背景與基礎(chǔ)
隨著工業(yè)4.0的興起，人們對可重設(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，自動化領(lǐng)域的許多知名廠商一起開發(fā)了獨立于現(xiàn)場總線的傳感器和執(zhí)行器的通信標準：IO-Link，這是一種相對較新的工業(yè)傳感器標準，目前已呈現(xiàn)出迅速增長態(tài)勢。據(jù)IO-Link相關(guān)組織預(yù)測，截至當前，行業(yè)使用支持IO-Link標準的節(jié)點已超過2700萬個，而這個數(shù)字仍在不斷攀升。
圖1 .IO-Link nodes增長趨勢
(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準，其遵守的規(guī)范和標準是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標準。
IO-Link系統(tǒng)是IO-Link Master和IO-Link Device(Sensor、Actuator和Hub)之間的數(shù)字點對點連接，IO-Link通信獨立于所使用的Fieldbus。此外，IO-Link還可以通過IO-Link Hub在系統(tǒng)中連接沒有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設(shè)置，每個端口只能連接一個IO-Link Device。通信總是從IO-Link Master的Wake-up pulse(80μs)開始，后跟測試消息(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)行器類似，測量值和開關(guān)狀態(tài)通過數(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序列類型(Type_1_x/Type_2_x)來滿足IO-Link Device的特定需求(掃描速率、過程數(shù)據(jù)量等)。每個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介紹了當前ADI可用于設(shè)計IO-Link Master和IO-Link Device(Sensor、Actuator和Hub)的相關(guān)芯片級設(shè)計參考方案。下圖為IO-Link系統(tǒng)中相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計參考框圖。
圖6.IO-Link系統(tǒng)ADI芯片級應(yīng)用框圖
1、IO-Link Master設(shè)計
Tony表示，大多數(shù)IO-Link Master設(shè)計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的TVS、ESD等。
另外IO-Link Master設(shè)計的主要挑戰(zhàn)包括散熱(Heat)、魯棒性(Robustness)、驅(qū)動能力(Drive capability)、軟件(Software)。
2、ADI在IO-Link Master設(shè)計中的優(yōu)勢
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)器包括兩個輔助數(shù)字輸入(DI)通道，完全符合最新的IO-Link和二進制輸入標準和測試規(guī)范，遵守IEC 61131-2、IEC 61131-9和IO-Link 1.1.3標準。
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:
● CQ_ DRIVER的1Ω(typ)導(dǎo)通電阻，減少25%的能量消耗
● 兩個通道共1.9mA(typ)的供電電流
● 集成了L+ Supply Controllers，具有大容性負載充電能力和2A或者更高的負載電流
● 集成了Frame Handler，減少了對MCU的UART需求
● 每個通道自帶Cycle Timer，減少對MCU精確定時器的需求
● 通過邏輯地址輸入A1和A0，在一個SPI總線上允許最多四個MAX14819/MAX14819A
● CQ_ DRIVER可獨立配置為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：
● 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)計客戶提供更多的IO-Link協(xié)議棧開發(fā)選擇。
圖8.ADI合作的3家IO-Link協(xié)議棧公司
ADI還提供多種評估板資源，方便終端客戶評估與學(xué)習。
圖9.ADI評估板資源
3、IO-Link Hub設(shè)計
大多數(shù)IO-Link Hub設(shè)計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/低邊輸出開關(guān)，輸入開關(guān)等;四是電源，以及用于提供浪涌保護的TVS、ESD等。
IO-Link Hub設(shè)計的主要挑戰(zhàn)同樣包括散熱(Heat)、魯棒性(Robustness)、驅(qū)動能力(Drive capability)、軟件(Software)。
4、ADI在IO-Link Hub設(shè)計中的優(yōu)勢
IO-Link Hub收發(fā)器：MAX14827A/MAX14828介紹
MAX14827A集成了工業(yè)傳感器中常見的高壓功能，包括驅(qū)動器和調(diào)節(jié)器。MAX14827A具有兩個主動反極性保護的超低功耗驅(qū)動器，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:
● 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)動器
● 熱插拔電源保護
● 具有主動反向極性保護功能的驅(qū)動器
● 65V絕對最大額定值
● 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)壓器和兩個內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，以及集成的浪涌保護器件，非常魯棒性的通信。MAX22513具有低導(dǎo)通電阻驅(qū)動器(C/Q和DO/DI)，可選擇的驅(qū)動器電流限制和過流保護，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:
● 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)動器
● 集成了精確的振蕩器
● 熱插拔和主動反向極性保護功能
● 65V絕對最大額定值
注：MAX22513-Dual Driver;MAX22514- Single Driver;MAX22515- Dual Driver(no DC-DC)。
圖12.IO-Link Device收發(fā)器散熱對比
IO-Link Hub高邊輸出開關(guān)：MAX14915/MAX14916/MAX14917介紹
MAX14917有8個高邊輸出開關(guān)，每個通道提供高達700mA(min)的連續(xù)電流。MAX14917有一個SPI接口，可以菊花鏈連接，允許與多片MAX14917共用一個SPI總線。兩個看門狗定時器提供了對主設(shè)備連接的額外安全檢查。MAX14917具有4 x 4 LED交叉矩陣，可提供每個通道狀態(tài)的視覺指示。
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:
● 65V絕對最大供電范圍和集成了1KV的浪涌保護功能
● 精確的輸出電流(0.7A，min)
● 在125℃時250mΩ(max)導(dǎo)通電阻
● 過熱保護功能
● 緊湊的6mm x 6mm QFN封裝
IO-Link Hub低邊輸出開關(guān)：MAX14919/ MAX14919A介紹
圖14.MAX14919/MAX14919A功能框圖
MAX14919/MAX14919A的特色和優(yōu)點:
● 165V絕對最大供電范圍和集成了1KV的浪涌保護功能
● 電阻設(shè)置精確的電流限制(100mA到800mA)
● 在125℃時300mΩ (max)導(dǎo)通電阻
● 過熱保護和反向電流保護功能
● 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?答案是采用開放式通信標準的IO-Link。同時，隨著所采用的執(zhí)行器和傳感器變得越來越智能，也更需要開放的IO-Link通信標準發(fā)揮作用，使傳感器/執(zhí)行器層直至自動化層都保持較高數(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、便捷的去評估自動化系統(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IO-Link相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，幫助客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
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