IO-Link如何滿足工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求

IO-Link在工業(yè)環(huán)境中連接傳感器，執(zhí)行器和系統(tǒng)方面非常受歡迎。盡管如此，開(kāi)發(fā)人員面臨著對(duì)主設(shè)備和設(shè)備收發(fā)器的更多功能，更高性能和更低功耗的需求。使用Maxim Integrated的一對(duì)器件，工程師可以滿足這些需求，

本文將研究工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題以及IO-Link如何滿足這些網(wǎng)絡(luò)的要求。然后，它將介紹Maxim Integrated的IO-Link解決方案，并展示如何使用它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)和大量外圍傳感器和執(zhí)行器之間快速實(shí)現(xiàn)完全兼容的IO-Link連接。

IO -Link支持大規(guī)模傳感器部署

先進(jìn)的工業(yè)系統(tǒng)在很大程度上依賴于工程師在惡劣的制造環(huán)境中部署數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)傳感器和執(zhí)行器的能力。在轉(zhuǎn)向基于智能MCU的設(shè)備時(shí)，工程師不僅必須保持與較舊的傳統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)的連接，還要解決在降低功耗方面日益增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，盡管設(shè)備和系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性不斷增加。 IO-Link在這些環(huán)境中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，能夠保持向后兼容性，同時(shí)支持通過(guò)不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接的日益復(fù)雜的傳感器和執(zhí)行器。通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出（I/O）連接技術(shù)，IO-Link使工程師能夠輕松組合各種外圍設(shè)備和系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)I/O接口

在工廠在此，IO-Link定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，用于將工廠系統(tǒng)連接到外圍設(shè)備，包括傳感器和執(zhí)行器。 IO-Link保持傳統(tǒng)外設(shè)的24伏電源和信號(hào)傳統(tǒng)，使用其三線接口在兩條線路（L +和L-）上提供24伏電源，以及在第三條線路（C/Q）上進(jìn)行串行通信。在基于處理器的系統(tǒng)中，IO-Link兼容的收發(fā)器位于IO-Link連接的任一端。它們使用IO-Link物理協(xié)議相互通信。與此同時(shí)，他們正在通過(guò)UART或SPI總線將IO-Link信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為連接到收發(fā)器的MCU和處理器的傳統(tǒng)數(shù)字電平（圖1）。

圖1：IO-Link定義了工廠車間傳感器或執(zhí)行器系統(tǒng)與連接這些外圍設(shè)備的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接接口設(shè)備到工廠網(wǎng)絡(luò)。 （使用Digi-Key Scheme-it?創(chuàng)建的圖像）

雖然IO-Link收發(fā)器支持IO-Link規(guī)范的較低物理層，但附加的MCU或處理器通常使用簡(jiǎn)單的消息傳遞協(xié)議管理IO-Link的更高級(jí)功能。每個(gè)IO-Link事務(wù)都發(fā)生在一個(gè)消息序列（M序列）中，該消息序列以來(lái)自主設(shè)備的命令消息開(kāi)始，并以來(lái)自連接設(shè)備的響應(yīng)消息結(jié)束。在M序列中，主設(shè)備和設(shè)備消息都包含一系列包含由IO-Link規(guī)范定義的數(shù)據(jù)或字節(jié)命令的UART幀，并且具有取決于設(shè)備，主設(shè)備和應(yīng)用的時(shí)序（圖2）。

圖2：IO-Link指定一個(gè)簡(jiǎn)單的消息傳遞序列（M序列），其中主機(jī)將命令作為一系列UART幀發(fā)送到外圍設(shè)備并從設(shè)備接收響應(yīng)。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

IO-Link定義了各種功能，旨在確保在惡劣環(huán)境中可靠通信。它允許收發(fā)器在持續(xù)不成功的嘗試中重試發(fā)送具有最終定義的故障模式的幀。 IO-Link還指定外圍設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備描述（IODD）塊中存儲(chǔ)自身信息的方法，并從IO-Link主站提供有關(guān)命令的信息。 IO-Link主站可以使用此設(shè)備配置信息來(lái)設(shè)置周期時(shí)間和數(shù)據(jù)速率，同時(shí)仍然可以回退到較慢的速度（如果需要），以保持可靠的通信。

雖然IO-Link提供了廣泛的優(yōu)勢(shì)，超出本文范圍的功能，工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)發(fā)人員要求更多。在最基本的層面上，傳感器和其他外圍設(shè)備的數(shù)量和功能的持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)IO-Link連接的兩端都提出了很高的要求。 IO-Link主站需要更高級(jí)的功能，可以高效，安全地為更先進(jìn)的外圍設(shè)備提供L +電源。

在外圍，IO-Link收發(fā)器面臨基于MCU的系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于主設(shè)備和設(shè)備收發(fā)器，開(kāi)發(fā)人員需要最大限度地降低功耗以降低熱負(fù)載，因?yàn)楦冗M(jìn)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，以降低功耗，消除噪音并簡(jiǎn)化工廠車間的維護(hù)。 Maxim Integrated的一對(duì)器件通過(guò)簡(jiǎn)單，低功耗的解決方案滿足這些不斷擴(kuò)展的需求，以實(shí)現(xiàn)IO-Link接口。

高效網(wǎng)關(guān)

Maxim Integrated MAX14819主收發(fā)器提供單一用于創(chuàng)建IO-Link網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的芯片解決方案。該器件旨在簡(jiǎn)化IO-Link接口設(shè)計(jì)，通過(guò)獨(dú)立的L +電源控制器和專用于每個(gè)通道的幀處理器完全支持兩個(gè)IO-Link通道。該器件具有廣泛的功能，通常僅消耗1.9毫安（mA），如果開(kāi)發(fā)人員使用外部降壓穩(wěn)壓器（如Maxim Integrated MAX15062A）代替MAX14819收發(fā)器的內(nèi)部5 V穩(wěn)壓器，則功耗更低。由于該器件的集成功能，開(kāi)發(fā)人員只需通過(guò)SPI和UART接口將MAX14819連接到MCU，并添加一些組件以提供完全兼容的低功耗IO-Link網(wǎng)關(guān)（圖3）。

圖3：開(kāi)發(fā)人員可以使用MCU，Maxim Integrated MAX14819以及少量其他組件來(lái)實(shí)現(xiàn)IO-Link主站。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

雖然元件數(shù)量很少，但最好添加隔離器，例如Maxim Integrated的MAX12930 Opto隔離器和MAX12931數(shù)字隔離器。

如前所述， IO-Link標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了L +/L-電源線，也稱為傳感器電源。這些通過(guò)最長(zhǎng)20米（m）的電纜提供，不需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屏蔽。為確保惡劣環(huán)境下的安全性和可靠性，MAX14819傳感器電源控制器提供可設(shè)置的電流限制，反向電流阻斷和反極性保護(hù)功能。

將G1x連接到低RDS（ON）MOSFET的柵極例如安森美半導(dǎo)體NTTFS5116PL，該器件可以控制相應(yīng)通道的傳感器電源的外部反向電流阻斷，而不會(huì)增加顯著的熱負(fù)載。 G2x處的類似MOSFET將電流驅(qū)動(dòng)至相應(yīng)的A或B傳感器電源通道。位于SN1x和SN2x之間的傳感器電阻設(shè)置該傳感器電源通道的電流限制。除了這些基本保護(hù)功能外，MAX14819還允許開(kāi)發(fā)人員設(shè)置器件的配置寄存器，以設(shè)置每個(gè)傳感器電源的開(kāi)啟時(shí)間，限流消隱時(shí)間和自動(dòng)重試延遲等優(yōu)化參數(shù)。

幫助確保MAX14819集成了CQx線路上的信號(hào)完整性，結(jié)合了自動(dòng)保護(hù)功能和可設(shè)置功能，開(kāi)發(fā)人員可以使用器件的配置寄存器進(jìn)行編程。例如，使用配置寄存器，設(shè)計(jì)人員可以將CQx電流限制設(shè)置為不同的值，范圍從100 mA到500 mA，以及設(shè)置消隱時(shí)間。如果過(guò)流條件持續(xù)時(shí)間超過(guò)消隱時(shí)間，則器件可以產(chǎn)生中斷并進(jìn)入重試模式，具體取決于寄存器設(shè)置。

然而，在網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，IO-Link主設(shè)備的要求會(huì)延長(zhǎng)超出支持各個(gè)傳感器的IO-Link供電和信號(hào)要求所需的那些。為了滿足對(duì)更多IO-Link通道的需求，在執(zhí)行滿足IO-Link要求所需的數(shù)據(jù)鏈路層操作時(shí)，主機(jī)處理器可能會(huì)不堪重負(fù)。相反，設(shè)計(jì)人員可以使用MAX14819的集成幀處理器來(lái)緩解這種情況。

幀處理器

MAX14819通過(guò)集成的幀處理器補(bǔ)充了對(duì)外設(shè)側(cè)傳感器電源和CQ保護(hù)的支持。卸載主處理器，提供對(duì)IO-Link M序列的時(shí)間關(guān)鍵控制。 MAX14819獨(dú)立工作，使開(kāi)發(fā)人員能夠以400微秒（μs）的速度實(shí)現(xiàn)IO-Link周期時(shí)間，對(duì)主處理器的影響最小。

幀處理在IO-Link中起著重要作用消息協(xié)議。為了執(zhí)行典型的M序列事務(wù)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)共享SPI總線將來(lái)自主處理器的主消息加載到MAX14819 FIFO緩沖器中，可以是突發(fā)或一系列字節(jié)寫入。 MAX14819通過(guò)CQx以相應(yīng)的幀序列發(fā)送消息，并立即將CQx信道切換到接收模式，等待設(shè)備響應(yīng)消息。收到后，MAX14819將器件消息加載到接收緩沖區(qū)并切換RXRDYBx，它也可以作為中斷通知主機(jī)（圖4）。反過(guò)來(lái)，主機(jī)使用SPI總線讀取接收緩沖區(qū)，自動(dòng)復(fù)位RXRDYBx線。

圖4：Maxim Integrated MAX14819的集成幀處理器簡(jiǎn)化了IO-Link事務(wù)，只需向MAX14819發(fā)送SPI寫操作即可啟動(dòng)IO-Link周期和SPI讀取以在發(fā)生數(shù)據(jù)就緒中斷時(shí)訪問(wèn)結(jié)果。 （圖像源：Maxim Integrated）

在IO-Link系統(tǒng)中，主機(jī)通過(guò)在啟動(dòng)序列期間讀取IODD來(lái)自動(dòng)確定最小循環(huán)時(shí)間（或覆蓋這些值以滿足特定應(yīng)用的循環(huán)時(shí)間要求） ）。在一個(gè)周期內(nèi)，如果在預(yù)期的tM序列時(shí)間段內(nèi)未收到器件消息，工程師可以將MAX14819配置為產(chǎn)生故障 - 這是IO-Link規(guī)范的要求。但實(shí)際上，IO-Link設(shè)備可能需要比IO-Link標(biāo)準(zhǔn)tM序列時(shí)間段更長(zhǎng)的時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)定義時(shí)間段是主設(shè)備和設(shè)備消息長(zhǎng)度以及幀間間隔的函數(shù)（再次參見(jiàn)圖2） ）。

MAX14819允許開(kāi)發(fā)人員在器件產(chǎn)生表示接收錯(cuò)誤的RxERR中斷之前調(diào)整允許的延遲。雖然這種方法不同于IO-Link標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格定義，但它解決了在實(shí)際環(huán)境中有時(shí)會(huì)遇到的問(wèn)題。

MAX14819支持以下解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的靈活性。各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。如前所述（再次參見(jiàn)圖3），開(kāi)發(fā)人員可以依靠MAX14819的集成功能快速實(shí)現(xiàn)IO-Link主設(shè)計(jì)。

但是，如果需要，開(kāi)發(fā)人員可以將MAX14819簡(jiǎn)單地用作IO -Link收發(fā)器，將MAX14819的TXENx，TXx和RXx引腳連接到處理器的相應(yīng)UART端口。在此模式下，所有通信都通過(guò)UART端口，繞過(guò)MAX14819的幀處理程序，直接通過(guò)緩沖區(qū)移至其CQx（A和B）端口（圖5）。

圖5：Maxim Integrated MAX14819擴(kuò)展了傳統(tǒng)的IO-Link收發(fā)器功能，集成了L +電源控制器和幀處理器，能夠卸載數(shù)據(jù)鏈路處理來(lái)自主處理器。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

對(duì)于典型的IO-Link網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員更有可能利用MAX14819完整的IO-Link功能。為了滿足對(duì)更多通道不斷增長(zhǎng)的需求，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在單個(gè)系統(tǒng)中組合多個(gè)主控器。 MAX14819提供一對(duì)SPI芯片地址引腳，允許設(shè)計(jì)人員在同一SPI總線上組合四個(gè)MAX14819器件。每個(gè)器件都監(jiān)視任何讀/寫周期中包含的SPI地址，并響應(yīng)具有匹配地址的命令。

雖然開(kāi)發(fā)人員可以使用MAX14819，MCU和一些額外的器件相對(duì)輕松地實(shí)現(xiàn)IO-Link主機(jī)組件，完整網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)可能會(huì)增加實(shí)施的延遲。例如，真實(shí)世界的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)面臨需要外部瞬態(tài)電壓保護(hù)和鉗位二極管吸收能量的感性負(fù)載。

為了幫助開(kāi)發(fā)人員更快地創(chuàng)建這些系統(tǒng)，Maxim Integrated提供MAXREFDES145八通道IO-鏈路網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)（圖6）。與電路板一起，參考設(shè)計(jì)包括完整的原理圖和BOM，為開(kāi)發(fā)人員提供即時(shí)設(shè)計(jì)解決方案或自定義實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

圖6：Maxim Integrated MAXREFDES145參考設(shè)計(jì)演示了完整的IO-Link兼容網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用單個(gè)STMicroelectronics STM32F405RGT6 MCU來(lái)管理多個(gè)IO -Link主通道。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

傳感器系統(tǒng)

雖然IO-Link主設(shè)備在設(shè)備端面臨多個(gè)連接，L +電源控制和幀處理，傳感器和執(zhí)行器的要求IO-Link連接帶來(lái)了對(duì)IO驅(qū)動(dòng)能力，不同穩(wěn)壓電源和傳感器接口保護(hù)的額外要求。同時(shí)，這些外圍設(shè)備中使用的MCU通常提供足夠的處理能力來(lái)處理IO-Link數(shù)據(jù)鏈路層操作，以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的單一連接。對(duì)于這些傳感器/執(zhí)行器設(shè)計(jì)，Maxim Integrated MAX14827A收發(fā)器提供有效的解決方案，提供與MAX14819類似的線路保護(hù)功能，同時(shí)滿足外圍系統(tǒng)的獨(dú)特要求。

在IO-Link兼容設(shè)計(jì)中， MAX14827A作為配套器件與典型外圍器件設(shè)計(jì)中使用的MCU配合使用（再次參見(jiàn)圖1）。在這里，設(shè)計(jì)人員將MAX14827A連接到MCU的UART端口，其方式與前面介紹的MAX14819在僅收發(fā)器模式下的使用方式相同。收發(fā)器支持IO-Link低級(jí)物理接口要求，以MCU管理的M序列發(fā)送和接收UART幀。

在典型設(shè)計(jì)中，工程師通過(guò)訪問(wèn)MAX14827A來(lái)配置和監(jiān)控MAX14827A。器件通過(guò)器件的SPI端口進(jìn)行寄存，同時(shí)使用UART接口發(fā)送和接收IO-Link幀。對(duì)于不提供單獨(dú)SPI和UART端口的簡(jiǎn)單MCU，此并行操作模式將不可用。對(duì)于這些情況，MAX14827A提供了其他方法。在多路復(fù)用模式下，MAX14827A SPI和UART端口可以共享MCU上的單個(gè)串行端口，利用IO-Link周期中的空閑周期來(lái)復(fù)用單通道上的SPI和UART通信。 MAX14827A的引腳模式提供更簡(jiǎn)單的工作模式，通過(guò)管理器件引腳上的電平來(lái)控制器件工作。

除了解決基于MCU的替代設(shè)計(jì)功能外，MAX14827A還通過(guò)其集成的穩(wěn)壓器幫助簡(jiǎn)化外圍系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員不需要為功率傳感器，調(diào)理電路和其他電路添加外部穩(wěn)壓器，而是可以連接到器件提供的穩(wěn)壓3.3伏和5伏電源軌。當(dāng)然，工程師可以繞過(guò)這些片上源，轉(zhuǎn)而采用外部穩(wěn)壓器。

與MAX14819主器件一樣，MAX14827A收發(fā)器只需要很少的額外元件即可為現(xiàn)有的MCU增加基本的IO-Link功能 - 基于傳感器或執(zhí)行器設(shè)計(jì)。盡管如此，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)使用額外的電路（例如瞬態(tài)電壓保護(hù)電路）來(lái)增加基極MAX14827A電路（圖7）。為了加速開(kāi)發(fā)速度，Maxim Integrated提供MAX14827EVKIT評(píng)估板，該評(píng)估板提供完整的IO-Link收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，可滿足TVS保護(hù)等實(shí)際設(shè)計(jì)考慮。

圖7：雖然Maxim Integrated MAX14827A提供內(nèi)置保護(hù)功能，但開(kāi)發(fā)人員通常會(huì)添加更多保護(hù)。 （圖像源：Maxim Integrated）

為了安全起見(jiàn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管（如瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管）為DO，C/Q和DI線路添加瞬態(tài)電壓保護(hù)。 STMicroelectronics SMAJ33A。

結(jié)論

IO-Link提供標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)大的協(xié)議，用于將傳感器和執(zhí)行器與工廠網(wǎng)絡(luò)互連。然而，對(duì)于尋求開(kāi)發(fā)符合IO-Link標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)的工程師而言，對(duì)功耗，熱管理，設(shè)計(jì)規(guī)模和性能的實(shí)際關(guān)注對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。利用Maxim Integrated MAX14819主收發(fā)器和MAX14827A器件收發(fā)器，工程師可以快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與大量外圍傳感器和執(zhí)行器之間完全兼容的IO-Link連接。