在需要時(shí)喚醒以處理傳感器輸入，或者發(fā)送和接收消息。

節(jié)點(diǎn)工作方式

在工作中，器件必須等待以響應(yīng)來自主站的傳輸：它無法發(fā)起通信。主站通過在 C/Q 線路上實(shí)現(xiàn) 80 微秒的低電平脈沖來喚醒器件（圖 5）。MAX14827A 檢測到 IO-Link 喚醒條件，并通過將引腳驅(qū)動(dòng)至低電平，持續(xù) 200 微秒，來通知微控制器。由于 MAX14827A 包括電路，因此明顯長于或短于 80 微秒的脈沖將不會(huì)導(dǎo)致變化。此外，在 SPI 模式下時(shí)，MAX14827A 的 INTERRUPT 寄存器中的 WuInt 位將會(huì)置位，而在檢測到 IO-Link 喚醒事件時(shí)，/ 引腳變得有效。

圖 5： 檢測到傳入的 IO-Link 喚醒時(shí)，MAX41827A 通知微控制器。（圖片來源：Maxim Integrated）

在未發(fā)生 IO-Link 通信期間，微控制器會(huì)收集傳感器數(shù)據(jù)、響應(yīng)故障條件或進(jìn)入休眠模式以節(jié)省功耗。

設(shè)計(jì)考慮因素

在為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，請務(wù)必牢記一些重要考慮因素。

由于 IO-Link 插座暴露在外界環(huán)境下，因此 ESD 保護(hù)和瞬態(tài)保護(hù)不可或缺。在插入或取下連接器時(shí)，存在 ESD 電擊的風(fēng)險(xiǎn)。

電感負(fù)載開關(guān)、突發(fā)和浪涌會(huì)產(chǎn)生高瞬態(tài)電壓。應(yīng)保護(hù) V24、C/Q、DI 和 DO 引腳免受過壓和欠壓瞬變的影響。V24、C/Q、DO 和 DI 上的正電壓瞬變必須限定為相對于 GND 的 +70 伏特。負(fù)電壓瞬變必須限定為相對于 V24 的 -70 伏特。在 C/Q、DO 和 DI 使用保護(hù)二極管（圖 3）。

如果設(shè)計(jì)需要滿足 IEC 61000-4-5 規(guī)范的浪涌額定值，Littelfuse Inc. 的SMAJ33A或Fairchild 的SMBJ36ATVS 保護(hù)器都是不錯(cuò)的選擇。為了提供最大程度的保護(hù)，STMicroelectronics推出的SM6T39A達(dá)到了 IEC 61000-4-2 第 4 級 ESD 規(guī)范的 15 千伏空氣放電和 8 千伏接觸放電要求。

另一方面，IO-Link 規(guī)范規(guī)定了最低級別的 ESD 保護(hù)和突發(fā)保護(hù)；如果有這種設(shè)計(jì)要求，則可在小型封裝中使用 TVS。

開關(guān)穩(wěn)壓器元器件選擇

當(dāng)設(shè)計(jì)中包含 MAX17552A 等開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)，也會(huì)帶來一些值得注意的問題。例如，在選擇外部元器件時(shí)需要特別小心，這一點(diǎn)非常重要。

電感器選擇：挑選 DC 電阻最低且適合所分配空間的低損耗電感器。鐵氧體和鐵粉是最常用的磁芯材料。鐵氧體磁芯具有較低的磁芯損耗，建議用于高效率設(shè)計(jì)，鐵粉磁芯比鐵氧體的成本更低，但磁芯損耗更高。

輸入電容器選擇：輸入電容器可減少從電源提取的峰值電流，并減少輸出端由于開關(guān)電路導(dǎo)致的紋波和噪聲。推薦使用小型陶瓷 X7R 級別輸入電容器。對于 MAX17552 的輸入電容器，建議達(dá)到至少 1 微法拉的電容值，以保持較低的輸入電壓紋波，并滿足最大紋波電流要求。

輸出電容器選擇：輸出電容器有兩種功能。它存儲(chǔ)足夠的能量，以便在瞬態(tài)負(fù)載條件下保持輸出電壓，并穩(wěn)定穩(wěn)壓器的內(nèi)部控制回路。X7R 級別陶瓷器件仍然是首選。量身定制輸出電容器，以支持應(yīng)用中的最大輸出電流的 50% 的步進(jìn)負(fù)載，使得輸出電壓偏差小于 3%。

另請注意，由于 DC 偏置電平，陶瓷電容器中使用的介電材料會(huì)出現(xiàn)電容損失，請確保適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行降額。

PC 板布局指南

典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)包括用于收集實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)的噪聲敏感型模擬電路，還包括噪聲數(shù)字和開關(guān)電源器件。細(xì)致的 PC 板布局對于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作至關(guān)重要。

推薦布局指導(dǎo)原則包括保留噪聲敏感型模擬元器件，以及偏離噪聲源和接地線的布線。將模擬輸入與噪聲走線隔離開，單獨(dú)運(yùn)行模擬和電源接地。

開關(guān)電源功率級需要特別注意，因?yàn)樗鼘?shù)字開關(guān)與高電壓和高電流結(jié)合在一起。例如，輸入陶瓷電容器應(yīng)該位于盡可能靠近 VIN 和 GND 引腳的位置。所有反饋連接應(yīng)該是短而直接的，高速開關(guān)節(jié)點(diǎn) LX 的布線應(yīng)該與信號引腳隔離開。

MAX14827A 評估板

使用評估板可以幫助設(shè)計(jì)人員基于 IO-Link 和 MAX14827A 開始設(shè)計(jì)邊緣節(jié)點(diǎn)。MAX14827EVKIT既可作為獨(dú)立評估板工作，也可與基于 Arduino 的小型 ARM? mbed 板結(jié)合使用。評估板包括了 GUI，讓用戶能夠在 PIN 模式和 SPI 模式下進(jìn)行操作（圖 6）。

圖 6： MAX14827A 評估套件上電后的 SPI 模式默認(rèn)配置 GUI 屏幕（圖片來源： Maxim Integrated）

總結(jié)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要大量的低成本、低功耗的邊緣層節(jié)點(diǎn)，用于收集數(shù)據(jù)和控制工業(yè)過程。IO-Link 是一種針對工業(yè)自動(dòng)化優(yōu)化的低成本協(xié)議，特別適用于在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中連接在一起的大量 PLC。MAX14827A IO-Link 收發(fā)器可將穩(wěn)壓器與低功耗微控制器組合在一起，形成適合很多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的緊湊邊緣層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。