IO-Link如何满足工业传感器网络的要求

IO-Link在工业环境中连接传感器，执行器和系统方面非常受欢迎。尽管如此，开发人员面临着对主设备和设备收发器的更多功能，更高性能和更低功耗的需求。使用Maxim Integrated的一对器件，工程师可以满足这些需求，

本文将研究工业传感器网络的要求，设计人员面临的问题以及IO-Link如何满足这些网络的要求。然后，它将介绍Maxim Integrated的IO-Link解决方案，并展示如何使用它们在网络网关系统和大量外围传感器和执行器之间快速实现完全兼容的IO-Link连接。

IO -Link支持大规模传感器部署

先进的工业系统在很大程度上依赖于工程师在恶劣的制造环境中部署数百甚至数千个传感器和执行器的能力。在转向基于智能MCU的设备时，工程师不仅必须保持与较旧的传统设备和系统的连接，还要解决在降低功耗方面日益增长的挑战，尽管设备和系统的规模和复杂性不断增加。 IO-Link在这些环境中发挥了至关重要的作用，能够保持向后兼容性，同时支持通过不同工业网络连接的日益复杂的传感器和执行器。通过提供标准输入/输出（I/O）连接技术，IO-Link使工程师能够轻松组合各种外围设备和系统。

标准I/O接口

在工厂在此，IO-Link定义了一个标准接口，用于将工厂系统连接到外围设备，包括传感器和执行器。 IO-Link保持传统外设的24伏电源和信号传统，使用其三线接口在两条线路（L +和L-）上提供24伏电源，以及在第三条线路（C/Q）上进行串行通信。在基于处理器的系统中，IO-Link兼容的收发器位于IO-Link连接的任一端。它们使用IO-Link物理协议相互通信。与此同时，他们正在通过UART或SPI总线将IO-Link信号电平转换为连接到收发器的MCU和处理器的传统数字电平（图1）。

图1：IO-Link定义了工厂车间传感器或执行器系统与连接这些外围设备的网关系统之间的点对点连接接口设备到工厂网络。 （使用Digi-Key Scheme-it®创建的图像）

虽然IO-Link收发器支持IO-Link规范的较低物理层，但附加的MCU或处理器通常使用简单的消息传递协议管理IO-Link的更高级功能。每个IO-Link事务都发生在一个消息序列（M序列）中，该消息序列以来自主设备的命令消息开始，并以来自连接设备的响应消息结束。在M序列中，主设备和设备消息都包含一系列包含由IO-Link规范定义的数据或字节命令的UART帧，并且具有取决于设备，主设备和应用的时序（图2）。

图2：IO-Link指定一个简单的消息传递序列（M序列），其中主机将命令作为一系列UART帧发送到外围设备并从设备接收响应。 （图像来源：Maxim Integrated）

IO-Link定义了各种功能，旨在确保在恶劣环境中可靠通信。它允许收发器在持续不成功的尝试中重试发送具有最终定义的故障模式的帧。 IO-Link还指定外围设备在标准I/O设备描述（IODD）块中存储自身信息的方法，并从IO-Link主站提供有关命令的信息。 IO-Link主站可以使用此设备配置信息来设置周期时间和数据速率，同时仍然可以回退到较慢的速度（如果需要），以保持可靠的通信。

虽然IO-Link提供了广泛的优势，超出本文范围的功能，工业自动化开发人员要求更多。在最基本的层面上，传感器和其他外围设备的数量和功能的持续增长对IO-Link连接的两端都提出了很高的要求。 IO-Link主站需要更高级的功能，可以高效，安全地为更先进的外围设备提供L +电源。

在外围，IO-Link收发器面临基于MCU的系统简化设计的要求。对于主设备和设备收发器，开发人员需要最大限度地降低功耗以降低热负载，因为更先进的网关系统转向无风扇设计，以降低功耗，消除噪音并简化工厂车间的维护。 Maxim Integrated的一对器件通过简单，低功耗的解决方案满足这些不断扩展的需求，以实现IO-Link接口。

高效网关

Maxim Integrated MAX14819主收发器提供单一用于创建IO-Link网关系统的芯片解决方案。该器件旨在简化IO-Link接口设计，通过独立的L +电源控制器和专用于每个通道的帧处理器完全支持两个IO-Link通道。该器件具有广泛的功能，通常仅消耗1.9毫安（mA），如果开发人员使用外部降压稳压器（如Maxim Integrated MAX15062A）代替MAX14819收发器的内部5 V稳压器，则功耗更低。由于该器件的集成功能，开发人员只需通过SPI和UART接口将MAX14819连接到MCU，并添加一些组件以提供完全兼容的低功耗IO-Link网关（图3）。

图3：开发人员可以使用MCU，Maxim Integrated MAX14819以及少量其他组件来实现IO-Link主站。 （图像来源：Maxim Integrated）

虽然元件数量很少，但最好添加隔离器，例如Maxim Integrated的MAX12930 Opto隔离器和MAX12931数字隔离器。

如前所述， IO-Link标准规定了L +/L-电源线，也称为传感器电源。这些通过最长20米（m）的电缆提供，不需要根据标准进行屏蔽。为确保恶劣环境下的安全性和可靠性，MAX14819传感器电源控制器提供可设置的电流限制，反向电流阻断和反极性保护功能。

将G1x连接到低RDS（ON）MOSFET的栅极例如安森美半导体NTTFS5116PL，该器件可以控制相应通道的传感器电源的外部反向电流阻断，而不会增加显着的热负载。 G2x处的类似MOSFET将电流驱动至相应的A或B传感器电源通道。位于SN1x和SN2x之间的传感器电阻设置该传感器电源通道的电流限制。除了这些基本保护功能外，MAX14819还允许开发人员设置器件的配置寄存器，以设置每个传感器电源的开启时间，限流消隐时间和自动重试延迟等优化参数。

帮助确保MAX14819集成了CQx线路上的信号完整性，结合了自动保护功能和可设置功能，开发人员可以使用器件的配置寄存器进行编程。例如，使用配置寄存器，设计人员可以将CQx电流限制设置为不同的值，范围从100 mA到500 mA，以及设置消隐时间。如果过流条件持续时间超过消隐时间，则器件可以产生中断并进入重试模式，具体取决于寄存器设置。

然而，在网关设计中，IO-Link主设备的要求会延长超出支持各个传感器的IO-Link供电和信号要求所需的那些。为了满足对更多IO-Link通道的需求，在执行满足IO-Link要求所需的数据链路层操作时，主机处理器可能会不堪重负。相反，设计人员可以使用MAX14819的集成帧处理器来缓解这种情况。

帧处理器

MAX14819通过集成的帧处理器补充了对外设侧传感器电源和CQ保护的支持。卸载主处理器，提供对IO-Link M序列的时间关键控制。 MAX14819独立工作，使开发人员能够以400微秒（μs）的速度实现IO-Link周期时间，对主处理器的影响最小。

帧处理在IO-Link中起着重要作用消息协议。为了执行典型的M序列事务，设计人员通过共享SPI总线将来自主处理器的主消息加载到MAX14819 FIFO缓冲器中，可以是突发或一系列字节写入。 MAX14819通过CQx以相应的帧序列发送消息，并立即将CQx信道切换到接收模式，等待设备响应消息。收到后，MAX14819将器件消息加载到接收缓冲区并切换RXRDYBx，它也可以作为中断通知主机（图4）。反过来，主机使用SPI总线读取接收缓冲区，自动复位RXRDYBx线。

图4：Maxim Integrated MAX14819的集成帧处理器简化了IO-Link事务，只需向MAX14819发送SPI写操作即可启动IO-Link周期和SPI读取以在发生数据就绪中断时访问结果。 （图像源：Maxim Integrated）

在IO-Link系统中，主机通过在启动序列期间读取IODD来自动确定最小循环时间（或覆盖这些值以满足特定应用的循环时间要求） ）。在一个周期内，如果在预期的tM序列时间段内未收到器件消息，工程师可以将MAX14819配置为产生故障 - 这是IO-Link规范的要求。但实际上，IO-Link设备可能需要比IO-Link标准tM序列时间段更长的时间，标准定义时间段是主设备和设备消息长度以及帧间间隔的函数（再次参见图2） ）。

MAX14819允许开发人员在器件产生表示接收错误的RxERR中断之前调整允许的延迟。虽然这种方法不同于IO-Link标准的严格定义，但它解决了在实际环境中有时会遇到的问题。

MAX14819支持以下解决实际应用问题的灵活性。各种系统设计方法。如前所述（再次参见图3），开发人员可以依靠MAX14819的集成功能快速实现IO-Link主设计。

但是，如果需要，开发人员可以将MAX14819简单地用作IO -Link收发器，将MAX14819的TXENx，TXx和RXx引脚连接到处理器的相应UART端口。在此模式下，所有通信都通过UART端口，绕过MAX14819的帧处理程序，直接通过缓冲区移至其CQx（A和B）端口（图5）。

图5：Maxim Integrated MAX14819扩展了传统的IO-Link收发器功能，集成了L +电源控制器和帧处理器，能够卸载数据链路处理来自主处理器。 （图像来源：Maxim Integrated）

对于典型的IO-Link网关设计，设计人员更有可能利用MAX14819完整的IO-Link功能。为了满足对更多通道不断增长的需求，设计人员通常会在单个系统中组合多个主控器。 MAX14819提供一对SPI芯片地址引脚，允许设计人员在同一SPI总线上组合四个MAX14819器件。每个器件都监视任何读/写周期中包含的SPI地址，并响应具有匹配地址的命令。

虽然开发人员可以使用MAX14819，MCU和一些额外的器件相对轻松地实现IO-Link主机组件，完整网关系统的详细设计可能会增加实施的延迟。例如，真实世界的网关系统面临需要外部瞬态电压保护和钳位二极管吸收能量的感性负载。

为了帮助开发人员更快地创建这些系统，Maxim Integrated提供MAXREFDES145八通道IO-链路网关参考设计（图6）。与电路板一起，参考设计包括完整的原理图和BOM，为开发人员提供即时设计解决方案或自定义实现的基础。

图6：Maxim Integrated MAXREFDES145参考设计演示了完整的IO-Link兼容网关设计，该设计使用单个STMicroelectronics STM32F405RGT6 MCU来管理多个IO -Link主通道。 （图像来源：Maxim Integrated）

传感器系统

虽然IO-Link主设备在设备端面临多个连接，L +电源控制和帧处理，传感器和执行器的要求IO-Link连接带来了对IO驱动能力，不同稳压电源和传感器接口保护的额外要求。同时，这些外围设备中使用的MCU通常提供足够的处理能力来处理IO-Link数据链路层操作，以实现与网关的单一连接。对于这些传感器/执行器设计，Maxim Integrated MAX14827A收发器提供有效的解决方案，提供与MAX14819类似的线路保护功能，同时满足外围系统的独特要求。

在IO-Link兼容设计中， MAX14827A作为配套器件与典型外围器件设计中使用的MCU配合使用（再次参见图1）。在这里，设计人员将MAX14827A连接到MCU的UART端口，其方式与前面介绍的MAX14819在仅收发器模式下的使用方式相同。收发器支持IO-Link低级物理接口要求，以MCU管理的M序列发送和接收UART帧。

在典型设计中，工程师通过访问MAX14827A来配置和监控MAX14827A。器件通过器件的SPI端口进行寄存，同时使用UART接口发送和接收IO-Link帧。对于不提供单独SPI和UART端口的简单MCU，此并行操作模式将不可用。对于这些情况，MAX14827A提供了其他方法。在多路复用模式下，MAX14827A SPI和UART端口可以共享MCU上的单个串行端口，利用IO-Link周期中的空闲周期来复用单通道上的SPI和UART通信。 MAX14827A的引脚模式提供更简单的工作模式，通过管理器件引脚上的电平来控制器件工作。

除了解决基于MCU的替代设计功能外，MAX14827A还通过其集成的稳压器帮助简化外围系统设计。设计人员不需要为功率传感器，调理电路和其他电路添加外部稳压器，而是可以连接到器件提供的稳压3.3伏和5伏电源轨。当然，工程师可以绕过这些片上源，转而采用外部稳压器。

与MAX14819主器件一样，MAX14827A收发器只需要很少的额外元件即可为现有的MCU增加基本的IO-Link功能 - 基于传感器或执行器设计。尽管如此，设计人员通常会使用额外的电路（例如瞬态电压保护电路）来增加基极MAX14827A电路（图7）。为了加速开发速度，Maxim Integrated提供MAX14827EVKIT评估板，该评估板提供完整的IO-Link收发器实现，可满足TVS保护等实际设计考虑。

图7：虽然Maxim Integrated MAX14827A提供内置保护功能，但开发人员通常会添加更多保护。 （图像源：Maxim Integrated）

为了安全起见，设计人员应使用瞬态电压抑制（TVS）二极管（如瞬态电压抑制（TVS）二极管）为DO，C/Q和DI线路添加瞬态电压保护。 STMicroelectronics SMAJ33A。

结论

IO-Link提供标准，强大的协议，用于将传感器和执行器与工厂网络互连。然而，对于寻求开发符合IO-Link标准的系统的工程师而言，对功耗，热管理，设计规模和性能的实际关注对于工程师来说是一项重大挑战。利用Maxim Integrated MAX14819主收发器和MAX14827A器件收发器，工程师可以快速实现网络网关系统与大量外围传感器和执行器之间完全兼容的IO-Link连接。