简析IO-Link技术

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概念或智能产业转型。
目前，有许多技术可以促进这种转型，使工作环境更加安全，网络安全和覆盖率更高，提高能源利用率，这些是新工厂概念的热点趋势，需要巨大的投资，包括旧设备智能升级项目（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）。
在工业现代化转型中，IO-Link技术在所有基于传感器的工厂级应用中占有重要地位。该技术的优点是可以使普通工业传感器（即生产线上的接近传感器或压力传感器）智能化，热插拔连接，更换方便，支持多跳网络和预测维护系统。
IO-Link联盟的成员包括欧洲最大的传感器和执行器制造商和可编程逻辑控制器（PLC）制造商。随着来自世界各地的新公司的加入，联盟的排名每月都在上升，组织的所有新成员都看到了加入该计划的好处。
作为联盟的创始人之一，意大利半导体提供IO-Link主站收发器L6360和设备收发器L6362A(IO-Link术语中称为IO设备)。
什么是IO-Link？
IO-Link是第一个连接工业网络底层传感器和执行器的标准化通信协议，符合IEC61131-9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），并确保工业IO模块的向下兼容性。
IO-Link位于工业网络系统架构的底部：PLC控制器（或工业网关）与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。
什么是IO-Link通信协议？
IO-Link是一种点对点（半双工）数字通信协议，可以驱动工厂自动化环境中的数字传感器和执行器（标准IO设备）。该协议具有易于使用和即插即用的特点，以防止故障传感器的更换或向下兼容性。因此，这是一个简单的串行通信协议，只有三根线，没有特殊的连接器和电缆：IO-Link使用传统的M5.M8或M12标准工业连接器，可以连接任何最常见的工业传感器。从安装工作量和成本的角度来看，IO-Link技术对工业网络升级的影响很小。事实上，IO-Link设备甚至可以继续使用以前的布线基础设施来安装。
关于协议栈:根据最新标准定义，IO-Link主站和设备收发器必须支持三种通信速度(COM1:4.8kbit/s.COM2:38.4kbit/s.COM3:230.4kbit/s)，主站收发器有两种通信模式:模拟和数字(8位.12位或16位)。在COM3通信模式下，主站与设备之间传输一个典型的数据帧，周期为400μs。
为什么可以即插即用？
即插即用的实现方法是将所有参数存储在主站。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）也会收到设备配置所需的所有信息。主站存储的文件通常是xml格式，包括所有关于传感器的信息（即型号、制造商、功能等）。本文件称为IODD（IO-Link设备描述符）。传感器或执行器对应于IODD。
IO-Link芯片及ST解决方案。
L6360和L6362A芯片可实现IO-Link主站和设备解决方案，产品特点包括应用范围广、输入电压宽、输出电流高、耗散功率低、可靠性高。
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，以及标准IO(SIO)设备。L6360具有很高的灵活性，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USART(INC/Q0引脚)接收的主微控制器数据发送到PHY2(C/Q0引脚)，或将物理层接收的数据发送到USART(OUTC/QI引脚)。
L6362A是一种IO-Link设备收发器芯片，符合PHY2(3线连接)标准，支持COM1.COM2和COM3模式。该芯片还支持标准IO(SIO)模式。输出级提供三种可选配置(高边、低边、推拉)，可驱动任何类型的负载(电阻、电容或电感)，所有24V工业传感器均可连接L6362A。
VCC、GND、OUTH、OUTL、I/Q引脚之间的反极性保护是该芯片的重要功能，是工业传感器管理应用的基本要求。
演示板是设计师在开发阶段所需要的基本工具。ST为设计师提供了大量的开发工具，从芯片评估板开始。
首先是STEVAL-IFP016V2主站芯片评估板，以L6360主站芯片为核心，主微控制器可通过外部连接器连接。
STEVAL-IFP016V2处理微控制器信号，提供24V输出，可演示L6360的所有功能。
板上的GND区域旨在最大限度地降低噪音，保证良好的热性能。
STEVAL-IFP016V2，具有L6360的全部特点。
第二块板是STEVAL-IFP017V3，是以L662A设备芯片为核心的评估板，用于测试L6362A的所有功能，如快速退磁、反极性保护等丰富的电气保护功能。采用STEVAL-IFP017V3设计项目，无需外部组件即可满足IEC61000-4-4(突发)、IEC61000-4-2(ESD)、EN60947-5-2/IEC61000-4-5(浪涌)的要求。
STEVAL-IFP017V3，具有L6362A的全部特点。
所有这些开发板都是为了充分利用这两种芯片的功能而开发和设计的。设计师通常需要开发支持，甚至在应用级别。因此，基于L6360的四端口IO-Link主站板STEVAL-IDP04V1和基于L6362A的传感器设备评估套件STEVAL-IDP003V1。
STEVAL-IDP004V1板配备四种不同的L6360芯片，支持多种通信模式：IO-Link.SIO.RS-485.USB和CAN，中央处理器是STM32F205CortexM3微控制器，还配备了普通的RS232PC接口，用于测试板的通信功能。
STEVAL-IDP004V1有四个连接端口。
STEVAL-IDP003V1套件可安装在最小的常规工业传感器中(仅8x70mm大小)。在套件的参考设计板上，可安装多达四个不同的传感器板(接近检测、振动检测、加速度计和温度传感器)，并配备了一个专用的低功耗微控制器STM32L071，运行设备端协议栈。
STEVAL-IDP003V1的抗扰性设计保证了EMC和ESD应力测试的应用。
最后，根据STM32ODE计划，下一个开发工具将是IO-Link扩展板，也被称为X-Nucleo开发板，以简化IO-Link应用程序的原型设计。有了这些新的电路板，IO-Link协议栈将在主STM32微控制器上运行，并建立一个全功能的IO-Link点对点通信通道。