背景與基礎

隨著工業4.0的興起，人們對可重設置的雙向數據交互的智能傳感器/執行器的需求顯著上升。為此，自動化領域的許多知名廠商一起開發了獨立于現場總線的傳感器和執行器的通信標準：IO-Link，這是一種相對較新的工業傳感器標準，目前已呈現出迅速增長態勢。據IO-Link相關組織預測，截至當前，行業使用支持IO-Link標準的節點已超過2700萬個，而這個數字仍在不斷攀升。

圖1 IO-Link nodes增長趨勢 （圖源IO-Link.com）

IO-Link技術定義了用于將傳感器和執行器連接到主站單元的接口標準，其遵守的規范和標準是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系統是IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）之間的數字點對點連接，IO-Link通信獨立于所使用的Fieldbus。此外，IO-Link還可以通過IO-Link Hub在系統中連接沒有IO-Link輸入輸出的設備（遵守IEC 61131-2的sensor or Actuator）。

圖2 IO-Link系統應用概述

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的響應信息。在SIO mode下，傳感器/執行器的工作方式與傳統的傳感器/執行器類似，測量值和開關狀態通過數字量與傳感器/執行器通信；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）交換數據，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、過程數據量等）。每個IO-Link Device的屬性、功能和參數都在IO-Link設備描述文件（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發送喚醒電流脈沖（WURQ）后，接著發送（COM1、COM2、COM3不同傳輸速率）測試消息，直到獲得Device響應，通信建立。

圖5 O-Link 消息序列（M序列）

ADI的IO-Link相關產品和方案

技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Tony Wang介紹了當前ADI可用于設計IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）的相關芯片級設計參考方案。下圖為IO-Link系統中相關產品的設計參考框圖。

圖6 IO-Link系統ADI芯片級應用框圖

1、IO-Link Master設計

Tony表示，大多數IO-Link Master設計中主要包括四種組件：一是用于處理數據的微控制器，在使用IO-Link Master的情況下，也運行協議棧；二是用于物理層的IO-Link Master收發器；三是用于現場總線通信的工業以太網控制器；四是電源，以及用于提供浪涌保護的TVS、ESD等。

另外IO-Link Master設計的主要挑戰包括散熱（Heat）、魯棒性（Robustness）、驅動能力（Drive capability）、軟件（Software）。

2、ADI在IO-Link Master設計中的優勢

IO-Link Master收發器：MAX14819/MAX14819A介紹

ADI的MAX14819/MAX14819A是低功耗、雙通道的IO-Link主站收發器。該收發器包括兩個輔助數字輸入（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的特色和優點:

●  CQ_ DRIVER的1Ω（typ）導通電阻，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協議棧公司，可以為終端設計客戶提供更多的IO-Link協議棧開發選擇。

圖8 ADI合作的3家IO-Link協議棧公司

ADI還提供多種評估板資源，方便終端客戶評估與學習。

圖9 ADI評估板資源

3、IO-Link Hub設計

大多數IO-Link Hub設計中主要包括四種組件：一是用于處理數據的微控制器，在使用IO-Link Hub的情況下，也運行協議棧；二是用于物理層的IO-Link Device收發器；三是用于連接傳感器/執行器的高邊/低邊輸出開關，輸入開關等；四是電源，以及用于提供浪涌保護的TVS、ESD等。

IO-Link Hub設計的主要挑戰同樣包括散熱（Heat）、魯棒性（Robustness）、驅動能力（Drive capability）、軟件（Software）。

4、ADI在IO-Link Hub設計中的優勢

IO-Link Hub收發器：MAX14827A/MAX14828介紹

MAX14827A集成了工業傳感器中常見的高壓功能，包括驅動器和調節器。MAX14827A具有兩個主動反極性保護的超低功耗驅動器，可工作于正常的24V供電電壓至60V。

圖10 MAX14827A功能框圖

MAX14827A的特色和優點:

●  非常低的功率損耗（2.3Ω/2.7Ω（typ）導通電阻）

●  集成了LDO和LED驅動器

●  熱插拔電源保護

●  具有主動反向極性保護功能的驅動器

●  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收發器：MAX22513/MAX22514介紹

MAX22513是雙通道低功耗IO-Link Device收發器，內部具有高效的DC-DC降壓穩壓器和兩個內部線性穩壓器，以及集成的浪涌保護器件，非常魯棒性的通信。MAX22513具有低導通電阻驅動器（C/Q和DO/DI），可選擇的驅動器電流限制和過流保護，以減少傳感器應用中的功耗。

圖11 MAX22513功能框圖

MAX22513的特色和優點:

●  集成了高效的DC-DC降壓調節器（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）導通電阻）

●  集成了LDO和LED驅動器

●  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收發器散熱對比

IO-Link Hub高邊輸出開關：MAX14915/MAX14916/MAX14917介紹

MAX14917有8個高邊輸出開關，每個通道提供高達700mA（min）的連續電流。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：MAX14919/ MAX14919A介紹

圖14 MAX14919/MAX14919A功能框圖

MAX14919/MAX14919A的特色和優點:

●  165V絕對最大供電范圍和集成了1KV的浪涌保護功能

●  電阻設置精確的電流限制（100mA到800mA）

●  在125℃時300mΩ （max）導通電阻

●  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，數據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中充分利用智能傳感器和執行器？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通信標準發揮作用，使傳感器/執行器層直至自動化層都保持較高數據透明度。ADI的IO-Link相關產品和解決方案，讓客戶可以快速、便捷的去評估自動化系統性能，Excelpoint世健還可以提供相關技術支持和指導，深入支持客戶完成整個IO-Link相關產品的設計開發，幫助客戶縮短產品開發周期。