IO-Link通信从站的设计

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IO-Link是独立于任何现场总线，适用于工业控制最底层的简单传感器和执行器的工业通信接口。IO-Link系统包含IO-Link设备（如传感器、执行器）、IO-Link主站和标准传感器用电缆，系统结构如图1所示。例如，当一个兼容EtherNet/IP的远程IO模块作主站时，除了标准的I/O信号，该模块通过脉冲调制过程发送和接收配置数据、诊断数据或增强的过程数据，然后打包到EtherNet/IP数据报文中，最后传送给网络主控站，通常是一台PLC.上述应用中，远程I/O与IO-Link设备的连接与传统离散设备保持相同，IO-Link的优势主要在于更大的信息交换能力，这是以前标准I/O设备无法实现的。IO -Link的另一个好处是不依赖于任何现场总线，通过任何遵守IO-Link协议的I/O模块（包括本地I/O和远程I/O），IO-Link传感器或执行器便可被集成到任何现场总线系统中。

       
       
        图1 IO-Link系统结构

         
        为了对IO-Link系统结构、通信机制以及开发应用做进一步研究，可设计开发IO-Link从机工具包，包括IO-Link通用开发模块、IO-Link分析工具以及IO-Link从机协议栈。IO-Link通用开发模块是进行该项工作的基础，也是IO-Link主站与设备信号间的桥梁。IO-Link分析工具可以帮助开发人员和测试人员分析通讯细节，从而找出并解决问题。IO-Link从机协议栈是一个固件库，它提供硬件抽象层和应用程序接口，开发者可以利用它方便快速地在各种微处理器平台上开发IO-Link从机产品。本文研究的IO-Link从站只针对数字（按键）信号输入和数字信号输出（指示灯），IO-Link通用开发模块的设计只需在此基础上进行扩展，使之具备处理模拟信号的能力。
         
       
        1系统结构
       
        图2是IO-Link从机工具包及演示系统的结构示意图。

       
       
        图2 IO-Link从机工具包及演示系统的结构图

         
        本文所使用的IO-Link主站模块USB IO-Link Master可将IO-Link设备与PC机相连，这样可通过IO-Link Device Tool软件配置并测试IO-Link设备或演示设备功能。IO-Link设备必须通过一个设备描述文件（IODD文件）来描述，它包括一组XML文本文件和PNG图形文件，这些文件包含设备的识别、通信特点、参数、过程数据和诊断数据的信息。图2中椭圆虚线内的部分是IO-Link三线电缆，L+/I-是24 V直流电源，C/Q为信号线，用来传输过程数据、诊断数据、配置数据等。IO-Link通用开发模块主要由数据收发器和微处理器构成，它可对传感器的输入信号进行处理并将信息传递给IO-Link主站，也可接收并处理来自主站的数据信息，传递给执行器。IO-Link分析工具可以帮助开发人员查看、记录、分析数据，了解通讯细节，该部分设计本文不作论述。
         
       
        2 IO-Link通讯模式简介
       
        IO-Link设备可以工作在SIO模式（标准I/O模式）或IO-Link模式（通讯模式）。上电后，设备总是工作在SIO模式。主站的端口有不同的配置方式，如果配置为SIO模式，主站把该端口视为标准数字输入，如果配置为通讯模式，主站会自动识别可通讯的装置，进行通讯。
       
        2.1数据类型
       
        IO-Link通讯的3种基本数据类型为：周期性数据（或过程数据PD）、非周期性数据（或服务数据SD）、事件（Event）。
       
        设备的过程数据（PD）以一个数据帧的形式周期性地传输，而服务数据（SD）只有在主站发出请求后才会进行交换，图3为典型的IO-Link报文结构。当事件（Event）发生时，设备的“事件标志”置位，主站检测到该置位后读出报告的事件（读取过程中不能交换服务数据），于是，污染、过热、短路等事件或设备状态便可通过主站传送给PLC或可视化的软件。

       
       
        图3 IO-Link报文结构

         
        2.2参数数据交换
       
        由于服务数据（SD）必须经由PLC请求才能传送，于是定义了SPDU（服务协议数据单元）。在主站中，读写服务的请求编写到SPDU并通过IO-Link接口传送给设备。
       
        SPDU一般结构如图4所示，其排列顺序与传输顺序一致。SPDU中的各元素可根据服务种类采取不同的形式。SPDU允许访问希望进行传输的数据对象，Index用于指定远程IO-Link设备上被请求的数据对象的地址。IO-Link中有一个名词叫直接参数页（direct parameter page），其中存放了最小周期时间、供应商ID、主站命令等参数信息，直接参数页中可访问的数据对象可以有选择地通过SPDU来提供。

       
       
        图4 SPDU一般结构

         
        3 IO-Link从站硬件设计
       
        IO-Link从站的系统结构如图5所示，主要包括数据收发器HMT7742、微控制器AT-mega328P、信号输入输出通道、电压电流监测模块以及过流保护模块等。

       
       
        图5 IO-Link从站结构图

        HMT7742是一款IO-Link从机收发器芯片，是外接传感器或执行器的MCU与支持IO-Link通信的24 V信号线间的桥梁，当IO-Link设备与主站相连时，主站会进行通信初始化并与MCU交换数据，HMT7742则充当通信的物理层。
         
        由于MCU的输出端口控制的3盏指示灯（额定电压为24 V）是由IO-Link电源线供电的，因此需监测电源线上的电流，以便在电流超过某设定好的阈值后触发适当的更正措施，如将指示灯从IO-Link电源线上切除。电流监测模块使用的是INA194电流检测放大器，作为一款高测电流检测器，INA194直接连接至电源，可检测所有的下行故障，拥有非常高的共模抑制比以及较大的带宽和响应速度，可将感应电阻上的电压放大5O倍输出到MCU内部电压比较器的正向输入端AIN0，当AIN0的电压值超过反向输入端设置的阈值时，控制PB0输出低电平，即可将指示灯LAMP从IO-Link电源线上切除，实现过流保护功能。该部分电路如图6所示。

       
       
        图6电流监测与过流保护电路

         

          4 IO-Link从站软件设计
       
        软件设计基于IO-Link设备通信协议栈，IO-Link设备通信协议栈提供通用应用程序接口（API函数），这为IO-Link从站开发模块的设计提供了便利。
       
        软件设计主要包括初始化模块和一个与IO-Link通信相关的主循环模块，主程序流程如图7所示。

       
       
        图7主流程图

         
        在图8所示的初始化程序中，栈初始化、SP-DU数值初始化、直接参数页面初始化是通过分别调用API函数实现的。

       
       
        图8初始化程厅流程图

         
        图9为主循环流程图，每隔1 ms执行一次主循环，每过255 ms触发一次看门狗。在运行了IO-Link从机协议栈以后，就可以检测主站发送的有效输出过程数据并将它传递给应用模块（3盏指示灯），并根据按键的状态设置输入过程数据，并将数据传递给主站。另外，若发生了对直接参数页面的写访问或有SPDU标识符置位，都要运行相应的处理程序。

       
       
        图9主循环流程图

         
        5实验结果及结论
       
        实验构建了图2所示的系统，并通过IO-Link Device Tool软件测试系统功能，图10即为显示过程数据和参数的界面。程序中设置过程数据为一个字节，格式如图l1所示。由图l1可知，输入过程数据的Bit7为故障诊断位，当IO-Link电源线上的电压和电流均正常时，该位为0，否则置1；Bit5至Bit0分别表示6个按键的状态。输出过程数据的Bit2至Bit0分别代表3盏指示灯的状态。

       
       
        图10过程数据和参数显示界面
       
        图11过程数据的格式

        当电压和电流正常时，如果没有按键按下，输入过程数据为63（0011 1111）（见图10 a），如果只有按键1被按下，输入过程数据为62（00111110），以此类推。当电压或电流不在规定的范围内，如果没有按键按下，输入过程数据为一65（1011 1111）。若进行图10b所示的操作，可将获取的按键状态取反后送给主站。这样，当无按键按下且电压电流正常时，输入过程数据为0（00000000），若电压或电流不在规定的范围内，输入过程数据为一128（1000 0000）。
         
        过程输出数据的Bit2至Bit0可分别用来控制3盏灯的状态，若电压电流正常，当输出过程数据为1（0000 0001）时，只有指示灯1亮，当输出过程数据为27（0000 0111）时，3盏灯全亮。以此类推。但是当电流超过了一定范围，硬件电路将实现过流保护，将指示灯从IO-Link电源线上切除，此时输出过程数据将不能控制指示灯的状态，直到排除故障重新上电。
           
          IO-Link从机工具包对于IO-Link系统结构、通信机制以及开发应用的研究有着重要意义。本文设计的IO-Link从站是IO-Link主站与设备信号间的桥梁，也是IO-Link从机工具包的基础和核心。本文构建的基于IO-Link从站的演示系统形象地展示了IO-Link通信的特点与优势，对于了解和深入研究IO-Link通信系统有着重要的意义。