初识IO-Link及IO-Link设备软件协议栈

IO-Link概述

什么是IO-Link
IO-Link是一种用于工业自动化领域的数字通信协议，最早由西门子提出，现在已经成为了国际标准，旨在实现工业设备和控制系统之间的连接和通信。它允许传感器、执行器和其他工业设备与控制器(如PLC等)之间进行双向通信，以便实时传输数据和控制信号
IO-Link是一种串行通信协议(类似I2C总线)，是工业自动化控制器与工业执行设备或工业传感器之间的一种通信协议，是实现通信网络到现场的“最后几英尺”技术标准。
为什么需要lO-Link?
之所以需要IO-Link技术是因为有以下技术优势:
实时数据传输和控制:在工业自动化中，实时数据传输对于设备的准确控制和监测至关重要。IO-Link技术提供了高速、可靠的数字通信通道，使传感器和执行器能够快速地将数据传输到控制系统，从而实现实时控制和监测;
IO-Link允许双向通信:不仅能够从控制系统接收指令和配置信息，还可以将参数和状态信息传输回控制系统。这种智能化使得设备能够适应不同的生产需求和工作条件，从而提高生产线的灵活性;
简化安装和维护:IO-Link设备可以通过数字通信进行参数化和配置，这样可以减少人工于预和错误，简化了设备的安装和维护过程。此外，IO-Link还可以传输诊断信息，帮助工程师快速识别和解决问题，减少停机时间;

故障诊断和预测维护:IO-Link传输的诊断信息可以帮助企业进行故障诊断，及时发现和解决问题，从而减少生产中断和损失。此外，通过监测设备的状态和性能数据，可以实现预测性维护，提前预防设备故障，进一步提高生产效率:标准化和互操作性:IO-Link是一种国际标准化的通信协议，不同厂家的设备都遵循相同的通信标准，从而实现不同设备之间的互操作性。这使得企业可以更灵活地选择和集成不同厂家的设备而不必担心兼容性问题。

IO-Link的发展

I0-Link节点数量近年来呈指数级规模上升，在2017年节点数量就已经达到了600万

传统的传感器采集方式
传感器的模式

传统的数据采集传感器有两种:

1、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，再通过D/A方式转换成模拟信号传递给PLC，PLC通过A/D转换器重新转换成数字信号，PLC的微处理器读取数字值，获取传感器信息;

2、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。
 

单端口二进制数字传感器驱动器

首先什么是传感器驱动器?有什么功能?
传感器驱动器 (Sensor Driver)是一种软件或硬件组件，用于控制和操作传感器设备，使其能够正常工作并与其他系统进行通信。传感器
驱动器的作用是将传感器产生的物理量转换为数字信号，
然后将这些信号传递给上层应用程序或系统进行处理、分析和决策。

我的理解就是最底层的传感器与上层应用的一层媒介，如果没有该媒介，那么传感器不管是采集到的数字信号还是模拟信号就只能在电路中漫无目的地传输，有了传感器驱动器，底层传感器采集到的数据就有了名字、有了方向、有了各种属性，让上层应用知道这段数据来自哪里，数据代表了什么物理量等等，并发送相应动作指令。

二进制数字传感器、驱动器的作用:

信号适配:二进制数字传感器可能产生特定的数字信号表示不同的状态或事件，如开关状态、按钮按下等。传感器驱动器将这些信号
适配为其他系统可以读取和理解的电信号，如电压等;
信号放大或衰减:有时传感器输出的信号可能需要放大或衰减以适应后续电路的要求，传感器驱动器可以实现信号放大或衰减，以确保精确的信号传递;
电气隔离:为了隔离传感器和其他电路之间的噪声或干扰，传感器驱动器可以提供电气隔离，以确保传感器信号的准确性和稳定性;·信号滤波:传感器可能受到环境噪声的影响，传感器驱动器可以提供滤波功能帮助消除这些噪声，提供更可靠的信号;，逻辑转换:一些数字传感器的输出信号可能需要进行逻辑转换，例如将信号翻转或者将多个信号进行整个。传感器驱动器可以执行这些逻辑转换操作;
传感器供电:一些数字传感器可能需要外部供电才能正常工作，传感器驱动器可以为传感器提供适当的电源电压;
接口兼容性:传感器驱动器可以提供各种接口选项，以便将传感器连接到不同类型的系统或设备，如模拟信号、数字信号、串行通信等。

单端口二进制数字传感器驱动器的缺点：

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

IO设备系统

IO-Link传感器无测量值偏差

传统模拟量信号(温度、压力...)传输需要经过模拟量、数字量的相互转化，转化过程会有数据差异，影响数据结果精度

IO-Link连接时，测量值从传感器以数字化方式直接传输到控制器，这就保证了传输的数据值始终与测量值完全一致。

IO-Link连接也避免了传统模拟量传输易受周围电磁干扰的问题。

IO-Link网络的组成

I0-Link可以用于各种终端设备:

传感器:温度、压力、光电、流量..10-Link传感器可以提供数字化的传感器数据，支持远程配置和监控

执行器:电磁阀、电机驱动器、伺服驱动器...通过10-Link这些执行器可以进行远程控制、监控和诊断;

模拟-数字转换器(ADC/DAC):通过连接数字-模拟转换器可以从I0-Link网络中输出模拟信号;

标识设备:如RFID读写器、条码扫描器等以实现物体识别和追踪功能，

IO-Link互联总线(统一接线标准)

IO-Link连接使用以下3种不同的连接器类型

1、信号线:连接主站与Hub或I0-Link终端设备，10-Link的物理层信号发生在信号线上(标准三芯线)。
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、电力线:为主站提供高电流。

LO-Link统一接线标准:

。lO-Link Master只需要标准3芯电缆即可连接所有的IO-Link设备

。数字量开关信号、模拟量信号都可以通过该3芯电缆完成与上位控制器的数据通信

。预测:未来所有的模拟量、RS232、RS485都将被I0-Link取代

IO-Link传感器规范

IO-Link传感器=1O-Link传感器(带有IO-Link接口和logo)+IODD设备描述文件+制造商声明

IO-Link在工业互联中的位置

信息流到网络的““最后1米”

 

 

IO-Link通讯

通讯接口与数据类型

Type A和Type B有什么区别?

IO-Link的主站和从站设备之间通过物理连线进行通信，主设备与从设备通过电缆进行物理连接，其中包括电源线、数据线和信号线。传统的IO传感器/执行器信号由丰站设备在标准10(SI0)模式下周期性地收集。如上图所示，Pin1-Pin4是10-Link设备之间的物理连线引脚
各引脚功能如下表所示:

数据通过Pin4引脚，以24V脉冲调制的串行UART协议进行通信，传输的数据类型包括过程型数据，参数、诊断等服务型数据。
其实跟CANopen中传输的数据类型差不多，这里的过程型数据和服务型数据就对应的CANopen中的PDO和SDO。

IO-Link设备间的通信速率取决于所连接的IO-Link设备，有三种模式:

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

IO-Link的数据类型如下表所示:

过程数据:最常见的数据类型，用于传输传感器测量的实际物理量，如温度、压力、流量等的测量值。过程数据通常用于监测和控制
应用;
服务数据:参教配置数据包:用于设置和配置10-Link没备的参数，如采样颛率、工作模式、阈值等。丰设备可以发送配置数据包来修改设备的行为和功能，
诊断数据包:用于传输设备的诊断信息，包括错误代码、警告信息、故障状态等。这些数据包可以帮助系统进行故障诊断和维护:
标识数据包:用于传输设备的唯一标识、生产信息等(放置假冒商品流通)。这些数据可以帮助系统识别和管理不同的设备;

状态数据包:传输设备的运行状态、运行时间(技术支持时间记录)、告警信息、状态变化等信息;
设备功能数据包:传输设备的功能和特性信息，例如支持的工作模式、数据格式等等;

标准IO:传输事件触发信号，例如设备到达某个状态或条件时触发的事件。

上图展示了IO-Link主站与IO-Link从站设备之间传输数据的流程，从上图可以看出10-Link相对于传统的传感器在数据传输方面的优势，IO-Link技术的出现让传感器不仅可以采集数据上传给上层，同时上层也可以发送数据给传感器或执行器。同时，数据的传输过程耗时很短,通常传输时间为2-3ms。

IO-Link设备开发与测试

IO-Link设备开发

应用定义:
1、执行器或传感器功能
2、定义循环数据(过程数据)
3、IO-Link设备功能(参数、事件、系统命令、数据存储)
MCU选择:
-COM2:建议8位处理器
-COM3:建议16位，如Cortex-MO或更高等级的
典型性能参数:
。-6-15Mhz
。-Flash，+/-16kByte
。-RAM，+/-0.5kByte
。电流消耗，<10mA

PHY芯片选择:
。两种典型PHY芯片
      。基本功能
             。自动唤醒请求侦测WURQ Detection
             。RX，TX CIQ
             。TX enable
             。all com speeds, Hi-side, Low-side, Push-Pull output
      。集成帧处理
             。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芯片全称为物理层(PhysicalLayer)芯片，是指计算机网络中用语处理物理层通信的集成电路芯片。物理层是指计算机网络体系结构中的一层，负责处理数据的物理传输和电信号转换，将逻辑数据转化为适合传输的信号形式，以便在网络中传输。PHY芯片通常用于连接计算机、服务器、路由器、交换机和其他网络设备，起到实现数据链路之间的物理传输的作用。
 

PHY芯片在各种网络协议中都有应用，其中一些常见的包括:
   。以太网PHY芯片:用于以太网通信，负责将数据帧转化为适当的电信号以在以太网中传输。
   。USB PHY芯片:用于USB(Universal Serial Bus)接口，负责将USB设备的数据传输和电信号转换
   。PCie PHY芯片:用于PCIExpress接口，负责处理PCle设备之间的高速数据传输
   。无线通信PHY芯片:在无线通信中，如WiFi、蓝牙、移动通信等。PHY芯片负责将数据转化为无线信号，以及将无线信号转化为数字数据
   。光纤通信PHY芯片:用于光纤通信，负责将数据转化为光信号在光纤中传输

一致性测试:

为什么要进行一致性测试?
一致性测试旨在验证设备、系统或应用程序是否按照I0-Link标准正确实现和运行.。
。发布MD之前必须进行一致性测试
。I0-Link质量工作组负责起草、维护
。文件详细描述了主站、设备测试技术规范
。包含了测试用设备信息规范
。文件获取，IO-Link官网
测试项目
。Physical layer test:物理层测试需要电子设备，通常手动操作

。Protocoltest:协议测试应使用经10-Link技术委员会批准的协议测试系统进行

。EMC test:EMC测试在I0-Link接口规范中有规定，可提供专用的电磁兼容测试设备

一致性测试流程

不同总线下的IO-Link配置

IO-Link与总线系统的关系

由上图可以看到，10-ink并不影响系统总线，相反，10-Link弥补了控制器到传感器、执行器的"最后一公里”的历程，和总线并不是竞争关系，而是使整个系统更加集成、更加规范。
   。10-Link不依赖于现有的总线技术，可以集成到现有的总线技术中
   。采用标准的M12、M8接口，3芯、5芯线缆
   。统一接口，可传输D1、DO、模拟量等信号
IO-Link配置总结
   。IO-Link兼容主流的总线协议
   。IO-Link系统组件简单，易于搭建，对通讯线缆要求低
   。不同总线下的配置类似，根据从站所需输入、输出过程数据大小即可实现通讯
   。lO-Link通讯诊断易于实现!
   。IO-Link通讯可以轻松获取设备的各类数据，便于维护、监控

IO-Link设备软件协议栈

亚信IO-Link设备软件协议栈是基于亚信电子AXM-IOLS IO-Link设备评估板设计的，搭载意法半导体STM32F469AI微控制器，并在STM32CubeIDE开发环境中进行开发。此软件堆叠套件包括亚信IO-Link设备软件协议栈试用库、IO-Link传感器驱动程序以及演示应用程序等。亚信IO-Link设备软件协议栈的软件架构，是基于意法半导体STEVAL-BFA001V2软件开发套件所构建，以集成亚信自主研发的IO-Link设备软件协议栈库。客户使用亚信电子AXM-IOLS IO-Link设备评估板，在启用后的72小时试用期限内，除了韧体升级功能外，可以对亚信IO-Link设备软件协议栈试用库进行完整功能的测试评估。

特性

• 符合IO-Link接口和系统规范V1.1.3

• 向下相容支持IO-Link V1.0主站

• 源代码符合ANSI-C 99标准

• 可透过IO-Link接口进行韧体更新

• 运行模式：IO-Link模式与标准I/O模式

• 支持ISDU通信与资料储存

• 透过交替性缓存实现一致性的过程资料交换(PDE)

• 支持所有电报类型与传输速率：4.8Kbps (COM1)、38.4Kbps (COM2)和230.4Kbps (COM3)

• 占用空间极小：RAM小于1KB，闪存小于10KB

• 基于搭载ST L6362A IO-Link设备收发器的AXM-IOLS IO-Link设备评估板进行开发设计

产品应用

IO-Link传感器温度/湿度/压力/光电/影像/ToF手势等

IO-Link致动器阀门致动器/马达控制/智能LED灯塔等

IO-Link集线器

IO-Link阀岛

审核编辑 黄宇