IO-Link概述

什么是IO-Link
IO-Link是一種用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字通信協(xié)議，最早由西門(mén)子提出，現(xiàn)在已經(jīng)成為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，旨在實(shí)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(jìn)行雙向通信，以便實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和控制信號(hào)
IO-Link是一種串行通信協(xié)議(類(lèi)似I2C總線)，是工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)的“最后幾英尺”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
為什么需要lO-Link?
之所以需要IO-Link技術(shù)是因?yàn)橛幸韵录夹g(shù)優(yōu)勢(shì):
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和控制:在工業(yè)自動(dòng)化中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于設(shè)備的準(zhǔn)確控制和監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè);
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(jiǎn)化安裝和維護(hù):IO-Link設(shè)備可以通過(guò)數(shù)字通信進(jìn)行參數(shù)化和配置，這樣可以減少人工于預(yù)和錯(cuò)誤，簡(jiǎn)化了設(shè)備的安裝和維護(hù)過(guò)程。此外，IO-Link還可以傳輸診斷信息，幫助工程師快速識(shí)別和解決問(wèn)題，減少停機(jī)時(shí)間;

故障診斷和預(yù)測(cè)維護(hù):IO-Link傳輸?shù)脑\斷信息可以幫助企業(yè)進(jìn)行故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，從而減少生產(chǎn)中斷和損失。此外，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，提前預(yù)防設(shè)備故障，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率:標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性:IO-Link是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，從而實(shí)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?fù)?dān)心兼容性問(wèn)題。

IO-Link的發(fā)展

I0-Link節(jié)點(diǎn)數(shù)量近年來(lái)呈指數(shù)級(jí)規(guī)模上升，在2017年節(jié)點(diǎn)數(shù)量就已經(jīng)達(dá)到了600萬(wàn)

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

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

單端口二進(jìn)制數(shù)字傳感器驅(qū)動(dòng)器

首先什么是傳感器驅(qū)動(dòng)器?有什么功能?
傳感器驅(qū)動(dòng)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(jìn)行通信。傳感器
驅(qū)動(dòng)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(hào)，
然后將這些信號(hào)傳遞給上層應(yīng)用程序或系統(tǒng)進(jìn)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(méi)有該媒介，那么傳感器不管是采集到的數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)就只能在電路中漫無(wú)目的地傳輸，有了傳感器驅(qū)動(dòng)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(lái)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(dòng)作指令。

二進(jìn)制數(shù)字傳感器、驅(qū)動(dòng)器的作用:

信號(hào)適配:二進(jìn)制數(shù)字傳感器可能產(chǎn)生特定的數(shù)字信號(hào)表示不同的狀態(tài)或事件，如開(kāi)關(guān)狀態(tài)、按鈕按下等。傳感器驅(qū)動(dòng)器將這些信號(hào)
適配為其他系統(tǒng)可以讀取和理解的電信號(hào)，如電壓等;
信號(hào)放大或衰減:有時(shí)傳感器輸出的信號(hào)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(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大或衰減，以確保精確的信號(hào)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(dòng)器可以提供電氣隔離，以確保傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;·信號(hào)濾波:傳感器可能受到環(huán)境噪聲的影響，傳感器驅(qū)動(dòng)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(hào);，邏輯轉(zhuǎn)換:一些數(shù)字傳感器的輸出信號(hào)可能需要進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，例如將信號(hào)翻轉(zhuǎn)或者將多個(gè)信號(hào)進(jìn)行整個(gè)。傳感器驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器可以提供各種接口選項(xiàng)，以便將傳感器連接到不同類(lèi)型的系統(tǒng)或設(shè)備，如模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、串行通信等。

單端口二進(jìn)制數(shù)字傳感器驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)：

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(gè)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(wú)測(cè)量值偏差

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

IO-Link連接時(shí)，測(cè)量值從傳感器以數(shù)字化方式直接傳輸?shù)娇刂破?，這就保證了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值始終與測(cè)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?chē)姶鸥蓴_的問(wèn)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(yuǎn)程配置和監(jiān)控

執(zhí)行器:電磁閥、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)器...通過(guò)10-Link這些執(zhí)行器可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控和診斷;

模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC):通過(guò)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(hào);

標(biāo)識(shí)設(shè)備:如RFID讀寫(xiě)器、條碼掃描器等以實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別和追蹤功能，

IO-Link互聯(lián)總線(統(tǒng)一接線標(biāo)準(zhǔn))

IO-Link連接使用以下3種不同的連接器類(lèi)型

1、信號(hào)線:連接主站與Hub或I0-Link終端設(shè)備，10-Link的物理層信號(hào)發(fā)生在信號(hào)線上(標(biāo)準(zhǔn)三芯線)。
2數(shù)據(jù)線:把主站連接到上一級(jí)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(zhǔn):

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

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

。預(yù)測(cè):未來(lái)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(lèi)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(guò)物理連線進(jìn)行通信，主設(shè)備與從設(shè)備通過(guò)電纜進(jìn)行物理連接，其中包括電源線、數(shù)據(jù)線和信號(hào)線。傳統(tǒng)的IO傳感器/執(zhí)行器信號(hào)由豐站設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)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(guò)Pin4引腳，以24V脈沖調(diào)制的串行UART協(xié)議進(jìn)行通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型包括過(guò)程型數(shù)據(jù)，參數(shù)、診斷等服務(wù)型數(shù)據(jù)。
其實(shí)跟CANopen中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型差不多，這里的過(guò)程型數(shù)據(jù)和服務(wù)型數(shù)據(jù)就對(duì)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(lèi)型如下表所示:

過(guò)程數(shù)據(jù):最常見(jiàn)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，用于傳輸傳感器測(cè)量的實(shí)際物理量，如溫度、壓力、流量等的測(cè)量值。過(guò)程數(shù)據(jù)通常用于監(jiān)測(cè)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(méi)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(lái)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(cuò)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(jìn)行故障診斷和維護(hù):
標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包:用于傳輸設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)、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(shí)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(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間(技術(shù)支持時(shí)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(zhǔn)IO:傳輸事件觸發(fā)信號(hào)，例如設(shè)備到達(dá)某個(gè)狀態(tài)或條件時(shí)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(duì)于傳統(tǒng)的傳感器在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，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(shí)上層也可以發(fā)送數(shù)據(jù)給傳感器或執(zhí)行器。同時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程耗時(shí)很短,通常傳輸時(shí)間為2-3ms。

IO-Link設(shè)備開(kāi)發(fā)與測(cè)試

IO-Link設(shè)備開(kāi)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(guò)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(chǔ))
MCU選擇:
-COM2:建議8位處理器
-COM3:建議16位，如Cortex-MO或更高等級(jí)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(dòng)喚醒請(qǐng)求偵測(cè)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(chēng)為物理層(PhysicalLayer)芯片，是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中用語(yǔ)處理物理層通信的集成電路芯片。物理層是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的一層，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的物理傳輸和電信號(hào)轉(zhuǎn)換，將邏輯數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合傳輸?shù)男盘?hào)形式，以便在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。PHY芯片通常用于連接計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、路由器、交換機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，起到實(shí)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(jiàn)的包括:
。以太網(wǎng)PHY芯片:用于以太網(wǎng)通信，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)以在以太網(wǎng)中傳輸。
。USB PHY芯片:用于USB(Universal Serial Bus)接口，負(fù)責(zé)將USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和電信號(hào)轉(zhuǎn)換
。PCie PHY芯片:用于PCIExpress接口，負(fù)責(zé)處理PCle設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸
。無(wú)線通信PHY芯片:在無(wú)線通信中，如WiFi、藍(lán)牙、移動(dòng)通信等。PHY芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)，以及將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)
。光纖通信PHY芯片:用于光纖通信，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)在光纖中傳輸

一致性測(cè)試:

為什么要進(jìn)行一致性測(cè)試?
一致性測(cè)試旨在驗(yàn)證設(shè)備、系統(tǒng)或應(yīng)用程序是否按照I0-Link標(biāo)準(zhǔn)正確實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行.。
。發(fā)布MD之前必須進(jìn)行一致性測(cè)試
。I0-Link質(zhì)量工作組負(fù)責(zé)起草、維護(hù)
。文件詳細(xì)描述了主站、設(shè)備測(cè)試技術(shù)規(guī)范
。包含了測(cè)試用設(shè)備信息規(guī)范
。文件獲取，IO-Link官網(wǎng)
測(cè)試項(xiàng)目
。Physical layer test:物理層測(cè)試需要電子設(shè)備，通常手動(dòng)操作

。Protocoltest:協(xié)議測(cè)試應(yīng)使用經(jīng)10-Link技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)的協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行

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

一致性測(cè)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(bǔ)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而是使整個(gè)系統(tǒng)更加集成、更加規(guī)范。
。10-Link不依賴(lài)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(zhǔn)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(hào)
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(jiǎn)單，易于搭建，對(duì)通訊線纜要求低
。不同總線下的配置類(lèi)似，根據(jù)從站所需輸入、輸出過(guò)程數(shù)據(jù)大小即可實(shí)現(xiàn)通訊
。lO-Link通訊診斷易于實(shí)現(xiàn)!
。IO-Link通訊可以輕松獲取設(shè)備的各類(lèi)數(shù)據(jù)，便于維護(hù)、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(píng)估板設(shè)計(jì)的，搭載意法半導(dǎo)體STM32F469AI微控制器，并在STM32CubeIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行開(kāi)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(kù)、IO-Link傳感器驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(kù)?？蛻?hù)使用亞信電子AXM-IOLS IO-Link設(shè)備評(píng)估板，在啟用后的72小時(shí)試用期限內(nèi)，除了韌體升級(jí)功能外，可以對(duì)亞信IO-Link設(shè)備軟件協(xié)議棧試用庫(kù)進(jìn)行完整功能的測(cè)試評(píng)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(zhǔn)

? 可透過(guò)IO-Link接口進(jìn)行韌體更新

? 運(yùn)行模式：IO-Link模式與標(biāo)準(zhǔn)I/O模式

? 支持ISDU通信與資料儲(chǔ)存

? 透過(guò)交替性緩存實(shí)現(xiàn)一致性的過(guò)程資料交換(PDE)

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

? 占用空間極?。篟AM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(píng)估板進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品應(yīng)用

IO-Link傳感器溫度/濕度/壓力/光電/影像/ToF手勢(shì)等

IO-Link致動(dòng)器閥門(mén)致動(dòng)器/馬達(dá)控制/智能LED燈塔等

IO-Link集線器

IO-Link閥島

審核編輯 黃宇