IO－Link通信從站的設計

謝倩，胡仁杰

（東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京210096）

IO－Link是獨立于任何現場總線，適用于工業控制最底層的簡單傳感器和執行器的工業通信接口。IO－Link系統包含IO－Link設備（如傳感器、執行器）、IO－Link主站和標準傳感器用電纜，系統結構如圖1所示。例如，當一個兼容Ether－Net／IP的遠程IO模塊作主站時，除了標準的I／O信號，該模塊通過脈沖調制過程發送和接收配置數據、診斷數據或增強的過程數據，然后打包到EtherNet／IP數據報文中，最后傳送給網絡主控站，通常是一臺PLC。上述應用中，遠程I／O與IO－Link設備的連接與傳統離散設備保持相同，IO－Link的優勢主要在于更大的信息交換能力，這是以前標準I／O設備無法實現的。IO－Link的另一個好處是不依賴于任何現場總線，通過任何遵守IO－Link協議的I／O模塊（包括本地I／O和遠程I／O），IO－Link傳感器或執行器便可被集成到任何現場總線系統中［1－3］。

圖1 IO－Link系統結構Fig.1 IO－Link system architecture

為了對IO－Link系統結構、通信機制以及開發應用做進一步研究，可設計開發IO－Link從機工具包，包括IO－Link通用開發模塊、IO－Link分析工具以及IO－Link從機協議棧。IO－Link通用開發模塊是進行該項工作的基礎，也是IO－Link主站與設備信號間的橋梁。IO－Link分析工具可以幫助開發人員和測試人員分析通訊細節，從而找出并解決問題。IO－Link從機協議棧是一個固件庫，它提供硬件抽象層和應用程序接口，開發者可以利用它方便快速地在各種微處理器平臺上開發IO－Link從機產品。本文研究的IO－Link從站只針對數字（按鍵）信號輸入和數字信號輸出（指示燈），IO－Link通用開發模塊的設計只需在此基礎上進行擴展，使之具備處理模擬信號的能力。

1 系統結構

圖2是IO－Link從機工具包及演示系統的結構示意圖。

圖2 IO－Link從機工具包及演示系統的結構圖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設備與PC機相連，這樣可通過IO－Link Device Tool軟件配置并測試IO－Link設備或演示設備功能。IO－Link設備必須通過一個設備描述文件（IODD文件）來描述，它包括一組XML文本文件和PNG圖形文件，這些文件包含設備的識別、通信特點、參數、過程數據和診斷數據的信息。圖2中橢圓虛線內的部分是IO－Link三線電纜，L＋／L－是24V直流電源，C／Q為信號線，用來傳輸過程數據、診斷數據、配置數據等。IO－Link通用開發模塊主要由數據收發器和微處理器構成，它可對傳感器的輸入信號進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據信息，傳遞給執行器。IO－Link分析工具可以幫助開發人員查看、記錄、分析數據，了解通訊細節，該部分設計本文不作論述。

2 IO－Link通訊模式簡介

IO－Link設備可以工作在SIO模式（標準I／O模式）或IO－Link模式（通訊模式）。上電后，設備總是工作在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準數字輸入，如果配置為通訊模式，主站會自動識別可通訊的裝置，進行通訊。

2.1 數據類型

IO－Link通訊的3種基本數據類型為：周期性數據（或過程數據PD）、非周期性數據（或服務數據SD）、事件（Event）。

設備的過程數據（PD）以一個數據幀的形式周期性地傳輸，而服務數據（SD）只有在主站發出請求后才會進行交換，圖3為典型的IO－Link報文結構。當事件（Event）發生時，設備的“事件標志”置位，主站檢測到該置位后讀出報告的事件（讀取過程中不能交換服務數據），于是，污染、過熱、短路等事件或設備狀態便可通過主站傳送給PLC或可視化的軟件。

圖3 IO－Link報文結構Fig.3 IO－Link telegram structure

2.2 參數數據交換

由于服務數據（SD）必須經由PLC請求才能傳送，于是定義了SPDU（服務協議數據單元）。在主站中，讀寫服務的請求編寫到SPDU并通過IO－Link接口傳送給設備。

SPDU一般結構如圖4所示，其排列順序與傳輸順序一致。SPDU中的各元素可根據服務種類采取不同的形式。SPDU允許訪問希望進行傳輸的數據對象，Index用于指定遠程IO－Link設備上被請求的數據對象的地址。IO－Link中有一個名詞叫直接參數頁（direct parameter page），其中存放了最小周期時間、供應商ID、主站命令等參數信息，直接參數頁中可訪問的數據對象可以有選擇地通過SPDU來提供。

圖4 SPDU一般結構Fig.4 General structure of SPDU

3 IO－Link從站硬件設計

IO－Link從站的系統結構如圖5所示，主要包括數據收發器 HMT7742、微控制器 AT－mega328P、信號輸入輸出通道、電壓電流監測模塊以及過流保護模塊等。

圖5 IO－Link從站結構圖Fig.5 Structure of IO－link slavedevice

HMT7742是一款IO－Link從機收發器芯片，是外接傳感器或執行器的MCU與支持IO－Link通信的24V信號線間的橋梁，當IO－Link設備與主站相連時，主站會進行通信初始化并與MCU交換數據，HMT7742則充當通信的物理層。

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，因此需監測電源線上的電流，以便在電流超過某設定好的閾值后觸發適當的更正措施，如將指示燈從IO－Link電源線上切除。電流監測模塊使用的是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速度，可將感應電阻上的電壓放大50倍輸出到MCU內部電壓比較器的正向輸入端AIN0，當AIN0的電壓值超過反向輸入端設置的閾值時，控制PB0輸出低電平，即可將指示燈LAMP從IO－Link電源線上切除，實現過流保護功能。該部分電路如圖6所示。

圖6 電流監測與過流保護電路Fig.6 Circuit of current detection and over－current protection

4 IO－Link從站軟件設計

軟件設計基于IO－Link設備通信協議棧，IOLink設備通信協議棧提供通用應用程序接口（API函數），這為IO－Link從站開發模塊的設計提供了便利。

軟件設計主要包括初始化模塊和一個與IOLink通信相關的主循環模塊，主程序流程如圖7所示。

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

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數值初始化、直接參數頁面初始化是通過分別調用API函數實現的。

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

圖9為主循環流程圖，每隔1ms執行一次主循環，每過255ms觸發一次看門狗。在運行了IO－Link從機協議棧以后，就可以檢測主站發送的有效輸出過程數據并將它傳遞給應用模塊（3盞指示燈），并根據按鍵的狀態設置輸入過程數據，并將數據傳遞給主站。另外，若發生了對直接參數頁面的寫訪問或有SPDU標識符置位，都要運行相應的處理程序。

圖9 主循環流程圖Fig.9 Program flow chart of the main loop

5 實驗結果及結論

實驗構建了圖2所示的系統，并通過IO－Link Device Tool軟件測試系統功能，圖10即為顯示過程數據和參數的界面。程序中設置過程數據為一個字節，格式如圖11所示。由圖11可知，輸入過程數據的Bit7為故障診斷位，當IO－Link電源線上的電壓和電流均正常時，該位為0，否則置1；Bit5至Bit0分別表示6個按鍵的狀態。輸出過程數據的Bit2至Bit0分別代表3盞指示燈的狀態。

圖10 過程數據和參數顯示界面Fig.10 Display interface of process data and parameters

圖11 過程數據的格式Fig.11 Format of process data

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

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

IO－Link從機工具包對于IO－Link系統結構、通信機制以及開發應用的研究有著重要意義。本文設計的IO－Link從站是IO－Link主站與設備信號間的橋梁，也是IO－Link從機工具包的基礎和核心。本文構建的基于IO－Link從站的演示系統形象地展示了IO－Link通信的特點與優勢，對于了解和深入研究IO－Link通信系統有著重要的意義。

［1］吳乃優.傳感器和執行器的應用與發展［J］.機電工程技術，2006，35（5）：53－54.

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

［3］傅昆.現場級聯網技術的新進展［J］.現代制造，2006，1（29）：12－13.

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