IO-Link

IO-Link是一种数字通信协议和接口标准，主要用于工业自动化领域，以实现传感器和执行器与控制系统之间的通信。它允许智能设备与工业控制系统之间进行高速、可编程和双向的数据交换。

一次做两件事等于一无所成”—虽然拉丁文作家普布里乌斯·西鲁斯对多任务处理的看法可能有些极端，但有时候，多任务处理可能会导致任务无法按最初预期的方式完成，或无法按时完成。随着工业过程日益复杂化，传感器和执行器等现场仪器已发展为同时执行多项不同的任务，包括与过程控制器保持定期通信。这给从站微控制器带来了额外的开销，必须妥善管理从站微控制器，否则过程数据可能会丢失，从而导致生产停机，现代工业通信协议应减少这种情况的发生。

IO-Link时序

IO-Link是24 V、3线工业通信标准，支持工业从站和IO-Link主站之间的点对点通信，进而与更高级别的过程控制网络进行通信。

图1. IO-Link主站/从站通信接口。

在IO-Link应用中，收发器充当运行数据链路层协议（堆栈）的微控制器和24 V IO-Link信号线路之间的物理层接口。IO-Link通信涉及多种类型的传输，包括过程数据、值状态、从站数据和事件。这样一来，如果发生错误，便能快速识别、跟踪和处理工业从站，帮助减少停机时间。IO-Link支持远程配置；例如，如果需要调整触发过程警报的阈值，可以通过IO-Link连接将更新的阈值发送到从站，以此方式进行调整，无需技术人员前往现场操作。

IO-Link主站端口和从站之间的通信受到多个时序的限制，并按照名为M序列时间的固定时间表进行。M序列消息包括从IO-Link主站发送到从站的命令或请求，以及来自从站的回复消息。图2所示为M序列中的时序参数，其中包括IO-Link主站端口和从站消息之间的消息。从站必须在从站响应时间 tA内响应主站，该时间范围为1 Tbit至10 Tbit（Tbit = 位时间）。对于COM3波特率， tA 应介于4.3 µs和43 µs之间。如果响应时间超出此范围，则会发生通信故障。

图2. IO-Link通信中的M序列时序。

如果未能准时

IO-link从站微控制器需要同时执行多项任务，因此可能难以在为 tA指定的可接受时间窗口内响应请求。在执行微控制器不能中断的任务时尤其如此，此类型任务通常被称为不可屏蔽中断(NMI)。如果从站微控制器在指定时间窗口内未做出响应，则通信中断，必须重新启动。

例如，对于超声波测距传感器，微控制器需要执行的一些任务包括：

发送超声波突发脉冲
处理上一次突发脉冲中的固有线路，然后计算距离
测量环境温度以补偿声速
管理传感器后台任务（例如电源管理）
回复IO-Link周期性请求
回复IO-Link非周期性请求

由于要连续处理数据样本，微控制器几乎没有时间管理数据链路层通信任务，这导致从站响应时间显著变化。在极端情况下，还可能无法满足 tA的时序要求。

仅使用速度更快、功能更多的微控制器无法解决NMI引起的时序问题。解决此时序问题的一个典型解决方案是使用第二个微控制器来管理IO-Link堆栈，从而在IO-Link从站和IO-Link主站之间保持更稳定的响应时间间隔。然而，该方法的效率极低，因为其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的传感器外壳。

管理数据链路

一个更好的替代方案是使用收发器来管理通信路径中的数据链路和物理层。MAX22516 IO-Link状态机（图3）集成了IO-Link从站收发器中常见的所有功能，包括24 V C/Q、集成降压型DC-DC转换器以及5 V和3.3 V线性稳压器。

图3. 带收发器和集成DC-DC转换器的MAX22516 IO-Link状态机

该设备是第一个包含全功能状态机的收发器，可全面管理IO-Link数据通信的时序。它能够自动处理与IO-Link主站的通信，以处理配置和维护请求等，并能够使用微控制器写入寄存器和FIFO的数据来处理数据传输。使用该收发器的一个主要好处是，在为传感器选择微控制器时，它提供了更多的选择，因为从站微控制器不需要管理与IO-Link主站通信的任务。

MAX22516监控来自IO-Link主站的传入消息。收到完整的索引服务数据单元(ISDU)配置或维护请求后，该收发器自动向IO-Link主站发送ISDU BUSY消息，并通知从站微控制器通信已成功完成。如果时间允许，微控制器可将按需数据加载到ISDU FIFO中，这项任务通常需要多个周期才能完成。收发器使用输入过程数据(PDIn)和输出过程数据(PDOut) FIFO中的数据来管理PDIn和PDOut，允许微控制器将数据写入PDIn FIFO并从PDOut FIFO读取，不受任何时间限制。集成缓冲区确保FIFO中的数据在处理前不会丢失或被覆盖。

图4展示了与使用单一微控制器的应用相比，使用该收发器如何显著减少从站响应IO-Link主站所需的时间。从站响应时间缩短超过50%，同时变化幅度也从12 µs大幅降至0.25 µs。

图4. 比较使用单一微控制器（左）和MAX22516（右）管理IO-Link通信的应用的响应时间。

MAXREFDES281 IO-Link从站参考设计（图5）采用MAX22516，可用于验证不同类型IO-Link传感器的时序性能。

图5. MAXREFDES281 IO-Link从站参考设计。

结论

微控制器需要同时管理多项任务，这意味着它们有时难以满足IO-Link数据通信的时序规范。一些设备制造商使用第二个微控制器来管理IO-Link堆栈，但该方法令人难以接受。现在不再需要该双微控制器方法，因为MAX22516 IO-Link收发器集成了一个可以管理所有IO-Link通信的状态机，让主要从站微控制器能够执行其他时间关键型任务。

来源：亚德诺半导体

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NATALE TESTA

natale.testa@st.com

意法半导体

如今，所有的工业制造商，无论规模大小，都在升级生产设施、制造能力和工程服务，向工业4.0概念或智能工业转型。

目前有许多技术可以促进这种转型，使工作环境变得更安全，网络安全性和覆盖率更高，提高能源利用率，这些是新工厂概念的热点趋势，将其变为现实需要巨大的投入，其中包括旧设备智能升级改造工程（例如，使用新的变频解决方案改造旧电机，最大限度地提高能效）。

在工业现代化改造方面，IO-Link技术在所有的基于传感器的工厂级应用中占有显著的地位，该技术的优势是能够让普通工业传感器（即生产线中的接近传感器或压力传感器）实现智能化，热插拔连接，更换简便，支持多跳网络和预测性维护系统。

IO-Link联盟的成员包括欧洲最大的传感器和执行器制造商以及可编程逻辑控制器（PLC）厂商，随着来自世界各地的新公司加盟，联盟的排名每月都在上升，并且该组织的所有新成员都看到了加盟这项计划的好处。

作为联盟的创办者之一，意法半导体提供IO-Link主站收发器L6360和设备收发器L6362A（在IO-Link术语中称为IO设备）。

图1 –典型的工业网络

IO-Link是什么?

IO-Link是首个连接工业网络底层传感器及执行器的标准化通信协议，遵从IEC 61131-9国际标准，可编程控制器和相关外围设备是该标准的基本内容。该技术本身的概念是，传感器或执行器与主控制器（即PLC）交换通信数据（诊断和配置信息），同时确保向下兼容工业IO模块。

IO-Link位于工业网络体系架构的底层：PLC控制器(或工业网关)与位于网络架构高层的工业现场总线相连，可以远程传输工业网络高层的数据信息。

IO-Link通信协议是什么？

IO-Link是能够驱动工厂自动化环境中的数字传感器及执行器（标准IO设备）的点对点（半双工）数字通信协议。协议具有简单易用和即插即用的特点，以防故障传感器更换或向下兼容问题。因此，这是一个简单的串行通信协议，只需3根线，无需专用连接器及电缆：IO-Link使用传统的M5、M8或M12规格的标准工业连接器，可以连接最常见的任何工业传感器。从安装工作量和成本角度看，IO-Link技术对工业网络升级的影响很小。实际上，甚至可以继续使用以前的布线基础设施安装IO-Link设备。

关于协议栈：按照最新的标准定义，IO-Link主站和设备收发器必须支持三种通信速度(COM1: 4.8 kbit/s、COM2: 38.4 kbit/s、COM3: 230.4 kbit/s)，并且主站收发器具有模拟和数字（8位、12位或16位）两种通信模式。在COM3通信模式下，主站与设备之间传送一个典型的数据帧是2个字节，周期是400μs。

为什么可以即插即用？

即插即用的实现方式是将所有参数都存储在主站，这样，在更换传感器时，即使是热插拔，传感器（在更好的情况下，是智能传感器，即设备）也会接收到设备配置所需的全部信息。主站存储的文件通常为.xml格式，包含有关传感器的所有信息（即型号、制造商、功能等），这个文件被称为IODD（IO-Link设备描述符）。一个传感器或执行器对应一个IODD。

ST的IO-Link 芯片和解决方案

意法半导体的L6360和L6362A两款芯片可实现IO-Link主站和设备解决方案，产品特性包括应用范围广，宽输入电压，高输出电流，低耗散功率，高可靠性。

图2 –主站芯片与设备芯片之间的典型连接

L6360是一个兼容PHY2（3线）的单片IO-Link主站端口，支持COM1、COM2和COM3三种模式，还支持标准IO（SIO）设备。L6360的灵活性极高，输出级C/Q0输出引脚可配置为（高边、低边或推挽）。L6360通过标准I2C接口与微控制器（运行协议栈的微控制器）通信，然后将通过USART（IN C/Q0引脚）接收的主微控制器数据发送到PHY2（C/Q0引脚），或者将从物理层接收到的数据发送到USART（OUT C/QI引脚）。

框图和关键功能如下图所示。

图3 – L6360主站芯片框图

L6360的主要功能特性

电源电压18 V-32.5 V
可配置输出级：高端、低端或推挽式（<2Ω）
高边驱动器L +引脚保护电流高达500 mA
支持COM1、COM2和COM3模式
IEC61131-2 type 1附加输入
通过限流和设置截止电流实现短路和过流输出保护
3.3 V / 5 V、50 mA线性稳压器
5 mA IO-Link数字输入
通过I2C接口快速模式控制、配置和诊断芯片
用于诊断功能的双LED序列发生器和驱动器
5 V和3.3 V兼容I / O引脚
过压保护（> 36 V）
过热保护
静电防护
小型VFQFPN 26L（3.5 x 5 x 1 mm）封装

L6362A是符合PHY2（3线连接）标准的IO-Link设备收发器芯片，支持COM1、COM2和COM3模式。这款芯片还支持标准IO (SIO)模式。输出级提供三种可选配置（高边、低边、推挽），能够驱动任何类型的负载（电阻、电容或电感），凡是24V工业传感器都可以连接到L6362A。

VCC, GND, OUTH, OUTL和I/Q引脚之间的反极性保护是这款芯片的重要功能，是工业传感器管理应用的基本要求。

下面列出了其它重要功能以及设备芯片的框图。

图4 – L6362A设备芯片框图

L6362A的主要功能特性

功率级能效极高
- RDSON =0.8Ω/1Ω（低边/高边）
- 输出电流高达300 mA
- 模式：高边、低边、推挽
- 驱动达500mJ /30μF的感性/容性/电阻负载
5 V或3.3 V可选10 mA线性稳压器
支持COM1、COM2和COM3模式
支持唤醒检测
全面保护，包括反极性、过压/欠压、过载、过热…
高EMC抗扰性（突发、浪涌，ESD等）
-40 至 +125 °C工作温度
小型DFN 3 x 3 mm封装

ST为设计人员提供大量的开发工具，下面从芯片评估板开始介绍。

首先是STEVAL-IFP016V2主站芯片评估板，这块板子以 L6360主站芯片为核心，可以通过外部连接器连接主微控制器。

STEVAL-IFP016V2处理微控制器信号，提供24 V输出，能够演示L6360的所有功能。

板上的GND区域旨在最大程度地降低噪声并确保良好的热性能。

图5 –具有L6360全部特性的STEVAL-IFP016V2

第二块板子是STEVAL-IFP017V3，这是一款以L6362A设备芯片为核心的评估板，用于测试L6362A的全部功能，例如，快速退磁和反极性保护等丰富的电气保功能。使用STEVAL-IFP017V3设计项目，无需外部组件即可满足IEC 61000-4-4（突发），IEC 61000-4-2（ESD）和EN60947-5-2 / IEC 61000-4-5（浪涌）的要求。