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IO-Link技術與意法半導體
 

【作者: Natale Testa】   2019年12月27日 星期五

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如今,所有的工業製造商,無論規模大小,都在升級生產設施、製造能力和工程服務,以朝向工業4.0的概念或智慧工業轉型。


有許多技術可促進這種轉型,使工作環境變得更安全、網路安全性和覆蓋率將更高,同時亦能提升能源使用率,這些都是新的工廠概念和趨勢,將其變為現實需要巨大的投入,其中包括舊設備智慧升級改造工程(例如,使用新的變頻解決方案改造舊馬達,以最大限度地提升效率)。


在工業現代化改造方面,IO-Link技術在所有採用感測器的工廠應用中佔有顯著的地位,該技術的優勢是能夠讓普通工業感測器(即生產線中的接近感測器或壓力感測器)達到智慧化、可使熱插拔連接、維修簡便,還能支援多跳網路和預測性維護系統。


IO-Link聯盟(IO-Link Consortium)的成員包括歐洲最大的感測器和致動器製造商以及可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)廠商。隨著來自世界各地的新公司加盟,聯盟的排名每月都在上升,且該組織的所有新成員都看到了加盟這項計劃的好處。


作?聯盟的創辦者之一,意法半導體提供IO-Link主站收發器L6360和L6362A(在IO-Link術語中稱為IO裝置)。



圖一 : 典型的工業網絡
圖一 : 典型的工業網絡

IO-Link是什麼?

IO-Link是首個連接工業網路底層感測器及致動器的標準化通訊協議,其遵循IEC 61131-9國際標準,並可支援可編程控制器和相關周邊裝置。該技術本身的概念是,感測器或致動器與主控制器(即PLC)交換通訊數據(診斷和配置訊息),同時確保向下相容工業IO模組。


IO-Link位於工業網路體系架構的底層:PLC 控制器(或工業閘道)與位於網路架構高層的工業現場匯流排相連,可以遠端傳輸工業網路高層的數據。


IO-Link通訊協議是什麼?

IO-Link是能夠驅動工廠自動化環境中的數位感測器及致動器(標準IO裝置)的點對點(半雙工)數位通訊協議。協議具有簡單易用和即插即用的特點,以避免感測器故障汰換或向下相容等問題。因此,這是一個簡單之串行通訊協議,只需3條電線,而無需專用連接器及電線:IO-Link使用傳統的M5、M8或M12規格的標準工業連接器,可以連接最常見的任何工業感測器。從安裝工作量和成本角度看,IO-Link技術對工業網路升級的影響很小。實際上,甚至可以繼續使用以前的布線安裝IO-Link裝置。


關於協定堆疊:按照最新的標準定義,IO-Link主站和設備收發器必須支援三種通訊速度(COM1: 4.8 kbit/s、COM2: 38.4 kbit/s、COM3: 230.4 kbit/s),而且主站收發器具備模類比和數位(8位元、12位元或16位元)兩種通訊模式。在COM3通訊模式下,主站與設備之間傳送一個典型的數據幀是2個字節,周期是400us。


為什麼即插即用?

即插即用是將所有參數都存儲在主站,如此一來,在更換感測器時,即使是熱插拔,感測器(在更好的情?下,是智慧感設器,即裝置)也會接收到裝置配置所需的全部資訊。主站存儲的文件通常為.xml格式,包含有關感測器的所有訊息(即型號、製造商、功能等),這個文件被稱為IODD(IO-Link裝置描述符)。一個感測器或致動器對應一個IODD。


ST的IO-Link 晶片和解決方案

意法半導體的L6360和L6362A兩款晶片可實現IO-Link主站和裝置解決方案,產品特色包括應用範圍廣、寬輸入電壓、高輸出電流、低耗散功率,以及高可靠性。



圖二 : 主站晶片與裝置晶片之間的典型連接
圖二 : 主站晶片與裝置晶片之間的典型連接

L6360是一個相容於PHY2(3線)的單晶片IO-Link主站介面,其支援COM1、COM2和COM3三種模式,亦支援標準IO(SIO)裝置。L6360的彈性極高,輸出級C/Q0輸出腳位可配置為(高邊、低邊或推挽)。L6360透過標準I2C介面與微控制器(運行協定堆疊的微控制器)通訊,然後將透過USART(IN C/Q0腳位)接收的主微控制器數據發送到PHY2(C/Q0腳位),或者將從物理層接收到的數據發送到USART(OUT C/QI腳位)。


方塊圖和關鍵功能如圖三所示。



圖三 : L6360主站晶片方塊圖
圖三 : L6360主站晶片方塊圖

L6362A是符合PHY2(3線連接)標準的IO-Link裝置收發器晶片,支援COM1、COM2和COM3模式。這款晶片還支援標準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工業感測器都可以連接到L6362A。


VCC, GND, OUTH, OUTL和I/Q腳位之間的反極性保護是這款晶片的重要功能,是工業感測器管理應用的基本要求。


下面列出了其它重要功能以及裝置晶片的方塊圖。



圖四 :  L6362A裝置晶片方塊圖
圖四 : L6362A裝置晶片方塊圖

展示板是設計人員在開發階段所需要的基本工具,ST設計人員提供大量的開發工具。


STEVAL-IFP016V2主站晶片評估板以 L6360主站晶片?核心,可以透過外部連接器連接主微控制器。


STEVAL-IFP016V2處理微控制器訊號,提供24 V輸出,能夠展示L6360的所有功能。


板上的GND區域旨在最大程度地降低噪聲並確保良好的熱性能。



圖五 : 具有L6360全部特性的STEVAL-IFP016V2
圖五 : 具有L6360全部特性的STEVAL-IFP016V2

第二塊板子是STEVAL-IFP017V3,這是一款以L6362A裝置晶片為核心的評估板,其用於測試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設計專案,在無需外部元件的狀況下,即可滿足IEC 61000-4-4(突發),IEC 61000-4-2(ESD)和EN60947-5-2 / IEC 61000-4-5(浪湧)的要求。



圖六 : 具有L6362A全部特性的STEVAL-IFP017V3
圖六 : 具有L6362A全部特性的STEVAL-IFP017V3

所有這些開發板都是為充分利用這兩款晶片的功能而開發設計。設計人員通常需要開發支援,甚至在應用級亦需要支援。因此,意法半導體開發了採用L6360的4埠IO-Link主站板STEVAL-IDP004V1和採用L6362A感測器裝置評估套件STEVAL-IDP003V1。


STEVAL-IDP004V1板載四顆不同的L6360晶片,支援多種通訊模式: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介面,用於測試板子的通訊功能。



圖七 : 帶有四個連接埠的STEVAL-IDP004V1
圖七 : 帶有四個連接埠的STEVAL-IDP004V1

如圖七所示,STEVAL-IDP004V1安裝了四個M12連接器,可以同時連接四個不同的感測器。在我們應用方案中,用STEVAL-IDP003V1板上的L6362A晶片代表感測器。


STEVAL-IDP003V1套件可以安裝在最小的常規工業感測器內(僅8 x 70 mm大小)。在套件的參考設計板上,可以安裝多達四個不同的感測器子板(接近偵測、震動偵測、加速度計和溫度感測器),板上還搭載一個執行裝置端協定堆疊的專用低功耗微控制器STM32L071。


The STEVAL-IDP003V1 is designed to ensure robustness against EMC and ESD stress tests. STEVAL-IDP003V1的抗擾性設計確保應用能夠通過EMC和ESD應力測試。



圖八 : STEVAL-IDP003V1及其四塊感測器子板
圖八 : STEVAL-IDP003V1及其四塊感測器子板

最後,按照STM32 ODE計劃,下一個開發工具將是IO-Link擴充板,又稱X-Nucleo開發板,用於簡化IO-Link應用的原型設計。有了這些新型電路板,IO-Link協定堆疊將運行在主STM32微控制器上,建立一個全功能的IO-Link點對點通訊通道。


(本文作者Natale Testa為意法半導體技術行銷工程師)


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