IO-Link技術(shù)與意法半導(dǎo)體

如今，所有的工業(yè)制造商，無(wú)論規(guī)模大小，都在升級(jí)生產(chǎn)設(shè)施、制造能力和工程服務(wù)，向工業(yè)4.0概念或智能工業(yè)轉(zhuǎn)型。

目前有許多技術(shù)可以促進(jìn)這種轉(zhuǎn)型，使工作環(huán)境變得更安全，網(wǎng)絡(luò)安全性和覆蓋率更高，提高能源利用率，這些是新工廠(chǎng)概念的熱點(diǎn)趨勢(shì)，將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)需要巨大的投入，其中包括舊設(shè)備智能升級(jí)改造工程（例如，使用新的變頻解決方案改造舊電機(jī)，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(shù)在所有的基于傳感器的工廠(chǎng)級(jí)應(yīng)用中占有顯著的地位，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是能夠讓普通工業(yè)傳感器（即生產(chǎn)線(xiàn)中的接近傳感器或壓力傳感器）實(shí)現(xiàn)智能化，熱插拔連接，更換簡(jiǎn)便，支持多跳網(wǎng)絡(luò)和預(yù)測(cè)性維護(hù)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(chǎng)商，隨著來(lái)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(xiàng)計(jì)劃的好處。

作為聯(lián)盟的創(chuàng)辦者之一，意法半導(dǎo)體提供IO-Link主站收發(fā)器L6360和設(shè)備收發(fā)器L6362A（在IO-Link術(shù)語(yǔ)中稱(chēng)為IO設(shè)備）。

圖1 典型的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

IO-Link是什么?

IO-Link是首個(gè)連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)底層傳感器及執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，遵從IEC 61131-9國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可編程控制器和相關(guān)外圍設(shè)備是該標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容。該技術(shù)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(shí)確保向下兼容工業(yè)IO模塊。

IO-Link位于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的底層：PLC 控制器(或工業(yè)網(wǎng)關(guān))與位于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)高層的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相連，可以遠(yuǎn)程傳輸工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(qū)動(dòng)工廠(chǎng)自動(dòng)化環(huán)境中的數(shù)字傳感器及執(zhí)行器（標(biāo)準(zhǔn)IO設(shè)備）的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（半雙工）數(shù)字通信協(xié)議。協(xié)議具有簡(jiǎn)單易用和即插即用的特點(diǎn)，以防故障傳感器更換或向下兼容問(wèn)題。因此，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的串行通信協(xié)議，只需3根線(xiàn)，無(wú)需專(zhuān)用連接器及電纜：IO-Link使用傳統(tǒng)的M5、M8或M12規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)連接器，可以連接最常見(jiàn)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(shù)對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的影響很小。實(shí)際上，甚至可以繼續(xù)使用以前的布線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施安裝IO-Link設(shè)備。

關(guān)于協(xié)議棧：按照最新的標(biāo)準(zhǔn)定義，IO-Link主站和設(shè)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(shè)備之間傳送一個(gè)典型的數(shù)據(jù)幀是2個(gè)字節(jié)，周期是400μs。

為什么可以即插即用？

即插即用的實(shí)現(xiàn)方式是將所有參數(shù)都存儲(chǔ)在主站，這樣，在更換傳感器時(shí)，即使是熱插拔，傳感器（在更好的情況下，是智能傳感器，即設(shè)備）也會(huì)接收到設(shè)備配置所需的全部信息。主站存儲(chǔ)的文件通常為.xml格式，包含有關(guān)傳感器的所有信息（即型號(hào)、制造商、功能等），這個(gè)文件被稱(chēng)為IODD（IO-Link設(shè)備描述符）。一個(gè)傳感器或執(zhí)行器對(duì)應(yīng)一個(gè)IODD。

ST的IO-Link 芯片和解決方案

意法半導(dǎo)體的L6360和L6362A兩款芯片可實(shí)現(xiàn)IO-Link主站和設(shè)備解決方案，產(chǎn)品特性包括應(yīng)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(shè)備芯片之間的典型連接

L6360是一個(gè)兼容PHY2（3線(xiàn)）的單片IO-Link主站端口，支持COM1、COM2和COM3三種模式，還支持標(biāo)準(zhǔn)IO（SIO）設(shè)備。L6360的靈活性極高，輸出級(jí)C/Q0輸出引腳可配置為（高邊、低邊或推挽）。L6360通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I2C接口與微控制器（運(yùn)行協(xié)議棧的微控制器）通信，然后將通過(guò)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(guān)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(jí)：高端、低端或推挽式（<2Ω）

·          高邊驅(qū)動(dòng)器L +引腳保護(hù)電流高達(dá)500 mA

·          支持COM1、COM2和COM3模式

·          IEC61131-2 type 1附加輸入

·          通過(guò)限流和設(shè)置截止電流實(shí)現(xiàn)短路和過(guò)流輸出保護(hù)

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

·          5 mA IO-Link數(shù)字輸入

·          通過(guò)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(qū)動(dòng)器

·          5 V和3.3 V兼容I / O引腳

·          過(guò)壓保護(hù)（> 36 V）

·          過(guò)熱保護(hù)

·          靜電防護(hù)

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

L6362A是符合PHY2（3線(xiàn)連接）標(biāo)準(zhǔn)的IO-Link設(shè)備收發(fā)器芯片，支持COM1、COM2和COM3模式。這款芯片還支持標(biāo)準(zhǔn)IO (SIO)模式。輸出級(jí)提供三種可選配置（高邊、低邊、推挽），能夠驅(qū)動(dòng)任何類(lèi)型的負(fù)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(hù)是這款芯片的重要功能，是工業(yè)傳感器管理應(yīng)用的基本要求。

下面列出了其它重要功能以及設(shè)備芯片的框圖。

圖4 L6362A設(shè)備芯片框圖

L6362A的主要功能特性

·         功率級(jí)能效極高

§          RDSON =0.8Ω/1Ω（低邊/高邊）

§          輸出電流高達(dá)300 mA

§          模式：高邊、低邊、推挽

§          驅(qū)動(dòng)達(dá)500mJ /30μF的感性/容性/電阻負(fù)載

·         5 V或3.3 V可選 10 mA線(xiàn)性穩(wěn)壓器

·         支持COM1、COM2和COM3模式

·         支持喚醒檢測(cè)

·         全面保護(hù)，包括反極性、過(guò)壓/欠壓、過(guò)載、過(guò)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(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)階段需要的基本工具，

ST為設(shè)計(jì)人員提供大量的開(kāi)發(fā)工具，下面從芯片評(píng)估板開(kāi)始介紹。

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

STEVAL-IFP016V2處理微控制器信號(hào)，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L(fǎng)6362A設(shè)備芯片為核心的評(píng)估板，用于測(cè)試L6362A的全部功能，例如，快速退磁和反極性保護(hù)等豐富的電氣保功能。使用STEVAL-IFP017V3設(shè)計(jì)項(xiàng)目，無(wú)需外部組件即可滿(mǎn)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(kāi)發(fā)板都是為充分利用這兩款芯片的功能而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員通常需要開(kāi)發(fā)支持，甚至在應(yīng)用級(jí)也需要支持。因此，意法半導(dǎo)體開(kāi)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(shè)備評(píng)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(gè)普通的RS232 PC接口，用于測(cè)試板子的通信功能。

圖7 帶有四個(gè)連接端口的STEVAL-IDP004V1

如圖7所示，STEVAL-IDP004V1安裝了四個(gè)M12連接器，可以同時(shí)連接四個(gè)不同的傳感器。在我們應(yīng)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(nèi)（僅8 x 70 mm大小）。在套件的參考設(shè)計(jì)板上，可以安裝多達(dá)四個(gè)不同的傳感器子板（接近檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、加速度計(jì)和溫度傳感器），板上還搭載一個(gè)運(yùn)行設(shè)備端協(xié)議棧的專(zhuān)用低功耗微控制器STM32L071。

STEVAL-IDP003V1的抗擾性設(shè)計(jì)保證應(yīng)用通過(guò)EMC和ESD應(yīng)力測(cè)試。

圖8 STEVAL-IDP003V1及其四塊傳感器子板

最后，按照STM32 ODE計(jì)劃，下一個(gè)開(kāi)發(fā)工具將是IO-Link擴(kuò)展板，又稱(chēng)X-Nucleo開(kāi)發(fā)板，用于簡(jiǎn)化IO-Link應(yīng)用的原型設(shè)計(jì)。有了這些新電路板，IO-Link協(xié)議棧將運(yùn)行在主STM32微控制器上，建立一個(gè)全功能的IO-Link點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信通道。