[工业互联-4]：工业有线互联总线之IO-Link

是全球用于与传感器和执行器通信的标准化I/O技术（IEC 61131-9），也是智能传感器的公开的开放标准。其设计理念类似于工业自动化的“ USB” 接口，旨在简化工厂车间的智能传感器和智能设备连接，是一种独立于现场总线的通信接口，它可以实现传统传感器与智能传感器的混合运行，无需串行通信配置或网络寻址，大大简化了设备的连接和集成。

IO-link基于传感器3线连接方式，是一种数字接口，无需复杂的目标寻址，即可实现点对点连接。

1.3 IO-link的主要优势

• IO-link组网强大，可以简单快速地对传感器和执行器进行组网、诊断、扩展，大大缩短调试时间

• IO-link速度很快，有4.8 k波特率、38.4 k波特率和230.4 k波特率3种通信速率。

• IO-link体积很小，能够实现“智能”传感器和执行器的小型化。

• IO-link智能通信，能够大大减少繁琐的工作，有效提升生产力

1.4 IO-Link的发展

第2章 IO-link网络的组成

2.1 概述

IO-Link网络由如下单元组成：

IO-Link主站模块（Master）
IO-Link Hubs （Hub）
IO-Link终端设备（Device）
IO-Link数模转换器
IO-Link互联总线

2.2 IO-Link主站模块（Master）

IO-Link 端口：指定用于连接 IO-Link 设备的物理终端/连接器或逻辑通道，每个通道可以汇聚多个IO-Link终端设备。

具有八个多功能主端口的紧凑型IO-Link主站模块是点对点连接终端IO-Link设备的最智能方式。

它们取代了复杂的布线和昂贵的接线盒。

将这些模块与IO-Link hubs和模拟量转换器结合起来，提高您的灵活性，同时最大限度地降低硬件成本。

2.3 IO-Link Hubs （Hub）

通过IO-Link hubs，可以轻松地使用标准的传感器线缆将多个数字传感器和执行器连接到单个IO-Link主端口。

IO-Link hubs有助于最大限度地减少机器和系统的停机时间。

单个通道诊断会自动传输到控制系统。无需配置。如果发生错误，则仅关闭Hubs的受影响通道。

2.4 IO-Link终端设备（Device）

从电源到信号灯和模拟转换器，都可以是具有内置IO-Link接口的设备。

2.5 IO-Link数模转换器

使用IO-Link模拟量转换器，您可以轻松地将模拟量传感器和执行器连接到IO-Link主站。

虽然，许多传感器和执行器是为IO-Link应用而设计的数字传感器，但传统的模拟量传感器和执行器仍需集成到安装概念中。IO-Link模拟量转换器是将IO-Link的优势整合到传统模拟量传感器中的最快、最简单、最经济的方法。它们将模拟量信号转换为IO-Link协议标准的数字信号，从而可以将各种不同类型的模拟量设备连接到IO-Link主站。

IO-Link模拟量转换器包括用于温度、电阻和单线测量的IO-Link设备，以配合更多的应用。

多功能、即插即用、精度和速度是这些设备的显著特点。

使任何传统的模拟量传感器或执行器都具备IO-Link功能。
由于使用标准的非屏蔽M12线缆进行数字通信，因此测量值传输无干扰。
快速而精确的转换，具有高达16位的高分辨率。
通过预先配置的即插即用模块，快速轻松地转换到IO-Link。
通过IO-Link和LED指示灯提供广泛的诊断选项。

2.6 IO-Link互联总线

IO-Link 连接使用以下三种不同的连接器类型：

（1）电力线：为主站提供高电流。

（2）数据线：把主站连接到上一级控制设备上，如以太网设备。

（3）信号线：连接主站与hub或终端设备，IO-Link的物理层信号主要发生在这里。通过信号线，连接IO-Link终端设备与IO-主控设备或IO-Hub设备。

备注：IO-Link wireless就是用来无线通信的方式替代这个有线通信的方式。

2.7 IO-Link在工业互联中的位置

第3章传统的传感器采集方式

3.1 传感器的模式

传统的采集传感器的方式有两种：

模拟传感器：通过A/D转换把模拟传感器的值转换成数字值，通过微处理器uP读取数字值，在再通过D/A方式，转换成模拟信号，传递给PLC, PLC通过A/D转换器，重新变成数字信号，PLC的微处理器读取数字值，获取传感器的信息。
二进制数字传感器：在传感器和PLC之间通过DO、DI传递二进制的数字电平信号（0或1）

3.2 单端口二进制数字传感器驱动器

二进制数字传感器驱动器的作用：

给传感器提供电源LDO
读取传感器的数据DI
转换成二进制输出DO
电平、电压转换
LED灯显示

缺点：

数据传输是单向的读操作，如果需要控制操作怎么办？
数据只有两个状态：0或1 ，如果要传输更多的信息怎么办？

3.3 IO设备系统

IO系统处理的是多路IO设备。

（1）双向数据：DI + DO

（2）只读数据：DI

（3）只写数据：DO

第4章主站设计

4.1 双通道IO-Link驱动器

4.2 八端口主站案例1

4.3 八端口主站案例2

8通道IO-Link主站
使用TI收发器芯片IOL111
具有PROFINET，EtherNet/IP和EtherCat接口（与主机接口）
使用IO-Link接口协议
使用IO-Link设备工具专业版

4.4 八端口主站硬件电路总体设计

IO-Link主设备与终端设备的接口：8通道
IO-Link物理层驱动器：2通道（SMAX14819）
CPU: STM32F406
电源转换：24输入-》3.3V输出
主机接口：USB转SPI
IO-Link主站能够支持多路IO-Device，具备一定的汇集功能。
IO-Link主站能够对IO-Device进行读和写，具备双向通信的能力。
IO-Link主站可以拥有一定的算法，对IO-Device补偿，具备一定的智能化能力。

4.5 IO-LINK芯片厂家提供的参考工具软件

第5章 IO-Link终端（连接传感器）设计

5.1 IO终端从设备（Slave device）硬件

5.2 从设备面临的问题

单通道双通道IO-Link
两个保护二极管
小尺寸封装
低功耗

5.3 IO-link收发器（不是驱动器）

小尺寸
低功耗
IO-LINK支持三种端口模式和数据速率
IO-LINK单个双向通道：DI+DO
IO-LINK电平转换：收发器的主要功能
微处理器接口：SPI接口、UART接口(Tx+Rx)、GPIO(LI + LO)
微处理器功能：把模拟的传感器数据，送入到GPIO端口，由收发器实现电平的转换。IO-LINK协议由微处理器软件或内部的硬件控制器完成。
电源接口
LED灯接口

5.4 IO-link从设备硬件电路

Max14827可以为传感器提供电源：3.3v or 5v

5.5 功耗与散热问题

5.6 尺寸问题

5.6 IO-Link协议栈

第6章安全性要求

6.1 EMC要求

6.2 浪涌保护电路

第7章软件协议栈

7.1 概述

IO-Link软件协议栈与硬件芯片是分离的：

硬件芯片厂家：提供支持IO-Link物理层的收发器。
软件协议栈厂家：提供IO-Link MAC层的协议栈。
开发板方案厂家：整合芯片与IO-Link协议栈。
硬件设备厂家：整合IO-Link芯片、协议栈、整机电路、整机功能。

如下图所示：

7.2 主站软件协议栈

支持所有电报类型（230kBit / s，400µs循环时间）
易于移植到多个微控制器
包括参数服务器（数据存储）
已经实现到V850，Rx，78K0R，80C164，PIC32，STM32，R32，ARM9，CORTEX M3 / M4等
支持许多主收发器
端口数量仅取决于µC资源

第8章整系统方案案例

8.1 方案提供商

8.2 Master

8.3 Valve（IO-Link从设备）

该设备把8路Valve信号转换成1路IO-Link设备。

8.4 数显设备

8.5上位机软件

第9章汇总

第10章协议规范

10.1 厂家问题

（1）IO-Link能组网吗？

IO-Link本身不能组网，IO-Link是点对点协议，只能实现传感器和控制的信息的读写。

但可以通过IO-Link master组成多路的传奇信息的汇集。再通过其他通信协议中，把IO-link master加入到网络中。

（2）参考设计问题

芯片厂家和方案提供商，都会提供如下的信息

芯片资料
参考设计
技术支持
协议栈
调试测试

（3）通信带宽

10.2 IO传感器硬件接口信号

（1）DI：传感器信号输入

（2）DO: 传感器信号输出

备注：

（3）C/Q信号：是IO-Link的双向通信的数据线

IO-Link从站设备的主要职责就是把传感器的信号转换成IO-Link的信号。

10.3 IO-Link从站设备端硬件接口

L+：电源
L-：地线
C/Q：串行输入输出信号线。

10.4 IO-Link主站控制端

24V+：电源
0v：地线
C/Q：串行输入输出信号线

第二路电源，用于给设备端提供额外的能量。

2L+：电源正极
2M：电源负极

参考：

1小时学习IO-Link，专为传感器定制的新标准_哔哩哔哩_bilibili

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