IO-Link——直至最后一米的連續(xù)通信

背景與基礎(chǔ)

隨著工業(yè)4.0的興起，人們對(duì)可重設(shè)置的雙向數(shù)據(jù)交互的智能傳感器/執(zhí)行器的需求顯著上升。為此，自動(dòng)化領(lǐng)域的許多知名廠商一起開(kāi)發(fā)了獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線的傳感器和執(zhí)行器的通信標(biāo)準(zhǔn)：IO-Link，這是一種相對(duì)較新的工業(yè)傳感器標(biāo)準(zhǔn)，目前已呈現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)IO-Link相關(guān)組織預(yù)測(cè)，截至當(dāng)前，行業(yè)使用支持IO-Link標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)已超過(guò)2700萬(wàn)個(gè)，而這個(gè)數(shù)字仍在不斷攀升。

圖1 .IO-Link nodes增長(zhǎng)趨勢(shì)
（圖源IO-Link.com）

IO-Link技術(shù)定義了用于將傳感器和執(zhí)行器連接到主站單元的接口標(biāo)準(zhǔn)，其遵守的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是IO-Link Interface and System Specification（V1.1.1 or V1.1.2以及最新的V1.1.3）和IEC 61131-9標(biāo)準(zhǔn)。

IO-Link系統(tǒng)是IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）之間的數(shù)字點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，IO-Link通信獨(dú)立于所使用的Fieldbus。此外，IO-Link還可以通過(guò)IO-Link Hub在系統(tǒng)中連接沒(méi)有IO-Link輸入輸出的設(shè)備（遵守IEC 61131-2的sensor or Actuator）。

圖2.IO-Link系統(tǒng)應(yīng)用概述

IO-Link Master可以有兩種工作模式，分別是IO-Link mode和SIO mode，其可以在任何端口單獨(dú)設(shè)置，每個(gè)端口只能連接一個(gè)IO-Link Device。通信總是從IO-Link Master的Wake-up pulse（80μs）開(kāi)始，后跟測(cè)試消息（Type_0的M序列），等待IO-Link Device的響應(yīng)信息。在SIO mode下，傳感器/執(zhí)行器的工作方式與傳統(tǒng)的傳感器/執(zhí)行器類(lèi)似，測(cè)量值和開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)數(shù)字量與傳感器/執(zhí)行器通信；在IO-Link mode下，確定通信速率和最小周期時(shí)間（Cycle time）后建立通信（Master支持4.8Kbit/s、38.4Kbit/s、230.4Kbit/s三種波特率，Device僅支持其中一種波特率），通過(guò)一系列消息（M序列）交換數(shù)據(jù)，可以選擇不同的M序列類(lèi)型（Type_1_x/Type_2_x）來(lái)滿足IO-Link Device的特定需求（掃描速率、過(guò)程數(shù)據(jù)量等）。每個(gè)IO-Link Device的屬性、功能和參數(shù)都在IO-Link設(shè)備描述文件（IODD）中表示。

圖3.IO-Link接口物理層定義

圖4.Master與Device建立通信的過(guò)程

注：Master發(fā)送喚醒電流脈沖（WURQ）后，接著發(fā)送（COM1、COM2、COM3不同傳輸速率）測(cè)試消息，直到獲得Device響應(yīng)，通信建立。

圖5.O-Link 消息序列（M序列）

ADI的IO-Link相關(guān)產(chǎn)品和方案

技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Tony Wang介紹了當(dāng)前ADI可用于設(shè)計(jì)IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）的相關(guān)芯片級(jí)設(shè)計(jì)參考方案。下圖為IO-Link系統(tǒng)中相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參考框圖。

圖6.IO-Link系統(tǒng)ADI芯片級(jí)應(yīng)用框圖

1、IO-Link Master設(shè)計(jì)

Tony表示，大多數(shù)IO-Link Master設(shè)計(jì)中主要包括四種組件：一是用于處理數(shù)據(jù)的微控制器，在使用IO-Link Master的情況下，也運(yùn)行協(xié)議棧；二是用于物理層的IO-Link Master收發(fā)器；三是用于現(xiàn)場(chǎng)總線通信的工業(yè)以太網(wǎng)控制器；四是電源，以及用于提供浪涌保護(hù)的TVS、ESD等。

另外IO-Link Master設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)包括散熱（Heat）、魯棒性（Robustness）、驅(qū)動(dòng)能力（Drive capability）、軟件（Software）。

2、ADI在IO-Link Master設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

IO-Link Master收發(fā)器：MAX14819/MAX14819A介紹

ADI的MAX14819/MAX14819A是低功耗、雙通道的IO-Link主站收發(fā)器。該收發(fā)器包括兩個(gè)輔助數(shù)字輸入（DI）通道，完全符合最新的IO-Link和二進(jìn)制輸入標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試規(guī)范，遵守IEC 61131-2、IEC 61131-9和IO-Link 1.1.3標(biāo)準(zhǔn)。

圖7.MAX14819/MAX14819A（集成Framers and L+ Supply Controllers）功能框圖

MAX14819與MAX14819A的特色和優(yōu)點(diǎn):

• CQ_ DRIVER的1Ω（typ）導(dǎo)通電阻，減少25%的能量消耗
• 兩個(gè)通道共1.9mA（typ）的供電電流
• 集成了L+ Supply Controllers，具有大容性負(fù)載充電能力和2A或者更高的負(fù)載電流
• 集成了Frame Handler，減少了對(duì)MCU的UART需求
• 每個(gè)通道自帶Cycle Timer，減少對(duì)MCU精確定時(shí)器的需求
• 通過(guò)邏輯地址輸入A1和A0，在一個(gè)SPI總線上允許最多四個(gè)MAX14819/MAX14819A
• CQ_ DRIVER可獨(dú)立配置為push-pull、NPN、PNP模式輸出，可選電流范圍從100mA到500mA
• 65V絕對(duì)最大額定值，在其關(guān)鍵引腳上（VCC，CQA，CQB，DIA，DIB，L+A，L+B，SN1A，SN1B）
• -40°C至+125°C的工作溫度范圍

MAX14819與MAX14819A的不同點(diǎn)：

• MAX14819A具有Device Message Response Time Checking功能（tA，參考圖5）
• MAX14819A比MAX14819具有更高的L+閾值
• MAX14819A接收器比MAX14819具有更高的高頻信號(hào)隔離能力

ADI合作的3家IO-Link協(xié)議棧公司，可以為終端設(shè)計(jì)客戶提供更多的IO-Link協(xié)議棧開(kāi)發(fā)選擇。

圖8.ADI合作的3家IO-Link協(xié)議棧公司

ADI還提供多種評(píng)估板資源，方便終端客戶評(píng)估與學(xué)習(xí)。

圖9.ADI評(píng)估板資源

3、IO-Link Hub設(shè)計(jì)

大多數(shù)IO-Link Hub設(shè)計(jì)中主要包括四種組件：一是用于處理數(shù)據(jù)的微控制器，在使用IO-Link Hub的情況下，也運(yùn)行協(xié)議棧；二是用于物理層的IO-Link Device收發(fā)器；三是用于連接傳感器/執(zhí)行器的高邊/低邊輸出開(kāi)關(guān)，輸入開(kāi)關(guān)等；四是電源，以及用于提供浪涌保護(hù)的TVS、ESD等。

IO-Link Hub設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)同樣包括散熱（Heat）、魯棒性（Robustness）、驅(qū)動(dòng)能力（Drive capability）、軟件（Software）。

4、ADI在IO-Link Hub設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

IO-Link Hub收發(fā)器：MAX14827A/MAX14828介紹

MAX14827A集成了工業(yè)傳感器中常見(jiàn)的高壓功能，包括驅(qū)動(dòng)器和調(diào)節(jié)器。MAX14827A具有兩個(gè)主動(dòng)反極性保護(hù)的超低功耗驅(qū)動(dòng)器，可工作于正常的24V供電電壓至60V。

圖10.MAX14827A功能框圖

MAX14827A的特色和優(yōu)點(diǎn):

• 非常低的功率損耗（2.3Ω/2.7Ω（typ）導(dǎo)通電阻）
• 集成了LDO和LED驅(qū)動(dòng)器
• 熱插拔電源保護(hù)
• 具有主動(dòng)反向極性保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)器
• 65V絕對(duì)最大額定值
• MAX14828與MAX14827A的Pin和軟件兼容

注：MAX14827A-Dual Driver；MAX14828- Single Driver；MAX14829- Pin Controlled，Dual Driver。

IO-Link Hub收發(fā)器：MAX22513/MAX22514介紹

MAX22513是雙通道低功耗IO-Link Device收發(fā)器，內(nèi)部具有高效的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。MAX22513具有低導(dǎo)通電阻驅(qū)動(dòng)器（C/Q和DO/DI），可選擇的驅(qū)動(dòng)器電流限制和過(guò)流保護(hù)，以減少傳感器應(yīng)用中的功耗。

圖11.MAX22513功能框圖

MAX22513的特色和優(yōu)點(diǎn):

• 集成了高效的DC-DC降壓調(diào)節(jié)器（可輸出2.5到12V@300mA）
• 集成了±1kV/500Ω的浪涌保護(hù)功能
• 非常低的功率損耗（2.1Ω/2.3Ω（typ）導(dǎo)通電阻）
• 集成了LDO和LED驅(qū)動(dòng)器
• 集成了精確的振蕩器
• 熱插拔和主動(dòng)反向極性保護(hù)功能
• 65V絕對(duì)最大額定值

注：MAX22513-Dual Driver；MAX22514- Single Driver；MAX22515- Dual Driver（no DC-DC）。

圖12.IO-Link Device收發(fā)器散熱對(duì)比

IO-Link Hub高邊輸出開(kāi)關(guān)：MAX14915/MAX14916/MAX14917介紹

MAX14917有8個(gè)高邊輸出開(kāi)關(guān)，每個(gè)通道提供高達(dá)700mA（min）的連續(xù)電流。MAX14917有一個(gè)SPI接口，可以菊花鏈連接，允許與多片MAX14917共用一個(gè)SPI總線。兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器提供了對(duì)主設(shè)備連接的額外安全檢查。MAX14917具有4 x 4 LED交叉矩陣，可提供每個(gè)通道狀態(tài)的視覺(jué)指示。

圖13.MAX14917功能框圖

注：MAX14917不具備診斷功能，MAX14915/MAX14916具備診斷功能。MAX14917只在菊花鏈配置中與MAX14915兼容。

MAX14917的特色和優(yōu)點(diǎn):

• 65V絕對(duì)最大供電范圍和集成了1KV的浪涌保護(hù)功能
• 精確的輸出電流（0.7A，min）
• 在125℃時(shí)250mΩ（max）導(dǎo)通電阻
• 過(guò)熱保護(hù)功能
• 緊湊的6mm x 6mm QFN封裝

IO-Link Hub低邊輸出開(kāi)關(guān)：MAX14919/ MAX14919A介紹

圖14.MAX14919/MAX14919A功能框圖

MAX14919/MAX14919A的特色和優(yōu)點(diǎn):

• 165V絕對(duì)最大供電范圍和集成了1KV的浪涌保護(hù)功能
• 電阻設(shè)置精確的電流限制（100mA到800mA）
• 在125℃時(shí)300mΩ （max）導(dǎo)通電阻
• 過(guò)熱保護(hù)和反向電流保護(hù)功能
• 緊湊的6.5mm x 6.5mm 20-TSSOP或者4mm x 5mm 20-TQFN封裝

為了滿足將來(lái)的需求，數(shù)據(jù)透明度和通信必須一致延伸至比控制層更深的層次。那么如何在自動(dòng)化系統(tǒng)中充分利用智能傳感器和執(zhí)行器？答案是采用開(kāi)放式通信標(biāo)準(zhǔn)的IO-Link。同時(shí)，隨著所采用的執(zhí)行器和傳感器變得越來(lái)越智能，也更需要開(kāi)放的IO-Link通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮作用，使傳感器/執(zhí)行器層直至自動(dòng)化層都保持較高數(shù)據(jù)透明度。ADI的IO-Link相關(guān)產(chǎn)品和解決方案，讓客戶可以快速、便捷的去評(píng)估自動(dòng)化系統(tǒng)性能，Excelpoint世健還可以提供相關(guān)技術(shù)支持和指導(dǎo)，深入支持客戶完成整個(gè)IO-Link相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，幫助客戶縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。