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IO-Link器件及其应用知多少？

发布时间：2023/2/16 14:13:25

随着工业4.0的兴起，人们对可重设置的双向数据交互的智能传感器/执行器的需求显著上升。为此，自动化领域的许多zhi名厂商一起开发了独立于现场总线的传感器和执行器的通信标准：IO-Link，这是一种相对较新的工业传感器标准，目前已呈现出迅速增长态势。据IO-Link相关组织预测，截至当前，行业使用支持IO-Link标准的节点已超过2700万个，而这个数字仍在不断攀升。

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图1.IO-Link nodes增长趋势 

（图源IO-Link.com）


IO-Link技术定义了用于将传感器和执行器连接到主站单元的接口标准，其遵守的规范和标准是IO-Link Interface and System Specification（V1.1.1 or V1.1.2以及zui新的V1.1.3）和IEC 61131-9标准。


IO-Link系统是IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）之间的数字点对点连接，IO-Link通信独立于所使用的Fieldbus。此外，IO-Link还可以通过IO-Link Hub在系统中连接没有IO-Link输入输出的设备（遵守IEC 61131-2的sensor or Actuator）。

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图2.IO-Link系统应用概述


IO-Link Master可以有两种工作模式，分别是IO-Link mode和SIO mode，其可以在任何端口单独设置，每个端口只能连接一个IO-Link Device。通信总是从IO-Link Master的Wake-up pulse（80μs）开始，后跟测试消息（Type_0的M序列），等待IO-Link Device的响应信息。在SIO mode下，传感器/执行器的工作方式与传统的传感器/执行器类似，测量值和开关状态通过数字量与传感器/执行器通信；在IO-Link mode下，确定通信速率和zui小周期时间（Cycle time）后建立通信（Master支持4.8Kbit/s、38.4Kbit/s、230.4Kbit/s三种波特率，Device仅支持其中一种波特率），通过一系列消息（M序列）交换数据，可以选择不同的M序列类型（Type_1_x/Type_2_x）来满足IO-Link Device的特定需求（扫描速率、过程数据量等）。每个IO-Link Device的属性、功能和参数都在IO-Link设备描述文件（IODD）中表示。


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图3.IO-Link接口物理层定义

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图4.Master与Device建立通信的过程


注：Master发送唤醒电流脉冲（WURQ）后，接着发送（COM1、COM2、COM3不同传输速率）测试消息，直到获得Device响应，通信建立。

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图5.IO-Link消息序列（M序列）


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ADI的IO-Link相关产品和方案

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技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Tony Wang介绍了当前ADI可用于设计IO-Link Master和IO-Link Device（Sensor、Actuator和Hub）的相关芯片级设计参考方案。下图为IO-Link系统中相关产品的设计参考框图。


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图6.IO-Link系统ADI芯片级应用框图



IO-Link Master设计



Tony表示，大多数IO-Link Master设计中主要包括四种组件：一是用于处理数据的微控制器，在使用IO-Link Master的情况下，也运行协议栈；二是用于物理层的IO-Link Master收发器；三是用于现场总线通信的工业以太网控制器；四是电源，以及用于提供浪涌保护的TVS、ESD等。


另外IO-Link Master设计的主要挑战包括散热（Heat）、鲁棒性（Robustness）、驱动能力（Drive capability）、软件（Software）。



ADI在IO-Link Master设计中的优势



IO-Link Master收发器：

MAX14819/MAX14819A介绍

ADI的MAX14819/MAX14819A是低功耗、双通道的IO-Link主站收发器。该收发器包括两个辅助数字输入（DI）通道，完全符合zui新的IO-Link和二进制输入标准和测试规范，遵守IEC 61131-2、IEC 61131-9和IO-Link 1.1.3标准。


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图7.MAX14819/MAX14819A（集成Framers and L%2B Supply Controllers）功能框图




MAX14819与MAX14819A的特色和优点:

  • CQ_ DRIVER的1Ω（typ）导通电阻，减少25%的能量消耗

  • 两个通道共1.9mA（typ）的供电电流

  • 集成了L%2B Supply Controllers，具有大容性负载充电能力和2A或者更高的负载电流

  • 集成了Frame Handler，减少了对MCU的UART需求

  • 每个通道自带Cycle Timer，减少对MCUjing确定时器的需求

  • 通过逻辑地址输入A1和A0，在一个SPI总线上允许zui多四个MAX14819/MAX14819A

  • CQ_ DRIVER可独立配置为push-pull、NPN、PNP模式输出，可选电流范围从100mA到500mA

  • 65Vjue对zui大额定值，在其关键引脚上（VCC，CQA，CQB，DIA，DIB， L%2BA，L%2BB，SN1A，SN1B）

  • -40?C至%2B125?C的工作温度范围

  • MAX14819与MAX14819A的不同点：

  • MAX14819A具有Device Message Response Time Checking功能（tA，参考图5）

  • MAX14819A比MAX14819具有更高的L%2B阈值

  • MAX14819A接收器比MAX14819具有更高的高频信号隔离能力

ADI合作的3家IO-Link协议栈公司，可以为终端设计客户提供更多的IO-Link协议栈开发选择。

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图8.ADI合作的3家IO-Link协议栈公司

ADI还提供多种评估板资源，方便终端客户评估与学习。

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图9.ADI评估板资源



IO-Link Hub设计



大多数IO-Link Hub设计中主要包括四种组件：一是用于处理数据的微控制器，在使用IO-Link Hub的情况下，也运行协议栈；二是用于物理层的IO-Link Device收发器；三是用于连接传感器/执行器的高边/低边输出开关，输入开关等；四是电源，以及用于提供浪涌保护的TVS、ESD等；


IO-Link Hub设计的主要挑战同样包括散热（Heat）、鲁棒性（Robustness）、驱动能力（Drive capability）、软件（Software）。




ADI在IO-Link Hub设计中的优势



 IO-Link Hub收发器：

MAX14827A/MAX14828介绍

MAX14827A集成了工业传感器中常见的高压功能，包括驱动器和调节器。MAX14827A具有两个主动反极性保护的超低功耗驱动器，可工作于正常的24V供电电压至60V。

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图10.MAX14827A功能框图




MAX14827A的特色和优点:

  • 非常低的功率损耗（2.3Ω/2.7Ω（typ）导通电阻）

  • 集成了LDO和LED驱动器

  • 热插拔电源保护

  • 具有主动反向极性保护功能的驱动器

  • 65Vjue对zui大额定值

  • MAX14828与MAX14827A的Pin和软件兼容

注：MAX14827A-Dual Driver；MAX14828-Single Driver；MAX14829- Pin Controlled，Dual Driver。



IO-Link Hub收发器：


MAX22513/MAX22514介绍

MAX22513是双通道低功耗IO-Link Device收发器，内部具有高效的DC-DC降压稳压器和两个内部线性稳压器，以及集成的浪涌保护器件，非常鲁棒性的通信。MAX22513具有低导通电阻驱动器（C/Q和DO/DI），可选择的驱动器电流限制和过流保护，以减少传感器应用中的功耗。

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图11.MAX22513功能框图




MAX22513的特色和优点:

  • 集成了高效的DC-DC降压调节器（可输出2.5到16V@300mA）

  • 集成了?1kV/500Ω的浪涌保护功能

  • 非常低的功率损耗（2.1Ω/2.3Ω（typ）导通电阻）

  • 集成了LDO和LED驱动器

  • 集成了jing确的振荡器

  • 热插拔和主动反向极性保护功能

  • 65Vjue对zui大额定值

注：MAX22513-Dual Driver；MAX22514- Single Driver；MAX22515- Dual Driver（no DC-DC）。



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图12.IO-Link Device收发器散热对比


IO-Link Hub高边输出开关：
MAX14915/MAX14916/MAX14917介绍

MAX14917有8个高边输出开关，每个通道提供高达700mA（min）的连续电流。MAX14917有一个SPI接口，可以菊花链连接，允许与多片MAX14917共用一个SPI总线。两个看门狗定时器提供了对主设备连接的额外安全检查。MAX14917具有4 x 4 LED交叉矩阵，可提供每个通道状态的视觉指示。

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图13.MAX14917功能框图


注：MAX14917不具备诊断功能，MAX14915/MAX14916具备诊断功能。MAX14917只在菊花链配置中与MAX14915兼容。




MAX14917的特色和优点:

  • 65Vjue对zui大供电范围和集成了1KV的浪涌保护功能

  • jing确的输出电流（0.7A，min）

  • 在125℃时250mΩ（max）导通电阻

  • 过热保护功能

  • 紧凑的6mm x 6mm QFN封装



IO-Link Hub低边输出开关：
MAX14919/ MAX14919A介绍

图片图14.MAX14919/MAX14919A功能框图




MAX14919/MAX14919A的特色和优点:

  • 165Vjue对zui大供电范围和集成了1KV的浪涌保护功能

  • 电阻设置jing确的电流限制（100mA到800mA）

  • 在125℃时300mΩ （max）导通电阻

  • 过热保护和反向电流保护功能

  • 紧凑的6.5mm x 6.5mm 20-TSSOP或者4mm x 5mm 20-TQFN封装


为了满足将来的需求，数据透明度和通信必须一致延伸至比控制层更深的层次。那么如何在自动化系统中充分利用智能传感器和执行器？答案是采用开放式通信标准的IO-Link。


同时，随着所采用的执行器和传感器变得越来越智能，也更需要开放的IO-Link通信标准发挥作用，使传感器/执行器层直至自动化层都保持较高数据透明度。

ADI的IO-Link相关产品和解决方案，让客户可以快速、便捷的去评估自动化系统性能，Excelpoint世健还可以提供相关技术支持和指导，深入支持客户完成整个IO-Link相关产品的设计开发，帮助客户缩短产品开发周期。



有奖问答

你对哪些ADI IO-Link器件比较感兴趣？它可以有哪些应用？图片

参与方式

1）即日起至2月19日（周日）晚24点，点击下方链接进入 “Excelpoint世健”公众号原文后进行留言互动。

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【有奖问答】IO-Link——直至zui后一米的连续通信

2）合格的留言将以提交时间先后被移入精选；

*温馨提示：若答案抄袭自原文将被视为不合格答案，不移入精选，提供虚假信息者、抄袭别人的答案者不予颁奖。

3）世健员工不可获奖

4）世健将审核并挑选zui精彩的5条留言，送出面值100元的京东E卡。

领奖方式

1）世健将于2月21日（周二）在公众号公布获奖名单，并以留言回复方式通知获奖者，请获奖者提供个人信息；

2）世健将根据中奖者所填写信息，在2个工作日内将京东E卡的卡号和卡密通过邮件发送给中奖者；

3）如获奖者3个工作日内未回复正确的个人信息给世健，则视为放弃领奖；

4）本次活动zui终解释权为Excelpoint世健所有。


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世健也有自己的视频号啦~


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关于世健

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世健拥有超过35年历史，业务扩展至亚太区的49个城市和地区，目前在中国拥有十多家分公司和办事处。凭借zhuan业的研发团队、ding尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有ling先地位。


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