IO－Link通信從站的設(shè)計(jì)

謝倩，胡仁杰

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210096）

IO－Link是獨(dú)立于任何現(xiàn)場總線，適用于工業(yè)控制最底層的簡單傳感器和執(zhí)行器的工業(yè)通信接口。IO－Link系統(tǒng)包含IO－Link設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器）、IO－Link主站和標(biāo)準(zhǔn)傳感器用電纜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。例如，當(dāng)一個(gè)兼容Ether－Net／IP的遠(yuǎn)程IO模塊作主站時(shí)，除了標(biāo)準(zhǔn)的I／O信號(hào)，該模塊通過脈沖調(diào)制過程發(fā)送和接收配置數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)或增強(qiáng)的過程數(shù)據(jù)，然后打包到EtherNet／IP數(shù)據(jù)報(bào)文中，最后傳送給網(wǎng)絡(luò)主控站，通常是一臺(tái)PLC。上述應(yīng)用中，遠(yuǎn)程I／O與IO－Link設(shè)備的連接與傳統(tǒng)離散設(shè)備保持相同，IO－Link的優(yōu)勢主要在于更大的信息交換能力，這是以前標(biāo)準(zhǔn)I／O設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的。IO－Link的另一個(gè)好處是不依賴于任何現(xiàn)場總線，通過任何遵守IO－Link協(xié)議的I／O模塊（包括本地I／O和遠(yuǎn)程I／O），IO－Link傳感器或執(zhí)行器便可被集成到任何現(xiàn)場總線系統(tǒng)中［1－3］。

圖1 IO－Link系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 IO－Link system architecture

為了對(duì)IO－Link系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信機(jī)制以及開發(fā)應(yīng)用做進(jìn)一步研究，可設(shè)計(jì)開發(fā)IO－Link從機(jī)工具包，包括IO－Link通用開發(fā)模塊、IO－Link分析工具以及IO－Link從機(jī)協(xié)議棧。IO－Link通用開發(fā)模塊是進(jìn)行該項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，也是IO－Link主站與設(shè)備信號(hào)間的橋梁。IO－Link分析工具可以幫助開發(fā)人員和測試人員分析通訊細(xì)節(jié)，從而找出并解決問題。IO－Link從機(jī)協(xié)議棧是一個(gè)固件庫，它提供硬件抽象層和應(yīng)用程序接口，開發(fā)者可以利用它方便快速地在各種微處理器平臺(tái)上開發(fā)IO－Link從機(jī)產(chǎn)品。本文研究的IO－Link從站只針對(duì)數(shù)字（按鍵）信號(hào)輸入和數(shù)字信號(hào)輸出（指示燈），IO－Link通用開發(fā)模塊的設(shè)計(jì)只需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，使之具備處理模擬信號(hào)的能力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2是IO－Link從機(jī)工具包及演示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 IO－Link從機(jī)工具包及演示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the IO－Link slave toolkit and demonstration system

本文所使用的IO－Link主站模塊USB IOLink Master可將IO－Link設(shè)備與PC機(jī)相連，這樣可通過IO－Link Device Tool軟件配置并測試IO－Link設(shè)備或演示設(shè)備功能。IO－Link設(shè)備必須通過一個(gè)設(shè)備描述文件（IODD文件）來描述，它包括一組XML文本文件和PNG圖形文件，這些文件包含設(shè)備的識(shí)別、通信特點(diǎn)、參數(shù)、過程數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)的信息。圖2中橢圓虛線內(nèi)的部分是IO－Link三線電纜，L＋／L－是24V直流電源，C／Q為信號(hào)線，用來傳輸過程數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)等。IO－Link通用開發(fā)模塊主要由數(shù)據(jù)收發(fā)器和微處理器構(gòu)成，它可對(duì)傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行處理并將信息傳遞給IO－Link主站，也可接收并處理來自主站的數(shù)據(jù)信息，傳遞給執(zhí)行器。IO－Link分析工具可以幫助開發(fā)人員查看、記錄、分析數(shù)據(jù)，了解通訊細(xì)節(jié)，該部分設(shè)計(jì)本文不作論述。

2 IO－Link通訊模式簡介

IO－Link設(shè)備可以工作在SIO模式（標(biāo)準(zhǔn)I／O模式）或IO－Link模式（通訊模式）。上電后，設(shè)備總是工作在SIO模式。主站的端口有不同的配置方式，如果配置為SIO模式，主站把該端口視為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸入，如果配置為通訊模式，主站會(huì)自動(dòng)識(shí)別可通訊的裝置，進(jìn)行通訊。

2.1 數(shù)據(jù)類型

IO－Link通訊的3種基本數(shù)據(jù)類型為：周期性數(shù)據(jù)（或過程數(shù)據(jù)PD）、非周期性數(shù)據(jù)（或服務(wù)數(shù)據(jù)SD）、事件（Event）。

設(shè)備的過程數(shù)據(jù)（PD）以一個(gè)數(shù)據(jù)幀的形式周期性地傳輸，而服務(wù)數(shù)據(jù)（SD）只有在主站發(fā)出請(qǐng)求后才會(huì)進(jìn)行交換，圖3為典型的IO－Link報(bào)文結(jié)構(gòu)。當(dāng)事件（Event）發(fā)生時(shí)，設(shè)備的“事件標(biāo)志”置位，主站檢測到該置位后讀出報(bào)告的事件（讀取過程中不能交換服務(wù)數(shù)據(jù)），于是，污染、過熱、短路等事件或設(shè)備狀態(tài)便可通過主站傳送給PLC或可視化的軟件。

圖3 IO－Link報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig.3 IO－Link telegram structure

2.2 參數(shù)數(shù)據(jù)交換

由于服務(wù)數(shù)據(jù)（SD）必須經(jīng)由PLC請(qǐng)求才能傳送，于是定義了SPDU（服務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。在主站中，讀寫服務(wù)的請(qǐng)求編寫到SPDU并通過IO－Link接口傳送給設(shè)備。

SPDU一般結(jié)構(gòu)如圖4所示，其排列順序與傳輸順序一致。SPDU中的各元素可根據(jù)服務(wù)種類采取不同的形式。SPDU允許訪問希望進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)象，Index用于指定遠(yuǎn)程IO－Link設(shè)備上被請(qǐng)求的數(shù)據(jù)對(duì)象的地址。IO－Link中有一個(gè)名詞叫直接參數(shù)頁（direct parameter page），其中存放了最小周期時(shí)間、供應(yīng)商ID、主站命令等參數(shù)信息，直接參數(shù)頁中可訪問的數(shù)據(jù)對(duì)象可以有選擇地通過SPDU來提供。

圖4 SPDU一般結(jié)構(gòu)Fig.4 General structure of SPDU

3 IO－Link從站硬件設(shè)計(jì)

IO－Link從站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)器 HMT7742、微控制器 AT－mega328P、信號(hào)輸入輸出通道、電壓電流監(jiān)測模塊以及過流保護(hù)模塊等。

圖5 IO－Link從站結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of IO－link slavedevice

HMT7742是一款I(lǐng)O－Link從機(jī)收發(fā)器芯片，是外接傳感器或執(zhí)行器的MCU與支持IO－Link通信的24V信號(hào)線間的橋梁，當(dāng)IO－Link設(shè)備與主站相連時(shí)，主站會(huì)進(jìn)行通信初始化并與MCU交換數(shù)據(jù)，HMT7742則充當(dāng)通信的物理層。

由于MCU的輸出端口控制的3盞指示燈（額定電壓為24V）是由IO－Link電源線供電的，因此需監(jiān)測電源線上的電流，以便在電流超過某設(shè)定好的閾值后觸發(fā)適當(dāng)?shù)母胧?，如將指示燈從IO－Link電源線上切除。電流監(jiān)測模塊使用的是INA194電流檢測放大器，作為一款高測電流檢測器，INA194直接連接至電源，可檢測所有的下行故障，擁有非常高的共模抑制比以及較大的帶寬和響應(yīng)速度，可將感應(yīng)電阻上的電壓放大50倍輸出到MCU內(nèi)部電壓比較器的正向輸入端AIN0，當(dāng)AIN0的電壓值超過反向輸入端設(shè)置的閾值時(shí)，控制PB0輸出低電平，即可將指示燈LAMP從IO－Link電源線上切除，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。該部分電路如圖6所示。

圖6 電流監(jiān)測與過流保護(hù)電路Fig.6 Circuit of current detection and over－current protection

4 IO－Link從站軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于IO－Link設(shè)備通信協(xié)議棧，IOLink設(shè)備通信協(xié)議棧提供通用應(yīng)用程序接口（API函數(shù)），這為IO－Link從站開發(fā)模塊的設(shè)計(jì)提供了便利。

軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化模塊和一個(gè)與IOLink通信相關(guān)的主循環(huán)模塊，主程序流程如圖7所示。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

圖7 主流程圖Fig.7 Main program flow chart

在圖8所示的初始化程序中，棧初始化、SPDU數(shù)值初始化、直接參數(shù)頁面初始化是通過分別調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

圖8 初始化程序流程圖Fig.8 Program flow chart of initialization

圖9為主循環(huán)流程圖，每隔1ms執(zhí)行一次主循環(huán)，每過255ms觸發(fā)一次看門狗。在運(yùn)行了IO－Link從機(jī)協(xié)議棧以后，就可以檢測主站發(fā)送的有效輸出過程數(shù)據(jù)并將它傳遞給應(yīng)用模塊（3盞指示燈），并根據(jù)按鍵的狀態(tài)設(shè)置輸入過程數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給主站。另外，若發(fā)生了對(duì)直接參數(shù)頁面的寫訪問或有SPDU標(biāo)識(shí)符置位，都要運(yùn)行相應(yīng)的處理程序。

圖9 主循環(huán)流程圖Fig.9 Program flow chart of the main loop

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了圖2所示的系統(tǒng)，并通過IO－Link Device Tool軟件測試系統(tǒng)功能，圖10即為顯示過程數(shù)據(jù)和參數(shù)的界面。程序中設(shè)置過程數(shù)據(jù)為一個(gè)字節(jié)，格式如圖11所示。由圖11可知，輸入過程數(shù)據(jù)的Bit7為故障診斷位，當(dāng)IO－Link電源線上的電壓和電流均正常時(shí)，該位為0，否則置1；Bit5至Bit0分別表示6個(gè)按鍵的狀態(tài)。輸出過程數(shù)據(jù)的Bit2至Bit0分別代表3盞指示燈的狀態(tài)。

圖10 過程數(shù)據(jù)和參數(shù)顯示界面Fig.10 Display interface of process data and parameters

圖11 過程數(shù)據(jù)的格式Fig.11 Format of process data

當(dāng)電壓和電流正常時(shí)，如果沒有按鍵按下，輸入過程數(shù)據(jù)為63（0011 1111）（見圖10a），如果只有按鍵1被按下，輸入過程數(shù)據(jù)為62（0011 1110），以此類推。當(dāng)電壓或電流不在規(guī)定的范圍內(nèi)，如果沒有按鍵按下，輸入過程數(shù)據(jù)為－65（1011 1111）。若進(jìn)行圖10b所示的操作，可將獲取的按鍵狀態(tài)取反后送給主站。這樣，當(dāng)無按鍵按下且電壓電流正常時(shí)，輸入過程數(shù)據(jù)為0（0000 0000），若電壓或電流不在規(guī)定的范圍內(nèi)，輸入過程數(shù)據(jù)為－128（1000 0000）。

過程輸出數(shù)據(jù)的Bit2至Bit0可分別用來控制3盞燈的狀態(tài)，若電壓電流正常，當(dāng)輸出過程數(shù)據(jù)為1（0000 0001）時(shí)，只有指示燈1亮，當(dāng)輸出過程數(shù)據(jù)為27（0000 0111）時(shí)，3盞燈全亮。以此類推。但是當(dāng)電流超過了一定范圍，硬件電路將實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，將指示燈從IO－Link電源線上切除，此時(shí)輸出過程數(shù)據(jù)將不能控制指示燈的狀態(tài)，直到排除故障重新上電。

IO－Link從機(jī)工具包對(duì)于IO－Link系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信機(jī)制以及開發(fā)應(yīng)用的研究有著重要意義。本文設(shè)計(jì)的IO－Link從站是IO－Link主站與設(shè)備信號(hào)間的橋梁，也是IO－Link從機(jī)工具包的基礎(chǔ)和核心。本文構(gòu)建的基于IO－Link從站的演示系統(tǒng)形象地展示了IO－Link通信的特點(diǎn)與優(yōu)勢，對(duì)于了解和深入研究IO－Link通信系統(tǒng)有著重要的意義。

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［2］David W Humphrey.提升機(jī)械控制水平［J］.現(xiàn)代制造，2006，1（32）：36－37.

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［4］IO－Link Communication Specification Version 1.0［Z］.