IO-Link在工業(yè)環(huán)境中連接傳感器，執(zhí)行器和系統(tǒng)方面非常受歡迎。盡管如此，開發(fā)人員面臨著對主設備和設備收發(fā)器的更多功能，更高性能和更低功耗的需求。使用Maxim Integrated的一對器件，工程師可以滿足這些需求，

本文將研究工業(yè)傳感器網絡的要求，設計人員面臨的問題以及IO-Link如何滿足這些網絡的要求。然后，它將介紹Maxim Integrated的IO-Link解決方案，并展示如何使用它們在網絡網關系統(tǒng)和大量外圍傳感器和執(zhí)行器之間快速實現(xiàn)完全兼容的IO-Link連接。

IO -Link支持大規(guī)模傳感器部署

先進的工業(yè)系統(tǒng)在很大程度上依賴于工程師在惡劣的制造環(huán)境中部署數百甚至數千個傳感器和執(zhí)行器的能力。在轉向基于智能MCU的設備時，工程師不僅必須保持與較舊的傳統(tǒng)設備和系統(tǒng)的連接，還要解決在降低功耗方面日益增長的挑戰(zhàn)，盡管設備和系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性不斷增加。 IO-Link在這些環(huán)境中發(fā)揮了至關重要的作用，能夠保持向后兼容性，同時支持通過不同工業(yè)網絡連接的日益復雜的傳感器和執(zhí)行器。通過提供標準輸入/輸出（I/O）連接技術，IO-Link使工程師能夠輕松組合各種外圍設備和系統(tǒng)。

標準I/O接口

在工廠在此，IO-Link定義了一個標準接口，用于將工廠系統(tǒng)連接到外圍設備，包括傳感器和執(zhí)行器。 IO-Link保持傳統(tǒng)外設的24伏電源和信號傳統(tǒng)，使用其三線接口在兩條線路（L +和L-）上提供24伏電源，以及在第三條線路（C/Q）上進行串行通信。在基于處理器的系統(tǒng)中，IO-Link兼容的收發(fā)器位于IO-Link連接的任一端。它們使用IO-Link物理協(xié)議相互通信。與此同時，他們正在通過UART或SPI總線將IO-Link信號電平轉換為連接到收發(fā)器的MCU和處理器的傳統(tǒng)數字電平（圖1）。

圖1：IO-Link定義了工廠車間傳感器或執(zhí)行器系統(tǒng)與連接這些外圍設備的網關系統(tǒng)之間的點對點連接接口設備到工廠網絡。 （使用Digi-Key Scheme-it?創(chuàng)建的圖像）

雖然IO-Link收發(fā)器支持IO-Link規(guī)范的較低物理層，但附加的MCU或處理器通常使用簡單的消息傳遞協(xié)議管理IO-Link的更高級功能。每個IO-Link事務都發(fā)生在一個消息序列（M序列）中，該消息序列以來自主設備的命令消息開始，并以來自連接設備的響應消息結束。在M序列中，主設備和設備消息都包含一系列包含由IO-Link規(guī)范定義的數據或字節(jié)命令的UART幀，并且具有取決于設備，主設備和應用的時序（圖2）。

圖2：IO-Link指定一個簡單的消息傳遞序列（M序列），其中主機將命令作為一系列UART幀發(fā)送到外圍設備并從設備接收響應。 （圖像來源：Maxim Integrated）

IO-Link定義了各種功能，旨在確保在惡劣環(huán)境中可靠通信。它允許收發(fā)器在持續(xù)不成功的嘗試中重試發(fā)送具有最終定義的故障模式的幀。 IO-Link還指定外圍設備在標準I/O設備描述（IODD）塊中存儲自身信息的方法，并從IO-Link主站提供有關命令的信息。 IO-Link主站可以使用此設備配置信息來設置周期時間和數據速率，同時仍然可以回退到較慢的速度（如果需要），以保持可靠的通信。

雖然IO-Link提供了廣泛的優(yōu)勢，超出本文范圍的功能，工業(yè)自動化開發(fā)人員要求更多。在最基本的層面上，傳感器和其他外圍設備的數量和功能的持續(xù)增長對IO-Link連接的兩端都提出了很高的要求。 IO-Link主站需要更高級的功能，可以高效，安全地為更先進的外圍設備提供L +電源。

在外圍，IO-Link收發(fā)器面臨基于MCU的系統(tǒng)簡化設計的要求。對于主設備和設備收發(fā)器，開發(fā)人員需要最大限度地降低功耗以降低熱負載，因為更先進的網關系統(tǒng)轉向無風扇設計，以降低功耗，消除噪音并簡化工廠車間的維護。 Maxim Integrated的一對器件通過簡單，低功耗的解決方案滿足這些不斷擴展的需求，以實現(xiàn)IO-Link接口。

高效網關

Maxim Integrated MAX14819主收發(fā)器提供單一用于創(chuàng)建IO-Link網關系統(tǒng)的芯片解決方案。該器件旨在簡化IO-Link接口設計，通過獨立的L +電源控制器和專用于每個通道的幀處理器完全支持兩個IO-Link通道。該器件具有廣泛的功能，通常僅消耗1.9毫安（mA），如果開發(fā)人員使用外部降壓穩(wěn)壓器（如Maxim Integrated MAX15062A）代替MAX14819收發(fā)器的內部5 V穩(wěn)壓器，則功耗更低。由于該器件的集成功能，開發(fā)人員只需通過SPI和UART接口將MAX14819連接到MCU，并添加一些組件以提供完全兼容的低功耗IO-Link網關（圖3）。

圖3：開發(fā)人員可以使用MCU，Maxim Integrated MAX14819以及少量其他組件來實現(xiàn)IO-Link主站。 （圖像來源：Maxim Integrated）

雖然元件數量很少，但最好添加隔離器，例如Maxim Integrated的MAX12930 Opto隔離器和MAX12931數字隔離器。

如前所述， IO-Link標準規(guī)定了L +/L-電源線，也稱為傳感器電源。這些通過最長20米（m）的電纜提供，不需要根據標準進行屏蔽。為確保惡劣環(huán)境下的安全性和可靠性，MAX14819傳感器電源控制器提供可設置的電流限制，反向電流阻斷和反極性保護功能。

將G1x連接到低RDS（ON）MOSFET的柵極例如安森美半導體NTTFS5116PL，該器件可以控制相應通道的傳感器電源的外部反向電流阻斷，而不會增加顯著的熱負載。 G2x處的類似MOSFET將電流驅動至相應的A或B傳感器電源通道。位于SN1x和SN2x之間的傳感器電阻設置該傳感器電源通道的電流限制。除了這些基本保護功能外，MAX14819還允許開發(fā)人員設置器件的配置寄存器，以設置每個傳感器電源的開啟時間，限流消隱時間和自動重試延遲等優(yōu)化參數。

幫助確保MAX14819集成了CQx線路上的信號完整性，結合了自動保護功能和可設置功能，開發(fā)人員可以使用器件的配置寄存器進行編程。例如，使用配置寄存器，設計人員可以將CQx電流限制設置為不同的值，范圍從100 mA到500 mA，以及設置消隱時間。如果過流條件持續(xù)時間超過消隱時間，則器件可以產生中斷并進入重試模式，具體取決于寄存器設置。

然而，在網關設計中，IO-Link主設備的要求會延長超出支持各個傳感器的IO-Link供電和信號要求所需的那些。為了滿足對更多IO-Link通道的需求，在執(zhí)行滿足IO-Link要求所需的數據鏈路層操作時，主機處理器可能會不堪重負。相反，設計人員可以使用MAX14819的集成幀處理器來緩解這種情況。

幀處理器

MAX14819通過集成的幀處理器補充了對外設側傳感器電源和CQ保護的支持。卸載主處理器，提供對IO-Link M序列的時間關鍵控制。 MAX14819獨立工作，使開發(fā)人員能夠以400微秒（μs）的速度實現(xiàn)IO-Link周期時間，對主處理器的影響最小。

幀處理在IO-Link中起著重要作用消息協(xié)議。為了執(zhí)行典型的M序列事務，設計人員通過共享SPI總線將來自主處理器的主消息加載到MAX14819 FIFO緩沖器中，可以是突發(fā)或一系列字節(jié)寫入。 MAX14819通過CQx以相應的幀序列發(fā)送消息，并立即將CQx信道切換到接收模式，等待設備響應消息。收到后，MAX14819將器件消息加載到接收緩沖區(qū)并切換RXRDYBx，它也可以作為中斷通知主機（圖4）。反過來，主機使用SPI總線讀取接收緩沖區(qū)，自動復位RXRDYBx線。

圖4：Maxim Integrated MAX14819的集成幀處理器簡化了IO-Link事務，只需向MAX14819發(fā)送SPI寫操作即可啟動IO-Link周期和SPI讀取以在發(fā)生數據就緒中斷時訪問結果。 （圖像源：Maxim Integrated）

在IO-Link系統(tǒng)中，主機通過在啟動序列期間讀取IODD來自動確定最小循環(huán)時間（或覆蓋這些值以滿足特定應用的循環(huán)時間要求） ）。在一個周期內，如果在預期的tM序列時間段內未收到器件消息，工程師可以將MAX14819配置為產生故障 - 這是IO-Link規(guī)范的要求。但實際上，IO-Link設備可能需要比IO-Link標準tM序列時間段更長的時間，標準定義時間段是主設備和設備消息長度以及幀間間隔的函數（再次參見圖2） ）。

MAX14819允許開發(fā)人員在器件產生表示接收錯誤的RxERR中斷之前調整允許的延遲。雖然這種方法不同于IO-Link標準的嚴格定義，但它解決了在實際環(huán)境中有時會遇到的問題。

MAX14819支持以下解決實際應用問題的靈活性。各種系統(tǒng)設計方法。如前所述（再次參見圖3），開發(fā)人員可以依靠MAX14819的集成功能快速實現(xiàn)IO-Link主設計。

但是，如果需要，開發(fā)人員可以將MAX14819簡單地用作IO -Link收發(fā)器，將MAX14819的TXENx，TXx和RXx引腳連接到處理器的相應UART端口。在此模式下，所有通信都通過UART端口，繞過MAX14819的幀處理程序，直接通過緩沖區(qū)移至其CQx（A和B）端口（圖5）。

圖5：Maxim Integrated MAX14819擴展了傳統(tǒng)的IO-Link收發(fā)器功能，集成了L +電源控制器和幀處理器，能夠卸載數據鏈路處理來自主處理器。 （圖像來源：Maxim Integrated）

對于典型的IO-Link網關設計，設計人員更有可能利用MAX14819完整的IO-Link功能。為了滿足對更多通道不斷增長的需求，設計人員通常會在單個系統(tǒng)中組合多個主控器。 MAX14819提供一對SPI芯片地址引腳，允許設計人員在同一SPI總線上組合四個MAX14819器件。每個器件都監(jiān)視任何讀/寫周期中包含的SPI地址，并響應具有匹配地址的命令。

雖然開發(fā)人員可以使用MAX14819，MCU和一些額外的器件相對輕松地實現(xiàn)IO-Link主機組件，完整網關系統(tǒng)的詳細設計可能會增加實施的延遲。例如，真實世界的網關系統(tǒng)面臨需要外部瞬態(tài)電壓保護和鉗位二極管吸收能量的感性負載。

為了幫助開發(fā)人員更快地創(chuàng)建這些系統(tǒng)，Maxim Integrated提供MAXREFDES145八通道IO-鏈路網關參考設計（圖6）。與電路板一起，參考設計包括完整的原理圖和BOM，為開發(fā)人員提供即時設計解決方案或自定義實現(xiàn)的基礎。

圖6：Maxim Integrated MAXREFDES145參考設計演示了完整的IO-Link兼容網關設計，該設計使用單個STMicroelectronics STM32F405RGT6 MCU來管理多個IO -Link主通道。 （圖像來源：Maxim Integrated）

傳感器系統(tǒng)

雖然IO-Link主設備在設備端面臨多個連接，L +電源控制和幀處理，傳感器和執(zhí)行器的要求IO-Link連接帶來了對IO驅動能力，不同穩(wěn)壓電源和傳感器接口保護的額外要求。同時，這些外圍設備中使用的MCU通常提供足夠的處理能力來處理IO-Link數據鏈路層操作，以實現(xiàn)與網關的單一連接。對于這些傳感器/執(zhí)行器設計，Maxim Integrated MAX14827A收發(fā)器提供有效的解決方案，提供與MAX14819類似的線路保護功能，同時滿足外圍系統(tǒng)的獨特要求。

在IO-Link兼容設計中， MAX14827A作為配套器件與典型外圍器件設計中使用的MCU配合使用（再次參見圖1）。在這里，設計人員將MAX14827A連接到MCU的UART端口，其方式與前面介紹的MAX14819在僅收發(fā)器模式下的使用方式相同。收發(fā)器支持IO-Link低級物理接口要求，以MCU管理的M序列發(fā)送和接收UART幀。

在典型設計中，工程師通過訪問MAX14827A來配置和監(jiān)控MAX14827A。器件通過器件的SPI端口進行寄存，同時使用UART接口發(fā)送和接收IO-Link幀。對于不提供單獨SPI和UART端口的簡單MCU，此并行操作模式將不可用。對于這些情況，MAX14827A提供了其他方法。在多路復用模式下，MAX14827A SPI和UART端口可以共享MCU上的單個串行端口，利用IO-Link周期中的空閑周期來復用單通道上的SPI和UART通信。 MAX14827A的引腳模式提供更簡單的工作模式，通過管理器件引腳上的電平來控制器件工作。

除了解決基于MCU的替代設計功能外，MAX14827A還通過其集成的穩(wěn)壓器幫助簡化外圍系統(tǒng)設計。設計人員不需要為功率傳感器，調理電路和其他電路添加外部穩(wěn)壓器，而是可以連接到器件提供的穩(wěn)壓3.3伏和5伏電源軌。當然，工程師可以繞過這些片上源，轉而采用外部穩(wěn)壓器。

與MAX14819主器件一樣，MAX14827A收發(fā)器只需要很少的額外元件即可為現(xiàn)有的MCU增加基本的IO-Link功能 - 基于傳感器或執(zhí)行器設計。盡管如此，設計人員通常會使用額外的電路（例如瞬態(tài)電壓保護電路）來增加基極MAX14827A電路（圖7）。為了加速開發(fā)速度，Maxim Integrated提供MAX14827EVKIT評估板，該評估板提供完整的IO-Link收發(fā)器實現(xiàn)，可滿足TVS保護等實際設計考慮。

圖7：雖然Maxim Integrated MAX14827A提供內置保護功能，但開發(fā)人員通常會添加更多保護。 （圖像源：Maxim Integrated）

為了安全起見，設計人員應使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管（如瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管）為DO，C/Q和DI線路添加瞬態(tài)電壓保護。 STMicroelectronics SMAJ33A。

結論

IO-Link提供標準，強大的協(xié)議，用于將傳感器和執(zhí)行器與工廠網絡互連。然而，對于尋求開發(fā)符合IO-Link標準的系統(tǒng)的工程師而言，對功耗，熱管理，設計規(guī)模和性能的實際關注對于工程師來說是一項重大挑戰(zhàn)。利用Maxim Integrated MAX14819主收發(fā)器和MAX14827A器件收發(fā)器，工程師可以快速實現(xiàn)網絡網關系統(tǒng)與大量外圍傳感器和執(zhí)行器之間完全兼容的IO-Link連接。