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使用IO-Link收发器来降低功耗,提升性能并简化开发

在工业环境中,IO-Link在连接传感器,执行器和系统方面非常受欢迎。不过,对于主设备和设备收发器而言,开发人员都面临着更多功能,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,并快速实现强大的IO-Link连接。
本文将检查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来快速实现网络 - 网关系统与大量外设传感器和执行器之间完全兼容的IO-Link连接。

IO-Link支持大规模的传感器部署

先进的工业系统严重依赖工程师在苛刻的制造环境中部署成百甚至上千个传感器和执行器的能力。在转向基于MCU的智能设备时,工程师不仅要保持与旧的传统设备和系统的连接,还要解决在降低功耗方面不断增长的挑战,尽管设备和系统的规模和复杂性持续增长。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。通过提供标准的输入/输出(I / O)连接澳门美高梅娱乐城,IO-Link使工程师能够轻松地组合各种外围设备和系统。

标准I / O接口

在工厂车间,IO-Link定义了一个标准接口,用于连接工厂系统和外围设备,包括传感器和执行器。IO-Link保留了传统外设的24伏电源和信号传输,使用其三线接口在两条线(L +和L-)上提供24伏电源,以及第三条线(C / Q)上的串行通信。在基于处理器的系统中,IO-Link兼容收发器位于IO-Link连接的任一端。他们使用IO-Link物理协议相互通信。同时,他们通过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)。
IO-Link的图表定义了一个点对点连接接口
图1:IO-Link定义了工厂车间传感器或执行器系统与将这些外围设备连接到工厂网络的网关系统之间的点对点连接接口。(使用Digi-Key Scheme-it®创建的图像)

尽管IO-Link收发器支持IO-Link规范的较低物理层,但所连接的MCU或处理器通常使用简单的消息协议来管理IO-Link的高级功能。每个IO-Link事务处理都以消息序列(M序列)的形式出现,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,主设备和设备消息包含一系列短帧,包含由IO-Link规范定义的数据或字节命令,并根据设备,主设备和应用(图2)提供定时。
IO-Link的图像指定一个简单的消息序列(M序列)
图2:IO-Link指定一个简单的消息序列(M序列),其中一个主机将一​​个命令作为一系列UART帧发送到外围设备,并接收来自该设备的响应。(图片来源:Maxim Integrated)
IO-Link定义了各种旨在确保恶劣环境下可靠通信的功能。它允许收发器在继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还指定了外围设备在标准I / O设备描述(IODD)块中存储关于自己的信息的方法,并根据来自IO-Link主站的命令提供该信息。IO-Link主站可以使用此设备配置信息来设置循环时间和数据速率,如果需要,IO-Link主站仍然会回落到较慢的速度,以保持可靠的通信。
虽然IO-Link提供了超出本文范围的广泛优势和特性,但工业自动化开发人员却要求更多。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主机需要更高级的功能,以便将L +电源高效安全地传送到更先进的外围设备。
在外围,IO-Link收发器面向基于MCU的系统简化设计的要求。对于主设备和设备收发器,开发者需要将功耗降至最低,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,低功耗的解决方案来实现IO-Link接口,满足了这些扩展需求。

高效的网关

Maxim Integrated MAX14819主收发器为创建IO-Link网关系统提供单芯片解决方案。为了简化IO-Link接口设计,该器件通过独立的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。对于所有其广泛的功能,器件典型功耗仅为1.9毫安(mA),如果开发人员使用外部降压稳压器(如Maxim Integrated MAX15062A),而不是MAX14819收发器的内部5伏稳压器,则该器件的功耗更低。由于器件的集成功能,开发人员只需通过SPI和UART接口将MAX14819连接到MCU,并添加一些组件即可提供完全兼容的低功耗IO-Link网关(图3)。
Maxim Integrated MAX14819的框图
图3:开发人员可以使用MCU,Maxim Integrated MAX14819以及其他几个组件来实现IO-Link主站。(图片来源:Maxim Integrated)
虽然元件数量很少,但添加隔离器(如Maxim Integrated的MAX12930光电隔离器和MAX12931数字隔离器)是明智之举。
如前所述,IO-Link标准规定了L + / L-电源线,也称为传感器电源。这些是通过可以运行长达20米(m)的电缆提供的,并且不需要根据标准进行屏蔽。为确保在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限流,反向电流阻断和反极性保护功能。
将G1x连接到安森美半导体NTTFS5116PL等低R DS(ON) MOSFET的栅极,可以控制相应通道的传感器电源的外部反向电流阻塞,而不会增加显着的热负载。G2x中的类似MOSFET驱动电流到相应的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。除了这些基本的保护功能之外,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。
为了确保CQx线上的信号完整性,MAX14819将自动保护功能与可设置的功能相结合,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,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。
但是,在网关设计中,IO-Link主设备的要求超出了支持单个传感器的IO-Link电源和信号传输要求所需的要求。在支持更多IO-Link通道的需求中,当执行满足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。

帧处理程序

MAX14819通过集成的帧处理器完成对主机处理器卸载的传感器电源和CQ保护的补充,为IO-Link M序列提供时间关键的控制。独立工作时,MAX14819使开发人员能够实现最快400微秒(μs)的IO-Link周期,并且对主机处理器的影响最小。
帧处理在IO-Link消息传递协议中扮演着重要的角色。为了执行典型的M序列事务,设计人员通过共享SPI总线将来自主机处理器的主消息加载到MAX14819 FIFO缓冲区中,无论是突发还是一系列字节写入。MAX14819通过CQx以相应的一系列帧传输消息,并立即将CQx通道切换到接收模式,等待设备响应消息。收到时,MAX14819将设备消息加载到接收缓冲区,并切换RXRDYBx,RXRDYBx也可以作为中断通知主机(图4)。反过来,主机使用SPI总线来读取接收缓冲区,它会自动复位RXRDYBx线。
Maxim Integrated MAX14819集成帧处理器的框图
图4:Maxim Integrated MAX14819的集成帧处理器简化了IO-Link事务处理,只需要SPI写入MAX14819来启动IO-Link周期,然后在发生数据就绪中断时通过SPI读取访问结果。(图片来源:Maxim Integrated)
在IO-Link系统中,主站通过在启动过程中读取IODD(或覆盖这些值以满足特定应用的周期时间要求)来自动确定最小周期时间。在一个周期内,如果在预期的t M序列时间周期内没有收到设备消息,工程师可以配置MAX14819产生故障- 这是IO-Link规范的要求。然而,在实际中,IO-Link设备可能需要比IO-Link标准的M序列时间段更多的时间,该标准将该标准定义为主设备消息和设备消息长度以及帧间间隔的函数(参见图2再次)。
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时。尽管这种方法偏离了IO-Link标准的严格定义,但它解决了在实际环境中有时遇到的问题。
除了解决实际实现问题的灵活性外,MAX14819还支持多种系统设计方法。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,如有必要,开发人员可以简单地将MAX14819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。在这种模式下,所有通信都通过UART端口移动,绕过MAX14819的帧处理器,直接通过缓冲器移至其CQx(A和B)端口(图5)。
Maxim Integrated MAX14819的框图
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,可以从主机处理器卸载数据链路处理。(图片来源:Maxim Integrated)
但是,对于典型的IO-Link网关设计,设计人员更可能利用MAX14819完整的IO-Link功能。为了满足越来越多的渠道需求,设计师通常将多个主人组合在一个系统中。MAX14819提供一对SPI芯片地址引脚,设计人员可以在同一个SPI总线上连接四个MAX14819器件。每个器件监视任何读/写周期中包含的SPI地址,并响应具有匹配地址的命令。
尽管开发人员可以使用MAX14819,MCU和其他一些组件来相对简单地实现IO-Link主机,但完整网关系统的详细设计可能会延迟执行。例如,真实世界的网关系统面对的感性负载需要外部瞬态电压保护和钳位二极管来吸收能量。
为帮助开发人员更快地创建这些系统,Maxim Integrated提供了MAXREFDES145八通道IO-Link网关参考设计(图6)。与板一起,参考设计包含完整的原理图和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。
Maxim Integrated MAXREFDES145参考设计图
图6:Maxim Integrated MAXREFDES145参考设计演示了完整的IO-Link兼容网关设计,使用单个STMicroelectronics STM32F405RGT6 MCU管理多个IO-Link主通道。(图片来源:Maxim Integrated)

传感器系统

虽然IO-Link主站设备面临多连接,L +电源控制和帧处理的要求,但IO-Link连接设备端的传感器和执行器对IO驱动能力,不同的稳压电源和传感器接口保护。与此同时,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收发器提供了一个有效的解决方案,提供与MAX14819类似的线路保护功能,同时满足外设系统的独特要求。
在IO-Link兼容设计中,MAX14827A可作为典型外围设备设计中使用的MCU的配套器件(见图1)。在这里,设计人员将MAX14827A连接到MCU的UART端口,与之前描述的MAX14819仅采用收发器模式相同。该收发器支持IO-Link低级物理接口要求,在MCU管理的M序列中发送和接收UART帧。
在典型的设计中,工程师可以通过设备的SPI端口访问器件的寄存器来配置和监视MAX14827A,同时使用UART接口发送和接收IO-Link帧。对于不提供单独的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的SPI和UART端口可以在MCU上共享一个串行端口,利用IO-Link周期中的空闲时间来复用单通道上的SPI和UART通信。MAX14827A的引脚模式提供了更简单的工作模式,通过管理器件引脚上的电平来控制器件的工作。
除了解决替代的基于MCU的设计特性之外,MAX14827A还通过其集成稳压器来简化外围系统设计。设计人员可以将设备提供的3.3 V和5 V稳压电源连接到功率传感器,调节电路和其他电路,而不是增加外部稳压器。当然,工程师可以绕过这些片上资源,转而使用外部监管机构。
与MAX14819主设备一样,MAX14827A收发器只需要很少的附加组件即可将基本的IO-Link功能添加到现有的基于MCU的传感器或执行器设计中。尽管如此,设计人员通常会使用附加电路(例如用于瞬态电压保护的电路)来扩充基极MAX14827A电路(图7)。为了帮助加速开发,Maxim Integrated提供了MAX14827EVKIT评估板,该板提供了一个完整的IO-Link收发器实现,用于解决TVS保护等实际设计问题。
Maxim Integrated MAX14827A的框图
图7:尽管Maxim Integrated MAX14827A提供了内置的保护功能,但开发人员通常会增加更多保护。(图片来源: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STMicroelectronics SMAJ33A)为DO,C / Q和DI线路添加瞬态电压保护。

结论

IO-Link为传感器和执行器与工厂网络的互连提供了一个标准的,强大的协议。然而,关于功耗,热管理,设计规模和性能的实际问题是希望开发IO-Link兼容系统的工程师面临的重大挑战。使用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和大量外设传感器和执行器之间完全兼容的IO-Link连接。 

(责任编辑:ioter)

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