IO-Link技術與意法半導體

如今，所有的工業(yè)制造商，無論規(guī)模大小，都在升級生產設施、制造能力和工程服務，向工業(yè)4.0概念或智能工業(yè)轉型。

目前有許多技術可以促進這種轉型，使工作環(huán)境變得更安全，網(wǎng)絡安全性和覆蓋率更高，提高能源利用率，這些是新工廠概念的熱點趨勢，將其變?yōu)楝F(xiàn)實需要巨大的投入，其中包括舊設備智能升級改造工程（例如，使用新的變頻解決方案改造舊電機，最大限度地提高能效）。

在工業(yè)現(xiàn)代化改造方面，IO-Link技術在所有的基于傳感器的工廠級應用中占有顯著的地位，該技術的優(yōu)勢是能夠讓普通工業(yè)傳感器（即生產線中的接近傳感器或壓力傳感器）實現(xiàn)智能化，熱插拔連接，更換簡便，支持多跳網(wǎng)絡和預測性維護系統(tǒng)。

IO-Link聯(lián)盟的成員包括歐洲最大的傳感器和執(zhí)行器制造商以及可編程邏輯控制器（PLC）廠商，隨著來自世界各地的新公司加盟，聯(lián)盟的排名每月都在上升，并且該組織的所有新成員都看到了加盟這項計劃的好處。

作為聯(lián)盟的創(chuàng)辦者之一，意法半導體提供IO-Link主站收發(fā)器L6360和設備收發(fā)器L6362A（在IO-Link術語中稱為IO設備）。

圖1 典型的工業(yè)網(wǎng)絡

IO-Link是什么?

IO-Link是首個連接工業(yè)網(wǎng)絡底層傳感器及執(zhí)行器的標準化通信協(xié)議，遵從IEC 61131-9國際標準，可編程控制器和相關外圍設備是該標準的基本內容。該技術本身的概念是，傳感器或執(zhí)行器與主控制器（即PLC）交換通信數(shù)據(jù)（診斷和配置信息），同時確保向下兼容工業(yè)IO模塊。

IO-Link位于工業(yè)網(wǎng)絡體系架構的底層：PLC 控制器(或工業(yè)網(wǎng)關)與位于網(wǎng)絡架構高層的工業(yè)現(xiàn)場總線相連，可以遠程傳輸工業(yè)網(wǎng)絡高層的數(shù)據(jù)信息。

IO-Link通信協(xié)議是什么？

IO-Link是能夠驅動工廠自動化環(huán)境中的數(shù)字傳感器及執(zhí)行器（標準IO設備）的點對點（半雙工）數(shù)字通信協(xié)議。協(xié)議具有簡單易用和即插即用的特點，以防故障傳感器更換或向下兼容問題。因此，這是一個簡單的串行通信協(xié)議，只需3根線，無需專用連接器及電纜：IO-Link使用傳統(tǒng)的M5、M8或M12規(guī)格的標準工業(yè)連接器，可以連接最常見的任何工業(yè)傳感器。從安裝工作量和成本角度看，IO-Link技術對工業(yè)網(wǎng)絡升級的影響很小。實際上，甚至可以繼續(xù)使用以前的布線基礎設施安裝IO-Link設備。

關于協(xié)議棧：按照最新的標準定義，IO-Link主站和設備收發(fā)器必須支持三種通信速度(COM1: 4.8 kbit/s、COM2: 38.4 kbit/s、COM3: 230.4 kbit/s)，并且主站收發(fā)器具有模擬和數(shù)字（8位、12位或16位）兩種通信模式。在COM3通信模式下，主站與設備之間傳送一個典型的數(shù)據(jù)幀是2個字節(jié)，周期是400μs。

為什么可以即插即用？

即插即用的實現(xiàn)方式是將所有參數(shù)都存儲在主站，這樣，在更換傳感器時，即使是熱插拔，傳感器（在更好的情況下，是智能傳感器，即設備）也會接收到設備配置所需的全部信息。主站存儲的文件通常為.xml格式，包含有關傳感器的所有信息（即型號、制造商、功能等），這個文件被稱為IODD（IO-Link設備描述符）。一個傳感器或執(zhí)行器對應一個IODD。

ST的IO-Link 芯片和解決方案

意法半導體的L6360和L6362A兩款芯片可實現(xiàn)IO-Link主站和設備解決方案，產品特性包括應用范圍廣，寬輸入電壓，高輸出電流，低耗散功率，高可靠性。

圖2 主站芯片與設備芯片之間的典型連接

L6360是一個兼容PHY2（3線）的單片IO-Link主站端口，支持COM1、COM2和COM3三種模式，還支持標準IO（SIO）設備。L6360的靈活性極高，輸出級C/Q0輸出引腳可配置為（高邊、低邊或推挽）。L6360通過標準I2C接口與微控制器（運行協(xié)議棧的微控制器）通信，然后將通過USART（IN C/Q0引腳）接收的主微控制器數(shù)據(jù)發(fā)送到PHY2（C/Q0引腳），或者將從物理層接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到USART（OUT C/QI引腳）。

框圖和關鍵功能如下圖所示。

圖3 L6360主站芯片框圖

L6360的主要功能特性

·          電源電壓18 V-32.5 V

·          可配置輸出級：高端、低端或推挽式（<2Ω）

·          高邊驅動器L +引腳保護電流高達500 mA

·          支持COM1、COM2和COM3模式

·          IEC61131-2 type 1附加輸入

·          通過限流和設置截止電流實現(xiàn)短路和過流輸出保護

·          3.3 V / 5 V、50 mA線性穩(wěn)壓器

·          5 mA IO-Link數(shù)字輸入

·          通過I2C接口快速模式控制、配置和診斷芯片

·          用于診斷功能的雙LED序列發(fā)生器和驅動器

·          5 V和3.3 V兼容I / O引腳

·          過壓保護（> 36 V）

·          過熱保護

·          靜電防護

·          小型VFQFPN 26L（3.5 x 5 x 1 mm）封裝

L6362A是符合PHY2（3線連接）標準的IO-Link設備收發(fā)器芯片，支持COM1、COM2和COM3模式。這款芯片還支持標準IO (SIO)模式。輸出級提供三種可選配置（高邊、低邊、推挽），能夠驅動任何類型的負載（電阻、電容或電感），凡是24V工業(yè)傳感器都可以連接到L6362A。

VCC, GND, OUTH, OUTL和I/Q引腳之間的反極性保護是這款芯片的重要功能，是工業(yè)傳感器管理應用的基本要求。

下面列出了其它重要功能以及設備芯片的框圖。

圖4 L6362A設備芯片框圖

L6362A的主要功能特性

·         功率級能效極高

§          RDSON =0.8Ω/1Ω（低邊/高邊）

§          輸出電流高達300 mA

§          模式：高邊、低邊、推挽

§          驅動達500mJ /30μF的感性/容性/電阻負載

·         5 V或3.3 V可選 10 mA線性穩(wěn)壓器

·         支持COM1、COM2和COM3模式

·         支持喚醒檢測

·         全面保護，包括反極性、過壓/欠壓、過載、過熱…

·         高EMC抗擾性（突發(fā)、浪涌，ESD等）

·         -40 至 +125 °C 工作溫度

·         小型DFN 3 x 3 mm封裝

演示板是設計人員在開發(fā)階段需要的基本工具，

ST為設計人員提供大量的開發(fā)工具，下面從芯片評估板開始介紹。

首先是STEVAL-IFP016V2主站芯片評估板，這塊板子以 L6360主站芯片為核心，可以通過外部連接器連接主微控制器。

STEVAL-IFP016V2處理微控制器信號，提供24 V輸出，能夠演示L6360的所有功能。

板上的GND區(qū)域旨在最大程度地降低噪聲并確保良好的熱性能。

圖5 具有L6360全部特性的STEVAL-IFP016V2

第二塊板子是STEVAL-IFP017V3，這是一款以L6362A設備芯片為核心的評估板，用于測試L6362A的全部功能，例如，快速退磁和反極性保護等豐富的電氣保功能。使用STEVAL-IFP017V3設計項目，無需外部組件即可滿足IEC 61000-4-4（突發(fā)），IEC 61000-4-2（ESD）和EN60947-5-2 / IEC 61000-4-5（浪涌）的要求。

圖6 具有L6362A全部特性的STEVAL-IFP017V3

所有這些開發(fā)板都是為充分利用這兩款芯片的功能而開發(fā)設計。設計人員通常需要開發(fā)支持，甚至在應用級也需要支持。因此，意法半導體開發(fā)了基于L6360的4端口IO-Link主站板STEVAL-IDP004V1和和基于L6362A的傳感器設備評估套件STEVAL-IDP003V1。

STEVAL-IDP004V1板載四顆不同的L6360芯片，支持多種通信模式：IO-Link、SIO、RS-485、USB和CAN，中央處理器是STM32F205 Cortex M3微控制器，還配備一個普通的RS232 PC接口，用于測試板子的通信功能。

圖7 帶有四個連接端口的STEVAL-IDP004V1

如圖7所示，STEVAL-IDP004V1安裝了四個M12連接器，可以同時連接四個不同的傳感器。在我們應用方案中，用STEVAL-IDP003V1板上的L6362A芯片代表傳感器。

STEVAL-IDP003V1套件可以安裝在最小的常規(guī)工業(yè)傳感器內（僅8 x 70 mm大?。?。在套件的參考設計板上，可以安裝多達四個不同的傳感器子板（接近檢測、振動檢測、加速度計和溫度傳感器），板上還搭載一個運行設備端協(xié)議棧的專用低功耗微控制器STM32L071。

STEVAL-IDP003V1的抗擾性設計保證應用通過EMC和ESD應力測試。

圖8 STEVAL-IDP003V1及其四塊傳感器子板

最后，按照STM32 ODE計劃，下一個開發(fā)工具將是IO-Link擴展板，又稱X-Nucleo開發(fā)板，用于簡化IO-Link應用的原型設計。有了這些新電路板，IO-Link協(xié)議棧將運行在主STM32微控制器上，建立一個全功能的IO-Link點對點通信通道。