Елементна база на индустриалния интерфейс IO-Link

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2014

Елементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-LinkЕлементна база на индустриалния интерфейс IO-Link

ПОДОБНИ СТАТИИ

Стефан Куцаров

Сред изискванията към индустриалните системи е осигуряването на ефективна и сигурна двупосочна връзка между машините и управляващите ги устройства, като класическият начин за установяването й чрез обмен на аналогови сигнали има все по-ярко изпъкващи недостатъци. Достатъчно е да се споменат необходимостта от екранирани кабели, често многожилни, промените в широки граници на предаваните токове и напрежения и значителната цена на връзките.

Това, заедно с добре известните предимства на обмена на цифрови данни, е сред факторите, обусловили създаването на интерфейса IO-Link за връзка между интелигентни сензори и изпълнителни прибори (Actuator), чийто първи вариант (Version 1.0) от 16.11.2007 г. бе последван от подобрения V. 1.1 от ноември 2010 г. За реализацията на интерфейса са създадени различни интегрални схеми (ИС), които са тема на настоящата статия.

Същност на IO-Link интерфейса
Той е от типа отворени интерфейси (Open Interface) и осъществява двупосочна връзка между управляващо устройство (Master) M и едно или повече управляеми устройства (Device, Slave) D обикновено чрез използването на 3-проводни линии (3-Wire Transfer) в съответствие със схемата на фиг. 1.

Вижда се, че към всеки от изводите (Ports) на М е свързано едно D, поради което то няма нужда от адрес и установените връзки са от типа точка до точка (Point-to-Point Communication). Самите D може да са произволна комбинация от сензори (от различен вид) и изпълнителни механизми, включително индикатори и прибори за радиочестотна идентификация RFID, без да има принципни ограничения за техния брой.

Във всеки момент от времето М е свързан само към едно D и може да предава или приема, т.е. връзката е полудуплексна (Half Duplex). Скоростите fBIT на обмен на данните са 4,8 kbps, 38,4 kbps и 230,4 kbps, като М трябва да осигурява и трите. Максимално допустимите отклонения на реалните скорости от тези стойности са ±0,1%.

От своя страна, М може да е част от някакво устройство, например хъб, и се свързва към възела Contr (например програмируем логически контролер PLC или промишлен компютър) чрез някой от индустриалните интерфейси IB. Всички D ползват неговия адрес.

Полезно е да се припомни, че непрекъснато нарастват разновидностите и броят на сензорите с изходна величина поредица от импулси (Digital Sensor), които също могат да се използват в интерфейса. Това, заедно с възможността за непосредствено свързване на аналогови сензори със стандартен изход 4-20 mA/±10 V, означава, че интерфейсът може да работи с аналогови и цифрови сигнали (Mixed System Operation).

При подаване на захранващото напрежение на М всички D се установяват в стандартен входно-изходен режим (SIO Mode), т.е. изводът им към М може да работи като вход или изход. За изводите на М с D има две възможности – при режим SIO на даден извод той работи като вход, а при режим на комуникация (Communication Mode) COM той е изход.

В последния случай М изпраща към D импулс "запитване" (Wake-Up) с продължителност (Pulse Duration of Wake-Up Request) TWU и по възможност със скорост 38,4 kbps, и очаква отговор. Ако той не се получи, запитването се изпраща още 2 пъти и при същия резултат процесът се повтаря с по-ниската скорост.

Нова липса на отговор означава, че D е изключено или връзката му с М е прекъсната, при което М изпраща съответното съобщение на Contr и периодично продължава да търси установяване на връзка. Отговорът от М представлява импулс с минимална продължителност (Delay Time of Device for Transition to SIO Mode Following Wake-Up Request) TDSIO, който разрешава започването на обмен на данни с М.

След завършването му М и D се установяват в режим SIO, което се нарича Fall Back. По време на обмена е възможно връзката да прекъсне, което се установява от М, той изпраща съответното съобщение на Contr и по описания начин се “опитва” да я възстанови. Когато това стане, данните се изпращат отново.

Предаването на данните става на пакети (Frame) с различна дължина в зависимост от обема на информацията в тях, които се наричат Telegram. При скорост 38,4 kbps типичното време за предаването им не надхвърля 2 ms, но в доста практически случаи може да е под 1 ms.

Всеки байт от пакетите се формира в съответствие с интерфейса UART (той определя амплитудата на импулсите), предшестван е от стартов бит (лог. 0) и завършва с бит за проверка по четност и бит “стоп” (лог. 1). При обмена на данни се допускат не повече от 6 грешни пакета при техен брой 21 000, 35 000 и 55 000 и скорости, съответно, 4,8 kbps, 38,4 kbps и 230,4 kbps.

Трипроводното свързване на М и D е показано на фиг. 2а, като L+ и L- са, съответно, положителният и отрицателният изводи на захранващото напрежение на D, а C/Q е за обмен на данни (буква С) и за превключване на режима на работа (Q). Някои производители на ИС използват означенията Power вместо L+, GND вместо L- и Ch0 вместо C/Q.

Прието е това свързване да се означава като PHY2. За специализирани приложения се използва свързването на фиг. 2б, използващо двупроводна линия (2-Wire Transfer) и означавано с PHY1. За захранване и обмен на данните се използва един проводник в режим на времеделене и е задължителна най-висока скорост.

Както при всяка цифрова система, за нормалната работа на интерфейса е необходимо захранващото напрежение и двете логически нива на данните между М и D да надхвърлят определени стойности, като тук са дадени най-важните от тях за трипроводното свързване. Захранващото напрежение VSM, подавано от М на D, трябва да е между 20 и 30 V при типична стойност 24 V, а осигуряваният от него ток ISM да е най-много 200 mA.

Устройства D, които изискват по-голям ток, трябва да имат външен захранващ източник. При максималния ток напрежението VQRНM на логическа 1 от М трябва да е най-много с 3 V по-малко от VSM, а напрежението VRQLM на логическа 0 да е най-много +3 V. Минималният ток, който М трябва да осигури на D за двете логически нива, е 100 mA, а импулсните му стойности могат да са до 500 mA.

На входа на D захранващото напрежение VSS има същата типична стойност, но може да е между 18 и 30 V, като се допуска върху него да има нежелани пулсации 1,3 V от връх до връх при тяхна честота до 100 kHz. В интерфейса не са предвидени граници за консумирания от захранването ток IS.

Напрежението VRQKS на лог. 1 на входовете на D се допуска да е най-много с 3 V по-малко от VSS, а за лог. 0 – да има напрежение VRQLS най-много +3 V. Тези входове трябва да издържат входни импулси с амплитуда до 60 V, а входният им капацитет (между изводи C/Q и L-) да не надхвърля 1 nF.

Всеки разред на обменяните данни представлява реален правоъгълен импулс, чийто опростен вид е показан на фиг. 3. Лог. 0 и лог. 1 са с еднакви продължителности TBIT, равни на реципрочната стойност на скоростта на обмен, например TBIT = 26,04 us при 38,4 kbps.

Продължителностите на нарастващия фронт tDR и спадащия фронт tDF трябва да са най-много 0,2TBIT, а минимално необходимият интервал за разпознаване на бита е означен с DET, т. е. това е минималното време за наличие на всяко от логическите нива. При включване на захранването трябва най-много за 5 ms да се установи напрежение 18 V и след още най-много 0,3 s устройствата М и D да са готови за работа.

Основните предимства на интерфейса, освен споменатите просто свързване на няколко управляеми устройства към един адрес, работата с цифрови и аналогови сигнали и използването на един кабел за захранване на D и обмен на данни с тях, са лесната замяна на съществуващи (например повредени) и прибавяне на нови управляеми устройства към съществуваща структура, лесното събиране на всички необходими данни от сензорите, подаването на данни към изпълнителните прибори, изпращането към D и на данни за проверка на правилното им функциониране (диагностика), наличието на разнообразна елементна база за реализацията му, съществуващото контролиране на възникването на грешки при обмена на данни.

Трижилните кабели са неекранирани и не се различават от тези на налични връзки на сензори и изпълнителни устройства, т. е. могат да се използват вече изградени мрежи. Предлагат се технически средства за свързването на IO-Link към съществуващите Profibus, Fieldbus, Profinet, Interbus, EtherCAT ASi и Industrial Ethernet.

Всичко това дава основание интерфейсът често да бъде наричан “USB на индустриалната автоматизация”. Трябва да се прибави, че интерфейсът е разработен така, че да представлява част от IEC611 31-9 и че неговото използване може рязко да намали съществуващите връзки, често от многожилни кабели.

Куплунги и кабели
IO-Link интерфейсът поставя изисквания към куплунгите и кабелите за връзка между М и D, докато тези между М и Contr зависят само от конструкцията на устройствата за дадено приложение. Предвидени са два типа връзки, първата от които с наименование Port type A е показана на фиг. 4а, като номерацията на изводите й се отнася за М.

Извод 2 може да се използва за допълнителна връзка по желание на конструктора на изделието, например вход (DI) или изход (DO) на данни, или да се остави свободен. Предназначението на Port type B (фиг.4б) е за връзка с D, която изисква галванично изолирано постояннотоково захранване, подавано между изводи 2 и 5.

Те не се свързват към М, тъй като то не осигурява захранването. Практическите изисквания са куплунгът на М да е женски, а този на D – мъжки. Използват се масово разпространените кръгли куплунги с резба M5, M8 и M12 Connector. Предпочитат се тези за монтаж на панел (Flush-type).

Класическото разположение на техните изводи е показано на фиг. 5а, като номерацията съответства на фиг. 4а, б. Вижда се, че галванично изолирано захранване се осигурява само чрез куплунг М12. Разновидностите на фиг. 5б са за случая, когато извод 2 не се използва.

Кабелите, с които се установява връзка между М и D, са с максимална дължина 20 m, допустимо общо съпротивление 6 ома на двата проводника за захранване и максимален техен капацитет 1 nF спрямо проводника за C/Q. Цветовете на проводниците са кафяв за L+, син за L- и черен за C/Q.

Интегрални схеми
Съществуващите различия в предназначението и действието на D и М обуславят двете категории интегрални схеми – ИС на управляеми и ИС на управляващи устройства.
ИС на управляеми устройства. Двупосочният обмен на данни между D и М налага тези ИС да бъдат приемопредаватели (Transceiver), като основната им структура за 3-проводно свързване е дадена на фиг. 6, а индексите s на напреженията и токовете показват, че тя е на D (Device).

Източникът на ток към захранващото напрежение V+ (означено по-горе с VS) осигурява изходящ от извод C/Q ток с максимална стойност IQH, отбелязвана в документацията като отрицателна. Работата на D чрез използване на източника се нарича High-Side Configuration, PNP Configuration, High-Side Driver и P-Switch, а токът осигурява върху товара между C/Q и L- (маса) напрежение VRQH.

По аналогичен начин източникът между C/Q и L- дава влизащ ток (положителен) в C/Q (Low-Side, Configuration, NPN Configuration, Low-Side Driver, N-Switch). Тази най-масово използвана структура има две разновидности, при първата от които (ИС от редове 1, 4-10 на табл. 1) чрез логическите нива на управляващи входове може да се включва единият от източниците (връзката на другия с C/Q се прекъсва чрез поставянето му в състояние на висок импеданс) или двата (Push-Pull Configuration) да работят заедно подобно на противотактните стъпала в усилвателите на мощност.

Втората разновидност осигурява работата по избор на един от източниците (ИС в редове 2 и 3). Включването и изключването на даден източник се осигурява чрез вход On/Off. Добре е да се има предвид, че съществуват ИС с две независими структури (ред 10 на табл. 1) за осигуряване на дуплексна връзка (Full Duplex).

Стойностите на токовете IQH и IQL могат да са фиксирани или да се задават чрез външен резистор (ИС в ред 8). Двата тока практически винаги са равни и се наричат Driver Capacity. При опит за консумиране от тях на по-голям ток се получава съответното логическо ниво на изход OVD (Overload Detect).

От символичното означение на приемника с изход H/L е ясно, че той е с хистерезис. За нормално приемане на лог. 1 трябва входното напрежение на извод C/Q да не е по-малко от VTHH (C/Q Input Threshold High), а на лог. 0 – да не е по-голямо от VTHL (C/Q Input Threshold Low). Хистерезисът на приемника (C/Q Input Hysteresis) е VHYS, а типичните стойности на лог. 0 и лог. 1 са съответно VOL и VOH. Изборът на скоростта за обмен на данни се извършва обикновено чрез логическо ниво на специални входове, означавани например със SPEED.

Практически винаги връзката между сензорите и изпълнителните устройства от една страна и D от друга се извършва чрез подходящ микроконтролер, който трябва да осигурява управлението на D и при нужда да преобразува в подходящ вид сигналите от сензорите и към изпълнителните устройства.

Пример за свързването на D от ред 8 на табл. 1 е даден на фиг. 7. Свързаните изводи VCC и VCC IN осигуряват нормалната работа на вградения в ИС постояннотоков стабилизатор за нейното захранване с напрежение VСС, а замасеният VCC SET фиксира това напрежение на +3,3 V (при оставянето му свободен напрежението е +5 V). Често този източник се използва непосредствено или чрез прибавяне на външен биполярен транзистор за захранване на други блокове, например микроконтролер.

Състоянието на висок импеданс на извод PWR_OK показва, че напрежението VCC и това на извод L+ са в нормалните граници. Чрез логическите нива на входове ТХ и EN се определя начинът на работа на двата източника. В режим на приемане се получава лог. 0 на изход RX, когато напрежението на C/Q е над VTHH и лог. 1 при по-малко от VTHL.

Наличието на лог. 0 на изход WAKE показва нормалната работа на приемника, а в режим “запитване” той е в състояние на висок импеданс. Чрез лог. 0 на изход CUR_OK се показва, че токът на C/Q е по-малък от максимално допустимия, а състоянието на висок импеданс - че той е надхвърлен. Резисторът към извод LIMADJ е за споменатото задаване на максималните токове на извод C/Q чрез изчисляване на съпротивлението му по формула от каталога. За защита на ИС при достигане на ток ITH_OFF през извод C/Q се изключва захранващото й напрежение.

Важна особеност тази ИС и почти всички схеми на D е наличието на температурна защита – те имат извод (липсващият TEMP_OK на фиг. 7), чието логическо ниво показва дали температурата на кристала на ИС е под или над максимално допустимата Tover. Освен това при надхвърлянето й ИС се изключва. Друга особеност е наличието в част от ИС на блок за следене на VS и при намаляването му под UVLO (Under Voltage Lock Out), което не може да гарантира нормалната работа, ИС се изключва.

В табл. 1 са дадени основните параметри на ИС на D, част от които в повечето случаи могат да се програмират. В ред 1 е ИС с вграден постояннотоков стабилизатор 5 V/20 mA за захранване и на външни схеми и устройства. Дадената на ред 2 може да захранва два светодиода, работи с интерфейса SPI и също има стабилизатор, но за ток 50 mA.

Особености на ИС от ред 3 са вграденият програмируем ключов стабилизатор (бобината му се свързва външно) и буферът му за запомняне на 15 данни от по 8 разреда. Два еднакви приемопредавателя и отново SPI са характерни да ИС от ред 4. Чрез допълнителен драйвер за 24-волтови импулси и максимален изходен ток 135 mA в ИС от ред 5 могат да бъдат управлявани изпълнителни механизми чрез свързването им към извод 2 на куплунгите.

С подобно действие е и ИС от ред 6, но тя има и SPI, а токът на допълнителния драйвер е намален на 100 mA. Особеност на ИС от ред 7 е възможността за свързване към C/Q на товари с индуктивен характер, които консумират енергия до 10 mJ (класическите D позволяват свързване само на резистивни и капацитивни товари). Схемите в редове 9 и 10 са с вграден постояннотоков стабилизатор за +3,3 V, интерфейс SPI и памет EEPROM, в която се запомня зададеният чрез SPI режим на работа.

Тази от ред 10 има допълнителен драйвер, който заедно с основния (с извод C/Q) може да се превключва съм изводите на микроконтролера. Важна специфична особеност на последните две ИС е възможността за работа и като М, при което двата драйвера са свързани успоредно (режим на работа Tandem Mode), а изборът на един от режимите се прави чрез двоично число на три от управляващите входове.

Специфична е ИС ССЕ4501 на производителя Creative Chips, която съдържа два еднакви D с IQH = зIQLз = 500 mA, работи с трите скорости на обмен на данни и има вградени ключов и два линейни постояннотокови стабилизатора.

Използването на микроконтролер за връзка на D със сензорите и изпълнителните механизми е причина за създаването на микроконтролери с вграден драйвер за IO-Link. Пример е серия от четири 16-битови микроконтролера на Renesas с вградена флаш памет, чийто D има VS = 8 - 36 V, IS = 200 mA и работи с трите fBIT.

С най-голям обем от 128 kB на паметта е mPD78F8043, а свързването на един от микроконтролерите на серията е дадено на фиг. 8. С подобни възможности е серията също от 16-битови микроконтролери ХС800 на Infineon, които могат да работят и с интерфейсите DALI и LIN.

ИС на управляващи устройства. При реализация на М като ИС стойността на n в схемата на фиг. 1 обикновено не надхвърля 2, което е и по-често използваната стойност, например дадените в редове 1 и 3 на табл. 2. За връзка с повече D се използват няколко ИС (например за осем D трябват 4 двувходови схеми), избирани чрез адресиране. И тук управлението се извършва чрез микроконтролери. За разлика от D, съществен параметър са изходните съпротивления при високо и ниско логическо ниво, съответно, ROH_CQ и ROL_CQ.

Максималният изходен ток на C/Q обикновено не се дава, но вместо него са токовете IOH_CQ и IOL_CQ на извода за задействане на защитата също при високо и ниско логическо ниво. Съществен параметър е захранващото напрежение VL на цифровите блокове, което определя логическите нива VOH и VOL на цифровите входове и изходи на ИС.

То може да е нестабилизирано или да се получава от вграден в ИС стабилизатор. Хистерезисът THYS на топлинната защита е разликата между температурата на нейното задействане (изключване на ИС) и по-ниската температура на включване на ИС.

Работата на М като приемопредаватели (аналогично на D) определя тяхната структура, подобна на дадената на фиг. 6. По същия начин при работа като предавател изводът C/Q има подобни режими на работа, превключвани чрез управляващи логически нива. В управлението има и някои разлики, например наличието в ИС от редове 2 и 3 на адреси за техния избор.

Управлението на дадените в редове 1 и 2 ИС се извършва чрез SPI, докато тази в ред 3 използва I2C. Дадената в ред 2 ИС има два вградени стабилизатора за +3,3 V и +5 V и се свързва само към един D. За работа с повече D се използва четворният универсален приемопредавател МАХ14830, всеки извод I/O на който се свързва с един D, а разпределянето на данните към D се извършва чрез микроконтролер.

Подобна на дадените в редове 1 и 3 е ССЕ4510 на Creative Chips, работеща с VS = 8-32 V и осигуряваща IQH = зQLз= 1 A, трите скорости на интерфейса и захранването на два светодиода. Производителят Linear Technology пусна ИС LTC2874, представляваща М за връзка с четири D, работеща с трите скорости и с напрежения VS = 8-30 V и VL = 2,9-5,5 V за цифровите входно-изходни блокове. Изходният ток на извод C/Q може да се програмира на 100, 200 и 400 mA, както и максималният консумиран ток от извод L+.

Серията от четири 16-битови микроконтролера UPD78F8066/7/8/9 на Renesas е предназначена за реализация на М. Те имат флаш памет с обем между 128 и 256 k в зависимост от модела и оперативна памет от 8 до 16 k. Осигуряват работа с комуникационен контролер Profinet или с компютърна конфигурация, както и чрез UART с някой от интерфейсите RS232, RS485 и USB.

Развойни средства
Използват се за проверка и изследване на работата на дадена ИС, както и за оценка на приложимостта й. Предлагат се от производителите на съответната ИС или от независими производители на развойни комплекти (китове) и се срещат под наименованията LAB Kit, Demonstration Board, Development Platform, Test Module и др. В зависимост от конструкцията си могат да се разделят на две групи, китовете на по-голямата от които представляват една или повече печатни платки.

На фиг. 9 а е показан кит за ИС от ред 10 на табл. 1, който позволява да се разучат всички функции на ИС, като неговият USB куплунг се свързва към компютър със зареден специализиран софтуер. Някои производители предлагат китове под формата на схема, придружена от графичен оригинал на печатната платка и списък на елементите (например MAX14820 Evaluation Kit) и такива като платка със схема (STEVAL-IFP014V1 за ИС от ред 7 на табл. 1).

Конструкцията на втората по-малка група китове е с вид, близък до модулите, което улеснява използването им. Такъв е TM96.1B GENIE Explorer Variant B, предназначен за ИС от ред 2 на табл. 1. Пример за развоен комплект на М е Y-78K0RIOLINKADM, предназначен за споменатите микроконтролери на Renesas.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top