IO-Link概述

什么是IO-Link
IO-Link是一種用于工業自動化領域的數字通信協議，最早由西門子提出，現在已經成為了國際標準，旨在實現工業設備和控制系統之間的連接和通信。它允許傳感器、執行器和其他工業設備與控制器(如PLC等)之間進行雙向通信，以便實時傳輸數據和控制信號
IO-Link是一種串行通信協議(類似I2C總線)，是工業自動化控制器與工業執行設備或工業傳感器之間的一種通信協議，是實現通信網絡到現場的“最后幾英尺”技術標準。
為什么需要lO-Link?
之所以需要IO-Link技術是因為有以下技術優勢:
實時數據傳輸和控制:在工業自動化中，實時數據傳輸對于設備的準確控制和監測至關重要。IO-Link技術提供了高速、可靠的數字通信通道，使傳感器和執行器能夠快速地將數據傳輸到控制系統，從而實現實時控制和監測;
IO-Link允許雙向通信:不僅能夠從控制系統接收指令和配置信息，還可以將參數和狀態信息傳輸回控制系統。這種智能化使得設備能夠適應不同的生產需求和工作條件，從而提高生產線的靈活性;
簡化安裝和維護:IO-Link設備可以通過數字通信進行參數化和配置，這樣可以減少人工于預和錯誤，簡化了設備的安裝和維護過程。此外，IO-Link還可以傳輸診斷信息，幫助工程師快速識別和解決問題，減少停機時間;

故障診斷和預測維護:IO-Link傳輸的診斷信息可以幫助企業進行故障診斷，及時發現和解決問題，從而減少生產中斷和損失。此外，通過監測設備的狀態和性能數據，可以實現預測性維護，提前預防設備故障，進一步提高生產效率:標準化和互操作性:IO-Link是一種國際標準化的通信協議，不同廠家的設備都遵循相同的通信標準，從而實現不同設備之間的互操作性。這使得企業可以更靈活地選擇和集成不同廠家的設備而不必擔心兼容性問題。

IO-Link的發展

I0-Link節點數量近年來呈指數級規模上升，在2017年節點數量就已經達到了600萬

傳統的傳感器采集方式
傳感器的模式

傳統的數據采集傳感器有兩種:

1、模擬傳感器:通過A/D轉換把模擬傳感器的值轉換成數字值，通過微處理器uP讀取數字值，再通過D/A方式轉換成模擬信號傳遞給PLC，PLC通過A/D轉換器重新轉換成數字信號，PLC的微處理器讀取數字值，獲取傳感器信息;

2、二進制數字傳感器:在傳感器和PLC之間通過DO、DI傳遞二進制的數字電平信號。

單端口二進制數字傳感器驅動器

首先什么是傳感器驅動器?有什么功能?
傳感器驅動器 (Sensor Driver)是一種軟件或硬件組件，用于控制和操作傳感器設備，使其能夠正常工作并與其他系統進行通信。傳感器
驅動器的作用是將傳感器產生的物理量轉換為數字信號，
然后將這些信號傳遞給上層應用程序或系統進行處理、分析和決策。

我的理解就是最底層的傳感器與上層應用的一層媒介，如果沒有該媒介，那么傳感器不管是采集到的數字信號還是模擬信號就只能在電路中漫無目的地傳輸，有了傳感器驅動器，底層傳感器采集到的數據就有了名字、有了方向、有了各種屬性，讓上層應用知道這段數據來自哪里，數據代表了什么物理量等等，并發送相應動作指令。

二進制數字傳感器、驅動器的作用:

信號適配:二進制數字傳感器可能產生特定的數字信號表示不同的狀態或事件，如開關狀態、按鈕按下等。傳感器驅動器將這些信號
適配為其他系統可以讀取和理解的電信號，如電壓等;
信號放大或衰減:有時傳感器輸出的信號可能需要放大或衰減以適應后續電路的要求，傳感器驅動器可以實現信號放大或衰減，以確保精確的信號傳遞;
電氣隔離:為了隔離傳感器和其他電路之間的噪聲或干擾，傳感器驅動器可以提供電氣隔離，以確保傳感器信號的準確性和穩定性;·信號濾波:傳感器可能受到環境噪聲的影響，傳感器驅動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;，邏輯轉換:一些數字傳感器的輸出信號可能需要進行邏輯轉換，例如將信號翻轉或者將多個信號進行整個。傳感器驅動器可以執行這些邏輯轉換操作;
傳感器供電:一些數字傳感器可能需要外部供電才能正常工作，傳感器驅動器可以為傳感器提供適當的電源電壓;
接口兼容性:傳感器驅動器可以提供各種接口選項，以便將傳感器連接到不同類型的系統或設備，如模擬信號、數字信號、串行通信等。

單端口二進制數字傳感器驅動器的缺點：

1、數據傳輸是單向的讀操作，如果需要控制操作怎么辦?
2、數據只有兩個狀態:0/1，如果要傳輸更多的信息怎么辦?

IO設備系統

IO-Link傳感器無測量值偏差

傳統模擬量信號(溫度、壓力...)傳輸需要經過模擬量、數字量的相互轉化，轉化過程會有數據差異，影響數據結果精度

IO-Link連接時，測量值從傳感器以數字化方式直接傳輸到控制器，這就保證了傳輸的數據值始終與測量值完全一致。

IO-Link連接也避免了傳統模擬量傳輸易受周圍電磁干擾的問題。

IO-Link網絡的組成

I0-Link可以用于各種終端設備:

傳感器:溫度、壓力、光電、流量..10-Link傳感器可以提供數字化的傳感器數據，支持遠程配置和監控

執行器:電磁閥、電機驅動器、伺服驅動器...通過10-Link這些執行器可以進行遠程控制、監控和診斷;

模擬-數字轉換器(ADC/DAC):通過連接數字-模擬轉換器可以從I0-Link網絡中輸出模擬信號;

標識設備:如RFID讀寫器、條碼掃描器等以實現物體識別和追蹤功能，

IO-Link互聯總線(統一接線標準)

IO-Link連接使用以下3種不同的連接器類型

1、信號線:連接主站與Hub或I0-Link終端設備，10-Link的物理層信號發生在信號線上(標準三芯線)。
2數據線:把主站連接到上一級控制設備上，如以太網設備。
3、電力線:為主站提供高電流。

LO-Link統一接線標準:

。lO-Link Master只需要標準3芯電纜即可連接所有的IO-Link設備

。數字量開關信號、模擬量信號都可以通過該3芯電纜完成與上位控制器的數據通信

。預測:未來所有的模擬量、RS232、RS485都將被I0-Link取代

IO-Link傳感器規范

IO-Link傳感器=1O-Link傳感器(帶有IO-Link接口和logo)+IODD設備描述文件+制造商聲明

IO-Link在工業互聯中的位置

信息流到網絡的““最后1米”

IO-Link通訊

通訊接口與數據類型

Type A和Type B有什么區別?

IO-Link的主站和從站設備之間通過物理連線進行通信，主設備與從設備通過電纜進行物理連接，其中包括電源線、數據線和信號線。傳統的IO傳感器/執行器信號由豐站設備在標準10(SI0)模式下周期性地收集。如上圖所示，Pin1-Pin4是10-Link設備之間的物理連線引腳
各引腳功能如下表所示:

數據通過Pin4引腳，以24V脈沖調制的串行UART協議進行通信，傳輸的數據類型包括過程型數據，參數、診斷等服務型數據。
其實跟CANopen中傳輸的數據類型差不多，這里的過程型數據和服務型數據就對應的CANopen中的PDO和SDO。

IO-Link設備間的通信速率取決于所連接的IO-Link設備，有三種模式:

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

IO-Link的數據類型如下表所示:

過程數據:最常見的數據類型，用于傳輸傳感器測量的實際物理量，如溫度、壓力、流量等的測量值。過程數據通常用于監測和控制
應用;
服務數據:參教配置數據包:用于設置和配置10-Link沒備的參數，如采樣顓率、工作模式、閾值等。豐設備可以發送配置數據包來修改設備的行為和功能，
診斷數據包:用于傳輸設備的診斷信息，包括錯誤代碼、警告信息、故障狀態等。這些數據包可以幫助系統進行故障診斷和維護:
標識數據包:用于傳輸設備的唯一標識、生產信息等(放置假冒商品流通)。這些數據可以幫助系統識別和管理不同的設備;

狀態數據包:傳輸設備的運行狀態、運行時間(技術支持時間記錄)、告警信息、狀態變化等信息;
設備功能數據包:傳輸設備的功能和特性信息，例如支持的工作模式、數據格式等等;

標準IO:傳輸事件觸發信號，例如設備到達某個狀態或條件時觸發的事件。

上圖展示了IO-Link主站與IO-Link從站設備之間傳輸數據的流程，從上圖可以看出10-Link相對于傳統的傳感器在數據傳輸方面的優勢，IO-Link技術的出現讓傳感器不僅可以采集數據上傳給上層，同時上層也可以發送數據給傳感器或執行器。同時，數據的傳輸過程耗時很短,通常傳輸時間為2-3ms。

IO-Link設備開發與測試

IO-Link設備開發

應用定義:
1、執行器或傳感器功能
2、定義循環數據(過程數據)
3、IO-Link設備功能(參數、事件、系統命令、數據存儲)
MCU選擇:
-COM2:建議8位處理器
-COM3:建議16位，如Cortex-MO或更高等級的
典型性能參數:
。-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
。自動喚醒請求偵測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芯片全稱為物理層(PhysicalLayer)芯片，是指計算機網絡中用語處理物理層通信的集成電路芯片。物理層是指計算機網絡體系結構中的一層，負責處理數據的物理傳輸和電信號轉換，將邏輯數據轉化為適合傳輸的信號形式，以便在網絡中傳輸。PHY芯片通常用于連接計算機、服務器、路由器、交換機和其他網絡設備，起到實現數據鏈路之間的物理傳輸的作用。

PHY芯片在各種網絡協議中都有應用，其中一些常見的包括:
。以太網PHY芯片:用于以太網通信，負責將數據幀轉化為適當的電信號以在以太網中傳輸。
。USB PHY芯片:用于USB(Universal Serial Bus)接口，負責將USB設備的數據傳輸和電信號轉換
。PCie PHY芯片:用于PCIExpress接口，負責處理PCle設備之間的高速數據傳輸
。無線通信PHY芯片:在無線通信中，如WiFi、藍牙、移動通信等。PHY芯片負責將數據轉化為無線信號，以及將無線信號轉化為數字數據
。光纖通信PHY芯片:用于光纖通信，負責將數據轉化為光信號在光纖中傳輸

一致性測試:

為什么要進行一致性測試?
一致性測試旨在驗證設備、系統或應用程序是否按照I0-Link標準正確實現和運行.。
。發布MD之前必須進行一致性測試
。I0-Link質量工作組負責起草、維護
。文件詳細描述了主站、設備測試技術規范
。包含了測試用設備信息規范
。文件獲取，IO-Link官網
測試項目
。Physical layer test:物理層測試需要電子設備，通常手動操作

。Protocoltest:協議測試應使用經10-Link技術委員會批準的協議測試系統進行

。EMC test:EMC測試在I0-Link接口規范中有規定，可提供專用的電磁兼容測試設備

一致性測試流程

不同總線下的IO-Link配置

IO-Link與總線系統的關系

由上圖可以看到，10-ink并不影響系統總線，相反，10-Link彌補了控制器到傳感器、執行器的"最后一公里”的歷程，和總線并不是競爭關系，而是使整個系統更加集成、更加規范。
。10-Link不依賴于現有的總線技術，可以集成到現有的總線技術中
。采用標準的M12、M8接口，3芯、5芯線纜
。統一接口，可傳輸D1、DO、模擬量等信號
IO-Link配置總結
。IO-Link兼容主流的總線協議
。IO-Link系統組件簡單，易于搭建，對通訊線纜要求低
。不同總線下的配置類似，根據從站所需輸入、輸出過程數據大小即可實現通訊
。lO-Link通訊診斷易于實現!
。IO-Link通訊可以輕松獲取設備的各類數據，便于維護、監控

IO-Link設備軟件協議棧

亞信IO-Link設備軟件協議棧是基于亞信電子AXM-IOLS IO-Link設備評估板設計的，搭載意法半導體STM32F469AI微控制器，并在STM32CubeIDE開發環境中進行開發。此軟件堆疊套件包括亞信IO-Link設備軟件協議棧試用庫、IO-Link傳感器驅動程序以及演示應用程序等。亞信IO-Link設備軟件協議棧的軟件架構，是基于意法半導體STEVAL-BFA001V2軟件開發套件所構建，以集成亞信自主研發的IO-Link設備軟件協議棧庫。客戶使用亞信電子AXM-IOLS IO-Link設備評估板，在啟用后的72小時試用期限內，除了韌體升級功能外，可以對亞信IO-Link設備軟件協議棧試用庫進行完整功能的測試評估。

特性

? 符合IO-Link接口和系統規范V1.1.3

? 向下相容支持IO-Link V1.0主站

? 源代碼符合ANSI-C 99標準

? 可透過IO-Link接口進行韌體更新

? 運行模式：IO-Link模式與標準I/O模式

? 支持ISDU通信與資料儲存

? 透過交替性緩存實現一致性的過程資料交換(PDE)

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

? 占用空間極小：RAM小于1KB，閃存小于10KB

? 基于搭載ST L6362A IO-Link設備收發器的AXM-IOLS IO-Link設備評估板進行開發設計

產品應用

IO-Link傳感器溫度/濕度/壓力/光電/影像/ToF手勢等

IO-Link致動器閥門致動器/馬達控制/智能LED燈塔等

IO-Link集線器

IO-Link閥島