非常見問題解答第227期：使用IO-Link收發(fā)器管理數(shù)據(jù)鏈路如何簡化微控制器選擇

問題

面對與遵守IO-Link標準中規(guī)定的時序要求相關的挑戰(zhàn)，IO-Link^?從站微控制器如何克服？

回答

IO-link從站微控制器需要同時執(zhí)行多項任務，因此可能難以在可接受的指定時間窗口內響應請求。在執(zhí)行微控制器不能中斷的任務時尤其如此。解決此時序挑戰(zhàn)的一個典型解決方案是使用第二個微控制器來管理IO-Link堆棧，從而在IO-Link從站和IO-Link主站之間保持更穩(wěn)定的響應時間間隔。然而，該方法的效率極低，因為其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的傳感器外殼。一個更好的替代方案是使用能夠在通信路徑中管理數(shù)據(jù)鏈路和物理層的收發(fā)器。通過使用該收發(fā)器，從站微控制器無需再執(zhí)行此任務，設計人員能夠設計出更小巧、更復雜、功能更強大且具有成本效益的工業(yè)現(xiàn)場儀器。

圖1 IO-Link主站/從站通信接口

IO-Link時序

IO-Link是24 V、3線工業(yè)通信標準，支持工業(yè)從站和IO-Link主站之間的點對點通信，進而與更高級別的過程控制網絡進行通信。

在IO-Link應用中，收發(fā)器充當運行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（堆棧）的微控制器和24 V IO-Link信號線路之間的物理層接口。IO-Link通信涉及多種類型的傳輸，包括過程數(shù)據(jù)、值狀態(tài)、從站數(shù)據(jù)和事件。這樣一來，如果發(fā)生錯誤，便能快速識別、跟蹤和處理工業(yè)從站，幫助減少停機時間。IO-Link支持遠程配置；例如，如果需要調整觸發(fā)過程警報的閾值，可以通過IO-Link連接將更新的閾值發(fā)送到從站，以此方式進行調整，無需技術人員前往現(xiàn)場操作。

IO-Link主站端口和從站之間的通信受到多個時序的限制，并按照名為M序列時間的固定時間表進行。M序列消息包括從IO-Link主站發(fā)送到從站的命令或請求，以及來自從站的回復消息。圖2所示為M序列中的時序參數(shù)，其中包括IO-Link主站端口和從站消息之間的消息。從站必須在從站響應時間tA內響應主站，該時間范圍為1 Tbit至10 Tbit(Tbit = 位時間)。對于COM3波特率，tA應介于4.3 μs和43 μs之間。如果響應時間超出此范圍，則會發(fā)生通信故障。

圖2 IO-Link通信中的M序列時序

如果未能準時

IO-link從站微控制器需要同時執(zhí)行多項任務，因此可能難以在為tA指定的可接受時間窗口內響應請求。在執(zhí)行微控制器不能中斷的任務時尤其如此，此類型任務通常被稱為不可屏蔽中斷(NMI)。如果從站微控制器在指定時間窗口內未做出響應，則通信中斷，必須重新啟動。

例如，對于超聲波測距傳感器，微控制器需要執(zhí)行的一些任務包括：

■   發(fā)送超聲波突發(fā)脈沖

■   處理上一次突發(fā)脈沖中的固有線路，然后計算距離

■   測量環(huán)境溫度以補償聲速

■   管理傳感器后臺任務（例如電源管理）

■   回復IO-Link周期性請求

■   回復IO-Link非周期性請求

由于要連續(xù)處理數(shù)據(jù)樣本，微控制器幾乎沒有時間管理數(shù)據(jù)鏈路層通信任務，這導致從站響應時間顯著變化。在極端情況下，還可能無法滿足tA的時序要求。

僅使用速度更快、功能更多的微控制器無法解決NMI引起的時序問題。解決此時序問題的一個典型解決方案是使用第二個微控制器來管理IO-Link堆棧，從而在IO-Link從站和IO-Link主站之間保持更穩(wěn)定的響應時間間隔。然而，該方法的效率極低，因為其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的傳感器外殼。

圖3 帶收發(fā)器和集成DC-DC轉換器的MAX22516 IO-Link狀態(tài)機

管理數(shù)據(jù)鏈路

一個更好的替代方案是使用收發(fā)器來管理通信路徑中的數(shù)據(jù)鏈路和物理層。MAX22516 IO-Link狀態(tài)機（圖3）集成了IO-Link從站收發(fā)器中常見的所有功能，包括24 V C/Q、集成降壓型DC-DC轉換器以及5 V和3.3 V線性穩(wěn)壓器。

該設備是第一個包含全功能狀態(tài)機的收發(fā)器，可全面管理IO-Link數(shù)據(jù)通信的時序。它能夠自動處理與IO-Link主站的通信，以處理配置和維護請求等，并能夠使用微控制器寫入寄存器和FIFO的數(shù)據(jù)來處理數(shù)據(jù)傳輸。使用該收發(fā)器的一個主要好處是，在為傳感器選擇微控制器時，它提供了更多的選擇，因為從站微控制器不需要管理與IO-Link主站通信的任務。

MAX22516監(jiān)控來自IO-Link主站的傳入消息。收到完整的索引服務數(shù)據(jù)單元(ISDU)配置或維護請求后，該收發(fā)器自動向IO-Link主站發(fā)送ISDU BUSY消息，并通知從站微控制器通信已成功完成。如果時間允許，微控制器可將按需數(shù)據(jù)加載到ISDU FIFO中，這項任務通常需要多個周期才能完成。收發(fā)器使用輸入過程數(shù)據(jù)(PDIn)和輸出過程數(shù)據(jù)(PDOut) FIFO中的數(shù)據(jù)來管理PDIn和PDOut，允許微控制器將數(shù)據(jù)寫入PDIn FIFO并從PDOut FIFO讀取，不受任何時間限制。集成緩沖區(qū)確保FIFO中的數(shù)據(jù)在處理前不會丟失或被覆蓋。

圖4展示了與使用單一微控制器的應用相比，使用該收發(fā)器如何顯著減少從站響應IO-Link主站所需的時間。從站響應時間縮短超過50%，同時變化幅度也從12 μs大幅降至0.25 μs。

圖4 比較使用單一微控制器（左）和MAX22516（右）管理IO-Link通信的應用的響應時間

MAXREFDES281 IO-Link從站參考設計（圖5）采用MAX22516，可用于驗證不同類型IO-Link傳感器的時序性能。

圖5 MAXREFDES281 IO-Link從站參考設計

結論

微控制器需要同時管理多項任務，這意味著它們有時難以滿足IO-Link數(shù)據(jù)通信的時序規(guī)范。一些設備制造商使用第二個微控制器來管理IO-Link堆棧，但該方法令人難以接受?，F(xiàn)在不再需要該雙微控制器方法，因為MAX22516 IO-Link收發(fā)器集成了一個可以管理所有IO-Link通信的狀態(tài)機，讓主要從站微控制器能夠執(zhí)行其他時間關鍵型任務。

作者簡介

Brian Condell是ADI公司的數(shù)字營銷工程師，工作地點在愛爾蘭利默里克。他于2003年畢業(yè)于利默里克大學，獲得電氣工程榮譽學位。他擁有超過25年的半導體行業(yè)工作經驗，曾擔任多個職位。他是經過TüV Rheinland認證的IEC 61508硬件/軟件設計功能安全工程師。

Michael Jackson是SSG事業(yè)部的首席工程師，負責解決方案營銷。他擁有電子工程碩士學位。

Konrad Scheuer是ADI公司技術人員的資深首席工程師。他于2003年畢業(yè)于阿倫高等專業(yè)學院，獲得電氣工程學位。