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IO-Link技術與意法半導體

發(fā)布時間:2019-11-18 責任編輯:wenwei

【導讀】如今,所有的工業(yè)制造商,無論規(guī)模大小,都在升級生產(chǎn)設施、制造能力和工程服務,向工業(yè)4.0概念或智能工業(yè)轉(zhuǎn)型。
 
目前有許多技術可以促進這種轉(zhuǎn)型,使工作環(huán)境變得更安全,網(wǎng)絡安全性和覆蓋率更高,提高能源利用率,這些是新工廠概念的熱點趨勢,將其變?yōu)楝F(xiàn)實需要巨大的投入,其中包括舊設備智能升級改造工程(例如,使用新的變頻解決方案改造舊電機,最大限度地提高能效)。
 
在工業(yè)現(xiàn)代化改造方面,IO-Link技術在所有的基于傳感器的工廠級應用中占有顯著的地位,該技術的優(yōu)勢是能夠讓普通工業(yè)傳感器(即生產(chǎn)線中的接近傳感器或壓力傳感器)實現(xiàn)智能化,熱插拔連接,更換簡便,支持多跳網(wǎng)絡和預測性維護系統(tǒng)。
 
IO-Link聯(lián)盟的成員包括歐洲最大的傳感器和執(zhí)行器制造商以及可編程邏輯控制器(PLC)廠商,隨著來自世界各地的新公司加盟,聯(lián)盟的排名每月都在上升,并且該組織的所有新成員都看到了加盟這項計劃的好處。
 
作為聯(lián)盟的創(chuàng)辦者??之一,意法半導體提供IO-Link主站收發(fā)器L6360和設備收發(fā)器L6362A(在IO-Link術語中稱為IO設備)。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖1 –典型的工業(yè)網(wǎng)絡
 
IO-Link是什么?
 
IO-Link是首個連接工業(yè)網(wǎng)絡底層傳感器及執(zhí)行器的標準化通信協(xié)議,遵從IEC 61131-9國際標準,可編程控制器和相關外圍設備是該標準的基本內(nèi)容。該技術本身的概念是,傳感器或執(zhí)行器與主控制器(即PLC)交換通信數(shù)據(jù)(診斷和配置信息),同時確保向下兼容工業(yè)IO模塊。
 
IO-Link位于工業(yè)網(wǎng)絡體系架構的底層:PLC控制器(或工業(yè)網(wǎng)關)與位于網(wǎng)絡架構高層的工業(yè)現(xiàn)場總線相連,可以遠程傳輸工業(yè)網(wǎng)絡高層的數(shù)據(jù)信息。
 
IO-Link通信協(xié)議是什么?
 
IO-Link是能夠驅(qū)動工廠自動化環(huán)境中的數(shù)字傳感器及執(zhí)行器(標準IO設備)的點對點(半雙工)數(shù)字通信協(xié)議。協(xié)議具有簡單易用和即插即用的特點,以防故障傳感器更換或向下兼容問題。因此,這是一個簡單的串行通信協(xié)議,只需3根線,無需專用連接器及電纜:IO-Link使用傳統(tǒng)的M5、M8或M12規(guī)格的標準工業(yè)連接器,可以連接最常見的任何工業(yè)傳感器。從安裝工作量和成本角度看,IO-Link技術對工業(yè)網(wǎng)絡升級的影響很小。實際上,甚至可以繼續(xù)使用以前的布線基礎設施安裝IO-Link設備。
 
關于協(xié)議棧:按照最新的標準定義,IO-Link主站和設備收發(fā)器必須支持三種通信速度(COM1: 4.8 kbit/s、COM2: 38.4 kbit/s、COM3: 230.4 kbit/s),并且主站收發(fā)器具有模擬和數(shù)字(8位、12位或16位)兩種通信模式。在COM3通信模式下,主站與設備之間傳送一個典型的數(shù)據(jù)幀是2個字節(jié),周期是400μs。
 
為什么可以即插即用?
 
即插即用的實現(xiàn)方式是將所有參數(shù)都存儲在主站,這樣,在更換傳感器時,即使是熱插拔,傳感器(在更好的情況下,是智能傳感器,即設備)也會接收到設備配置所需的全部信息。主站存儲的文件通常為.xml格式,包含有關傳感器的所有信息(即型號、制造商、功能等),這個文件被稱為IODD(IO-Link設備描述符)。一個傳感器或執(zhí)行器對應一個IODD。
 
ST的IO-Link 芯片和解決方案
 
意法半導體的L6360和L6362A兩款芯片可實現(xiàn)IO-Link主站和設備解決方案,產(chǎn)品特性包括應用范圍廣,寬輸入電壓,高輸出電流,低耗散功率,高可靠性。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖2 –主站芯片與設備芯片之間的典型連接
 
L6360是一個兼容PHY2(3線)的單片IO-Link主站端口,支持COM1、COM2和COM3三種模式,還支持標準IO(SIO)設備。L6360的靈活性極高,輸出級C/Q0輸出引腳可配置為(高邊、低邊或推挽)。L6360通過標準I2C接口與微控制器(運行協(xié)議棧的微控制器)通信,然后將通過USART(IN C/Q0引腳)接收的主微控制器數(shù)據(jù)發(fā)送到PHY2(C/Q0引腳),或者將從物理層接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到USART(OUT C/QI引腳)。
 
框圖和關鍵功能如下圖所示。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖3 – L6360主站芯片框圖
 
L6360的主要功能特性
 
● 電源電壓18 V-32.5 V
● 可配置輸出級:高端、低端或推挽式(<2Ω)
● 高邊驅(qū)動器L +引腳保護電流高達500 mA
● 支持COM1、COM2和COM3模式
● IEC61131-2 type 1附加輸入
● 通過限流和設置截止電流實現(xiàn)短路和過流輸出保護
● 3.3 V / 5 V、50 mA線性穩(wěn)壓器
● 5 mA IO-Link數(shù)字輸入
● 通過I2C接口快速模式控制、配置和診斷芯片
● 用于診斷功能的雙LED序列發(fā)生器和驅(qū)動器
● 5 V和3.3 V兼容I / O引腳
● 過壓保護(> 36 V)
● 過熱保護
● 靜電防護
● 小型VFQFPN 26L(3.5 x 5 x 1 mm)封裝
 
L6362A是符合PHY2(3線連接)標準的IO-Link設備收發(fā)器芯片,支持COM1、COM2和COM3模式。這款芯片還支持標準IO (SIO)模式。輸出級提供三種可選配置(??高邊、低邊、推挽),能夠驅(qū)動任何類型的負載(電阻、電容或電感),凡是24V工業(yè)傳感器都可以連接到L6362A。
 
VCC, GND, OUTH, OUTL和I/Q引腳之間的反極性保護是這款芯片的重要功能,是工業(yè)傳感器管理應用的基本要求。
 
下面列出了其它重要功能以及設備芯片的框圖。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖4 – L6362A設備芯片框圖
 
L6362A的主要功能特性
 
● 功率級能效極高
(1) RDSON =0.8Ω/1Ω(低邊/高邊)
(2)輸出電流高達300 mA
(3)模式:高邊、低邊、推挽
(4)驅(qū)動達500mJ /30μF的感性/容性/電阻負載
● 5 V或3.3 V可選10 mA線性穩(wěn)壓器
● 支持COM1、COM2和COM3模式
● 支持喚醒檢測
● 全面保護,包括反極性、過壓/欠壓、過載、過熱…
● 高EMC抗擾性(突發(fā)、浪涌,ESD等)
● -40 至 +125 °C工作溫度
● 小型DFN 3 x 3 mm封裝
 
ST為設計人員提供大量的開發(fā)工具,下面從芯片評估板開始介紹。
 
首先是STEVAL-IFP016V2主站芯片評估板,這塊板子以 L6360主站芯片為核心,可以通過外部連接器連接主微控制器。
 
STEVAL-IFP016V2處理微控制器信號,提供24 V輸出,能夠演示L6360的所有功能。
 
板上的GND區(qū)域旨在最大程度地降低噪聲并確保良好的熱性能。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖5 –具有L6360全部特性的STEVAL-IFP016V2
 
第二塊板子是STEVAL-IFP017V3,這是一款以L6362A設備芯片為核心的評估板,用于測試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設計項目,無需外部組件即可滿足IEC 61000-4-4(突發(fā)),IEC 61000-4-2(ESD)和EN60947-5-2 / IEC 61000-4-5(浪涌)的要求。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖6 –具有L6362A全部特性的STEVAL-IFP017V3
 
所有這些開發(fā)板都是為充分利用這兩款芯片的功能而開發(fā)設計。設計人員通常需要開發(fā)支持,甚至在應用級也需要支持。因此,意法半導體開發(fā)了基于L6360的4端口IO-Link主站板STEVAL-IDP004V1和和基于L6362A的傳感器設備評估套件STEVAL-IDP003V1。
 
STEVAL-IDP004V1板載四顆不同的L6360芯片,支持多種通信模式: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接口,用于測試板子的通信功能。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖7 –帶有四個連接端口的STEVAL-IDP004V1
 
如圖7所示,STEVAL-IDP004V1安裝了四個M12連接器,可以同時連接四個不同的傳感器。在我們應用方案中,用STEVAL-IDP003V1板上的L6362A芯片代表傳感器。
 
STEVAL-IDP003V1套件可以安裝在最小的常規(guī)工業(yè)傳感器內(nèi)(僅8 x 70 mm大?。?。在套件的參考設計板上,可以安裝多達四個不同的傳感器子板(接近檢測、振動檢測、加速度計和溫度傳感器),板上還搭載一個運行設備端協(xié)議棧的專用低功耗微控制器STM32L071。
 
STEVAL-IDP003V1的抗擾性設計保證應用通過EMC和ESD應力測試。
 
IO-Link技術與意法半導體
圖8 – STEVAL-IDP003V1及其四塊傳感器子板
 
最后,按照STM32 ODE計劃,下一個開發(fā)工具將是IO-Link擴展板,又稱X-Nucleo開發(fā)板,用于簡化IO-Link應用的原型設計。有了這些新電路板,IO-Link協(xié)議棧將運行在主STM32微控制器上,建立一個全功能的IO-Link點對點通信通道。
 
 
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