IO-Link概述

什么是IO-Link
IO-Link是一種用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的數(shù)字通信協(xié)議，最早由西門子提出，現(xiàn)在已經(jīng)成為了國際標(biāo)準，旨在實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的連接和通信。它允許傳感器、執(zhí)行器和其他工業(yè)設(shè)備與控制器(如PLC等)之間進行雙向通信，以便實時傳輸數(shù)據(jù)和控制信號
IO-Link是一種串行通信協(xié)議(類似I2C總線)，是工業(yè)自動化控制器與工業(yè)執(zhí)行設(shè)備或工業(yè)傳感器之間的一種通信協(xié)議，是實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場的“最后幾英尺”技術(shù)標(biāo)準。
為什么需要lO-Link?
之所以需要IO-Link技術(shù)是因為有以下技術(shù)優(yōu)勢:
實時數(shù)據(jù)傳輸和控制:在工業(yè)自動化中，實時數(shù)據(jù)傳輸對于設(shè)備的準確控制和監(jiān)測至關(guān)重要。IO-Link技術(shù)提供了高速、可靠的數(shù)字通信通道，使傳感器和執(zhí)行器能夠快速地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，從而實現(xiàn)實時控制和監(jiān)測;
IO-Link允許雙向通信:不僅能夠從控制系統(tǒng)接收指令和配置信息，還可以將參數(shù)和狀態(tài)信息傳輸回控制系統(tǒng)。這種智能化使得設(shè)備能夠適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求和工作條件，從而提高生產(chǎn)線的靈活性;
簡化安裝和維護:IO-Link設(shè)備可以通過數(shù)字通信進行參數(shù)化和配置，這樣可以減少人工于預(yù)和錯誤，簡化了設(shè)備的安裝和維護過程。此外，IO-Link還可以傳輸診斷信息，幫助工程師快速識別和解決問題，減少停機時間;

故障診斷和預(yù)測維護:IO-Link傳輸?shù)脑\斷信息可以幫助企業(yè)進行故障診斷，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而減少生產(chǎn)中斷和損失。此外，通過監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)預(yù)測性維護，提前預(yù)防設(shè)備故障，進一步提高生產(chǎn)效率:標(biāo)準化和互操作性:IO-Link是一種國際標(biāo)準化的通信協(xié)議，不同廠家的設(shè)備都遵循相同的通信標(biāo)準，從而實現(xiàn)不同設(shè)備之間的互操作性。這使得企業(yè)可以更靈活地選擇和集成不同廠家的設(shè)備而不必擔(dān)心兼容性問題。

IO-Link的發(fā)展

I0-Link節(jié)點數(shù)量近年來呈指數(shù)級規(guī)模上升，在2017年節(jié)點數(shù)量就已經(jīng)達到了600萬

傳統(tǒng)的傳感器采集方式
傳感器的模式

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳感器有兩種:

1、模擬傳感器:通過A/D轉(zhuǎn)換把模擬傳感器的值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，通過微處理器uP讀取數(shù)字值，再通過D/A方式轉(zhuǎn)換成模擬信號傳遞給PLC，PLC通過A/D轉(zhuǎn)換器重新轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，PLC的微處理器讀取數(shù)字值，獲取傳感器信息;

2、二進制數(shù)字傳感器:在傳感器和PLC之間通過DO、DI傳遞二進制的數(shù)字電平信號。

單端口二進制數(shù)字傳感器驅(qū)動器

首先什么是傳感器驅(qū)動器?有什么功能?
傳感器驅(qū)動器 (Sensor Driver)是一種軟件或硬件組件，用于控制和操作傳感器設(shè)備，使其能夠正常工作并與其他系統(tǒng)進行通信。傳感器
驅(qū)動器的作用是將傳感器產(chǎn)生的物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，
然后將這些信號傳遞給上層應(yīng)用程序或系統(tǒng)進行處理、分析和決策。

我的理解就是最底層的傳感器與上層應(yīng)用的一層媒介，如果沒有該媒介，那么傳感器不管是采集到的數(shù)字信號還是模擬信號就只能在電路中漫無目的地傳輸，有了傳感器驅(qū)動器，底層傳感器采集到的數(shù)據(jù)就有了名字、有了方向、有了各種屬性，讓上層應(yīng)用知道這段數(shù)據(jù)來自哪里，數(shù)據(jù)代表了什么物理量等等，并發(fā)送相應(yīng)動作指令。

二進制數(shù)字傳感器、驅(qū)動器的作用:

信號適配:二進制數(shù)字傳感器可能產(chǎn)生特定的數(shù)字信號表示不同的狀態(tài)或事件，如開關(guān)狀態(tài)、按鈕按下等。傳感器驅(qū)動器將這些信號
適配為其他系統(tǒng)可以讀取和理解的電信號，如電壓等;
信號放大或衰減:有時傳感器輸出的信號可能需要放大或衰減以適應(yīng)后續(xù)電路的要求，傳感器驅(qū)動器可以實現(xiàn)信號放大或衰減，以確保精確的信號傳遞;
電氣隔離:為了隔離傳感器和其他電路之間的噪聲或干擾，傳感器驅(qū)動器可以提供電氣隔離，以確保傳感器信號的準確性和穩(wěn)定性;·信號濾波:傳感器可能受到環(huán)境噪聲的影響，傳感器驅(qū)動器可以提供濾波功能幫助消除這些噪聲，提供更可靠的信號;，邏輯轉(zhuǎn)換:一些數(shù)字傳感器的輸出信號可能需要進行邏輯轉(zhuǎn)換，例如將信號翻轉(zhuǎn)或者將多個信號進行整個。傳感器驅(qū)動器可以執(zhí)行這些邏輯轉(zhuǎn)換操作;
傳感器供電:一些數(shù)字傳感器可能需要外部供電才能正常工作，傳感器驅(qū)動器可以為傳感器提供適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源電壓;
接口兼容性:傳感器驅(qū)動器可以提供各種接口選項，以便將傳感器連接到不同類型的系統(tǒng)或設(shè)備，如模擬信號、數(shù)字信號、串行通信等。

單端口二進制數(shù)字傳感器驅(qū)動器的缺點：

1、數(shù)據(jù)傳輸是單向的讀操作，如果需要控制操作怎么辦?
2、數(shù)據(jù)只有兩個狀態(tài):0/1，如果要傳輸更多的信息怎么辦?

IO設(shè)備系統(tǒng)

IO-Link傳感器無測量值偏差

傳統(tǒng)模擬量信號(溫度、壓力...)傳輸需要經(jīng)過模擬量、數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程會有數(shù)據(jù)差異，影響數(shù)據(jù)結(jié)果精度

IO-Link連接時，測量值從傳感器以數(shù)字化方式直接傳輸?shù)娇刂破鳎@就保證了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值始終與測量值完全一致。

IO-Link連接也避免了傳統(tǒng)模擬量傳輸易受周圍電磁干擾的問題。

IO-Link網(wǎng)絡(luò)的組成

I0-Link可以用于各種終端設(shè)備:

傳感器:溫度、壓力、光電、流量..10-Link傳感器可以提供數(shù)字化的傳感器數(shù)據(jù)，支持遠程配置和監(jiān)控

執(zhí)行器:電磁閥、電機驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器...通過10-Link這些執(zhí)行器可以進行遠程控制、監(jiān)控和診斷;

模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC):通過連接數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器可以從I0-Link網(wǎng)絡(luò)中輸出模擬信號;

標(biāo)識設(shè)備:如RFID讀寫器、條碼掃描器等以實現(xiàn)物體識別和追蹤功能，

IO-Link互聯(lián)總線(統(tǒng)一接線標(biāo)準)

IO-Link連接使用以下3種不同的連接器類型

1、信號線:連接主站與Hub或I0-Link終端設(shè)備，10-Link的物理層信號發(fā)生在信號線上(標(biāo)準三芯線)。
2數(shù)據(jù)線:把主站連接到上一級控制設(shè)備上，如以太網(wǎng)設(shè)備。
3、電力線:為主站提供高電流。

LO-Link統(tǒng)一接線標(biāo)準:

。lO-Link Master只需要標(biāo)準3芯電纜即可連接所有的IO-Link設(shè)備

。數(shù)字量開關(guān)信號、模擬量信號都可以通過該3芯電纜完成與上位控制器的數(shù)據(jù)通信

。預(yù)測:未來所有的模擬量、RS232、RS485都將被I0-Link取代

IO-Link傳感器規(guī)范

IO-Link傳感器=1O-Link傳感器(帶有IO-Link接口和logo)+IODD設(shè)備描述文件+制造商聲明

IO-Link在工業(yè)互聯(lián)中的位置

信息流到網(wǎng)絡(luò)的““最后1米”

IO-Link通訊

通訊接口與數(shù)據(jù)類型

Type A和Type B有什么區(qū)別?

IO-Link的主站和從站設(shè)備之間通過物理連線進行通信，主設(shè)備與從設(shè)備通過電纜進行物理連接，其中包括電源線、數(shù)據(jù)線和信號線。傳統(tǒng)的IO傳感器/執(zhí)行器信號由豐站設(shè)備在標(biāo)準10(SI0)模式下周期性地收集。如上圖所示，Pin1-Pin4是10-Link設(shè)備之間的物理連線引腳
各引腳功能如下表所示:

數(shù)據(jù)通過Pin4引腳，以24V脈沖調(diào)制的串行UART協(xié)議進行通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型包括過程型數(shù)據(jù)，參數(shù)、診斷等服務(wù)型數(shù)據(jù)。
其實跟CANopen中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型差不多，這里的過程型數(shù)據(jù)和服務(wù)型數(shù)據(jù)就對應(yīng)的CANopen中的PDO和SDO。

IO-Link設(shè)備間的通信速率取決于所連接的IO-Link設(shè)備，有三種模式:

-4.8KBaud(COM1)
-38.4KBaud(COM2)
-230.4KBaud(COM3)

IO-Link的數(shù)據(jù)類型如下表所示:

過程數(shù)據(jù):最常見的數(shù)據(jù)類型，用于傳輸傳感器測量的實際物理量，如溫度、壓力、流量等的測量值。過程數(shù)據(jù)通常用于監(jiān)測和控制
應(yīng)用;
服務(wù)數(shù)據(jù):參教配置數(shù)據(jù)包:用于設(shè)置和配置10-Link沒備的參數(shù)，如采樣顓率、工作模式、閾值等。豐設(shè)備可以發(fā)送配置數(shù)據(jù)包來修改設(shè)備的行為和功能，
診斷數(shù)據(jù)包:用于傳輸設(shè)備的診斷信息，包括錯誤代碼、警告信息、故障狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)包可以幫助系統(tǒng)進行故障診斷和維護:
標(biāo)識數(shù)據(jù)包:用于傳輸設(shè)備的唯一標(biāo)識、生產(chǎn)信息等(放置假冒商品流通)。這些數(shù)據(jù)可以幫助系統(tǒng)識別和管理不同的設(shè)備;

狀態(tài)數(shù)據(jù)包:傳輸設(shè)備的運行狀態(tài)、運行時間(技術(shù)支持時間記錄)、告警信息、狀態(tài)變化等信息;
設(shè)備功能數(shù)據(jù)包:傳輸設(shè)備的功能和特性信息，例如支持的工作模式、數(shù)據(jù)格式等等;

標(biāo)準IO:傳輸事件觸發(fā)信號，例如設(shè)備到達某個狀態(tài)或條件時觸發(fā)的事件。

上圖展示了IO-Link主站與IO-Link從站設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的流程，從上圖可以看出10-Link相對于傳統(tǒng)的傳感器在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢，IO-Link技術(shù)的出現(xiàn)讓傳感器不僅可以采集數(shù)據(jù)上傳給上層，同時上層也可以發(fā)送數(shù)據(jù)給傳感器或執(zhí)行器。同時，數(shù)據(jù)的傳輸過程耗時很短,通常傳輸時間為2-3ms。

IO-Link設(shè)備開發(fā)與測試

IO-Link設(shè)備開發(fā)

應(yīng)用定義:
1、執(zhí)行器或傳感器功能
2、定義循環(huán)數(shù)據(jù)(過程數(shù)據(jù))
3、IO-Link設(shè)備功能(參數(shù)、事件、系統(tǒng)命令、數(shù)據(jù)存儲)
MCU選擇:
-COM2:建議8位處理器
-COM3:建議16位，如Cortex-MO或更高等級的
典型性能參數(shù):
。-6-15Mhz
。-Flash，+/-16kByte
。-RAM，+/-0.5kByte
。電流消耗，<10mA

PHY芯片選擇:
。兩種典型PHY芯片
。基本功能
。自動喚醒請求偵測WURQ Detection
。RX，TX CIQ
。TX enable
。all com speeds, Hi-side, Low-side, Push-Pull output
。集成幀處理
。SPI，I2C
。UART
。附加功能
。LDO，DC/DC converter
。Temperature sensor
。Reverse polarity protection
。RC oscillator /PLL as crystal replacementSwiching modes NPN, PNP, Push-Pull...
。Hot swap, Line protection...

PS:什么是PHY芯片?
PHY芯片全稱為物理層(PhysicalLayer)芯片，是指計算機網(wǎng)絡(luò)中用語處理物理層通信的集成電路芯片。物理層是指計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的一層，負責(zé)處理數(shù)據(jù)的物理傳輸和電信號轉(zhuǎn)換，將邏輯數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合傳輸?shù)男盘栃问剑员阍诰W(wǎng)絡(luò)中傳輸。PHY芯片通常用于連接計算機、服務(wù)器、路由器、交換機和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，起到實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路之間的物理傳輸?shù)淖饔谩?br />

PHY芯片在各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中都有應(yīng)用，其中一些常見的包括:
。以太網(wǎng)PHY芯片:用于以太網(wǎng)通信，負責(zé)將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)碾娦盘栆栽谝蕴W(wǎng)中傳輸。
。USB PHY芯片:用于USB(Universal Serial Bus)接口，負責(zé)將USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和電信號轉(zhuǎn)換
。PCie PHY芯片:用于PCIExpress接口，負責(zé)處理PCle設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸
。無線通信PHY芯片:在無線通信中，如WiFi、藍牙、移動通信等。PHY芯片負責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無線信號，以及將無線信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字數(shù)據(jù)
。光纖通信PHY芯片:用于光纖通信，負責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光信號在光纖中傳輸

一致性測試:

為什么要進行一致性測試?
一致性測試旨在驗證設(shè)備、系統(tǒng)或應(yīng)用程序是否按照I0-Link標(biāo)準正確實現(xiàn)和運行.。
。發(fā)布MD之前必須進行一致性測試
。I0-Link質(zhì)量工作組負責(zé)起草、維護
。文件詳細描述了主站、設(shè)備測試技術(shù)規(guī)范
。包含了測試用設(shè)備信息規(guī)范
。文件獲取，IO-Link官網(wǎng)
測試項目
。Physical layer test:物理層測試需要電子設(shè)備，通常手動操作

。Protocoltest:協(xié)議測試應(yīng)使用經(jīng)10-Link技術(shù)委員會批準的協(xié)議測試系統(tǒng)進行

。EMC test:EMC測試在I0-Link接口規(guī)范中有規(guī)定，可提供專用的電磁兼容測試設(shè)備

一致性測試流程

不同總線下的IO-Link配置

IO-Link與總線系統(tǒng)的關(guān)系

由上圖可以看到，10-ink并不影響系統(tǒng)總線，相反，10-Link彌補了控制器到傳感器、執(zhí)行器的"最后一公里”的歷程，和總線并不是競爭關(guān)系，而是使整個系統(tǒng)更加集成、更加規(guī)范。
。10-Link不依賴于現(xiàn)有的總線技術(shù)，可以集成到現(xiàn)有的總線技術(shù)中
。采用標(biāo)準的M12、M8接口，3芯、5芯線纜
。統(tǒng)一接口，可傳輸D1、DO、模擬量等信號
IO-Link配置總結(jié)
。IO-Link兼容主流的總線協(xié)議
。IO-Link系統(tǒng)組件簡單，易于搭建，對通訊線纜要求低
。不同總線下的配置類似，根據(jù)從站所需輸入、輸出過程數(shù)據(jù)大小即可實現(xiàn)通訊
。lO-Link通訊診斷易于實現(xiàn)!
。IO-Link通訊可以輕松獲取設(shè)備的各類數(shù)據(jù)，便于維護、監(jiān)控

IO-Link設(shè)備軟件協(xié)議棧

亞信IO-Link設(shè)備軟件協(xié)議棧是基于亞信電子AXM-IOLS IO-Link設(shè)備評估板設(shè)計的，搭載意法半導(dǎo)體STM32F469AI微控制器，并在STM32CubeIDE開發(fā)環(huán)境中進行開發(fā)。此軟件堆疊套件包括亞信IO-Link設(shè)備軟件協(xié)議棧試用庫、IO-Link傳感器驅(qū)動程序以及演示應(yīng)用程序等。亞信IO-Link設(shè)備軟件協(xié)議棧的軟件架構(gòu)，是基于意法半導(dǎo)體STEVAL-BFA001V2軟件開發(fā)套件所構(gòu)建，以集成亞信自主研發(fā)的IO-Link設(shè)備軟件協(xié)議棧庫。客戶使用亞信電子AXM-IOLS IO-Link設(shè)備評估板，在啟用后的72小時試用期限內(nèi)，除了韌體升級功能外，可以對亞信IO-Link設(shè)備軟件協(xié)議棧試用庫進行完整功能的測試評估。

特性

? 符合IO-Link接口和系統(tǒng)規(guī)范V1.1.3

? 向下相容支持IO-Link V1.0主站

? 源代碼符合ANSI-C 99標(biāo)準

? 可透過IO-Link接口進行韌體更新

? 運行模式：IO-Link模式與標(biāo)準I/O模式

? 支持ISDU通信與資料儲存

? 透過交替性緩存實現(xiàn)一致性的過程資料交換(PDE)

? 支持所有電報類型與傳輸速率：4.8Kbps (COM1)、38.4Kbps (COM2)和230.4Kbps (COM3)

? 占用空間極小：RAM小于1KB，閃存小于10KB

? 基于搭載ST L6362A IO-Link設(shè)備收發(fā)器的AXM-IOLS IO-Link設(shè)備評估板進行開發(fā)設(shè)計

產(chǎn)品應(yīng)用

IO-Link傳感器溫度/濕度/壓力/光電/影像/ToF手勢等

IO-Link致動器閥門致動器/馬達控制/智能LED燈塔等

IO-Link集線器

IO-Link閥島

審核編輯 黃宇