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IO-Link技术与意法半导体
[作者 Natale Testa]   2019年12月27日 星期五 浏览人次: [2008]

如今,所有的工业制造商,无论规模大小,都在升级生产设施、制造能力和工程服务,以朝向工业4.0的概念或智慧工业转型。


有许多技术可促进这种转型,使工作环境变得更安全、网路安全性和覆盖率将更高,同时亦能提升能源使用率,这些都是新的工厂概念和趋势,将其变?现实需要巨大的投入,其中包括旧设备智慧升级改造工程(例如,使用新的变频解?方案改造旧马达,以最大限度地提升效率)。


在工业现代化改造方面,IO-Link技术在所有采用感测器的工厂应用中占有显着的地位,该技术的优势是能够让普通工业感测器(即生?线中的接近感测器或压力感测器)达到智慧化、可使热??拔连接、维修简便,还能支援多跳网路和预测性维护系统。


IO-Link联盟(IO-Link Consortium)的成员包括欧洲最大的感测器和致动器制造商以及可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)厂商。随着来自世界各地的新公司加盟,联盟的排名每月都在上升,且该组织的所有新成员都看到了加盟这项计划的好处。


作?联盟的创办者之一,意法半导体提供IO-Link主站收发器L6360和L6362A(在IO-Link术语中称?IO装置)。



图一 : 典型的工业网络
图一 : 典型的工业网络

IO-Link是什??

IO-Link是首个连接工业网路底层感测器及致动器的标准化通讯协议,其遵循IEC 61131-9国际标准,并可支援可编程控制器和相关周边装置。该技术本身的概念是,感测器或致动器与主控制器(即PLC)交换通讯数据(诊断和配置讯息),同时确保向下相容工业IO模组。


IO-Link位於工业网路体系架构的底层:PLC 控制器(或工业闸道)与位於网路架构高层的工业现场汇流排相连,可以远端传输工业网路高层的数据。


IO-Link通讯协议是什??

IO-Link是能够驱动工厂自动化环境中的数位感测器及致动器(标准IO装置)的点对点(半双工)数位通讯协议。协议具有简单易用和即??即用的特点,以避免感测器故障汰换或向下相容等问题。因此,这是一个简单之串行通讯协议,只需3条电线,而无需专用连接器及电线:IO-Link使用传统的M5、M8或M12规格的标准工业连接器,可以连接最常见的任何工业感测器。从安装工作量和成本角度看,IO-Link技术对工业网路升级的影响很小。实际上,甚至可以继续使用以前的布线安装IO-Link装置。


关於协定堆叠:按照最新的标准定义,IO-Link主站和设备收发器必须支援三种通讯速度(COM1: 4.8 kbit/s、COM2: 38.4 kbit/s、COM3: 230.4 kbit/s),而且主站收发器具备模类比和数位(8位元、12位元或16位元)两种通讯模式。在COM3通讯模式下,主站与设备之间传送一个典型的数据帧是2个字节,周期是400us。


为什?即??即用?

即??即用是将所有叁数都存储在主站,如此一来,在更换感测器时,即使是热??拔,感测器(在更好的情?下,是智慧感设器,即装置)也会接收到装置配置所需的全部资讯。主站存储的文件通常?.xml格式,包含有关感测器的所有讯息(即型号、制造商、功能等),这个文件被称?IODD(IO-Link装置描述符)。一个感测器或致动器对应一个IODD。


ST的IO-Link 晶片和解决方案

意法半导体的L6360和L6362A两款晶片可实现IO-Link主站和装置解?方案,?品特色包括应用范围广、宽输入电压、高输出电流、低耗散功率,以及高可靠性。



图二 : 主站晶片与装置晶片之间的典型连接
图二 : 主站晶片与装置晶片之间的典型连接

L6360是一个相容於PHY2(3线)的单晶片IO-Link主站介面,其支援COM1、COM2和COM3三种模式,亦支援标准IO(SIO)装置。L6360的弹性极高,输出级C/Q0输出脚位可配置?(高边、低边或推挽)。L6360透过标准I2C介面与微控制器(运行协定堆叠的微控制器)通讯,然後将透过USART(IN C/Q0脚位)接收的主微控制器数据发送到PHY2(C/Q0脚位),或者将从物理层接收到的数据发送到USART(OUT C/QI脚位)。


方块图和关键功能如图三所示。



图三 : L6360主站晶片方块图
图三 : L6360主站晶片方块图

L6362A是符合PHY2(3线连接)标准的IO-Link装置收发器晶片,支援COM1、COM2和COM3模式。这款晶片还支援标准IO (SIO)模式。输出级提供三种可选配置(高边、低边、推挽),能够驱动任何类型的负载(电阻、电容或电感),凡是24V工业感测器都可以连接到L6362A。


VCC, GND, OUTH, OUTL和I/Q脚位之间的反极性保护是这款晶片的重要功能,是工业感测器管理应用的基本要求。


下面列出了其它重要功能以及装置晶片的方块图。



图四 :  L6362A装置晶片方块图
图四 : L6362A装置晶片方块图

展示板是设计人员在开发阶段所需要的基本工具,ST?设计人员提供大量的开发工具。


STEVAL-IFP016V2主站晶片评估板以 L6360主站晶片?核心,可以透过外部连接器连接主微控制器。


STEVAL-IFP016V2处理微控制器讯号,提供24 V输出,能够展示L6360的所有功能。


板上的GND区域旨在最大程度地降低噪声并确保良好的热性能。



图五 : 具有L6360全部特性的STEVAL-IFP016V2
图五 : 具有L6360全部特性的STEVAL-IFP016V2

第二块板子是STEVAL-IFP017V3,这是一款以L6362A装置晶片?核心的评估板,其用於测试L6362A的全部功能,例如,快速退磁和反极性保护等丰富的电气保功能。使用STEVAL-IFP017V3设计专案,在无需外部元件的状况下,即可满足IEC 61000-4-4(突发),IEC 61000-4-2(ESD)和EN60947-5-2 / IEC 61000-4-5(浪涌)的要求。



图六 : 具有L6362A全部特性的STEVAL-IFP017V3
图六 : 具有L6362A全部特性的STEVAL-IFP017V3

所有这些开发板都是?充分利用这两款晶片的功能而开发设计。设计人员通常需要开发支援,甚至在应用级亦需要支援。因此,意法半导体开发了采用L6360的4埠IO-Link主站板STEVAL-IDP004V1和采用L6362A感测器装置评估套件STEVAL-IDP003V1。


STEVAL-IDP004V1板载四颗不同的L6360晶片,支援多种通讯模式:IO-Link、SIO、RS-485、USB和CAN,中央处理器是STM32F205 Cortex M3微控制器,还配备一个普通的RS232 PC介面,用於测试板子的通讯功能。



图七 : 带有四个连接埠的STEVAL-IDP004V1
图七 : 带有四个连接埠的STEVAL-IDP004V1

如图七所示,STEVAL-IDP004V1安装了四个M12连接器,可以同时连接四个不同的感测器。在我们应用方案中,用STEVAL-IDP003V1板上的L6362A晶片代表感测器。


STEVAL-IDP003V1套件可以安装在最小的常规工业感测器内(仅8 x 70 mm大小)。在套件的叁考设计板上,可以安装多达四个不同的感测器子板(接近侦测、震动侦测、加速度计和温度感测器),板上还搭载一个执行装置端协定堆叠的专用低功耗微控制器STM32L071。


The STEVAL-IDP003V1 is designed to ensure robustness against EMC and ESD stress tests. STEVAL-IDP003V1的抗扰性设计确保应用能够通过EMC和ESD应力测试。



图八 : STEVAL-IDP003V1及其四块感测器子板
图八 : STEVAL-IDP003V1及其四块感测器子板

最後,按照STM32 ODE计划,下一个开发工具将是IO-Link扩充板,又称X-Nucleo开发板,用於简化IO-Link应用的原型设计。有了这些新型电路板,IO-Link协定堆叠将运行在主STM32微控制器上,建立一个全功能的IO-Link点对点通讯通道。


(本文作者Natale Testa为意法半导体技术行销工程师)


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