借助IO-Link收發(fā)器簡(jiǎn)化微控制器設(shè)計(jì)

“一次做兩件事等于一無(wú)所成”—雖然拉丁文作家普布里烏斯·西魯斯對(duì)多任務(wù)處理的看法可能有些極端，但有時(shí)候，多任務(wù)處理可能會(huì)導(dǎo)致任務(wù)無(wú)法按最初預(yù)期的方式完成，或無(wú)法按時(shí)完成。隨著工業(yè)過(guò)程日益復(fù)雜化，傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)儀器 已發(fā)展為同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)不同的任務(wù)，包括與過(guò)程控制器保持定期通信。這給從站微控制器帶來(lái)了額外的開(kāi)銷(xiāo)，必須妥善管理從站微控制器，否則過(guò)程數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失，從而導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)，現(xiàn)代工業(yè)通信協(xié)議應(yīng)減少這種情況的發(fā)生。

IO-Link時(shí)序

IO-Link是24 V、3線(xiàn)工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，支持工業(yè)從站和IO-Link主站之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，進(jìn)而與更高級(jí)別的過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖1. IO-Link主站/從站通信接口。

在IO-Link應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)運(yùn)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(hào)線(xiàn)路之間的物理層接口。IO-Link通信涉及多種類(lèi)型的傳輸，包括過(guò)程數(shù)據(jù)、值狀態(tài)、從站數(shù)據(jù)和事件。這樣一來(lái)，如果發(fā)生錯(cuò)誤，便能快速識(shí)別、跟蹤和處理工業(yè)從站，幫助減少停機(jī)時(shí)間。IO-Link支持遠(yuǎn)程配置；例如，如果需要調(diào)整觸發(fā)過(guò)程警報(bào)的閾值，可以通過(guò)IO-Link連接將更新的閾值發(fā)送到從站，以此方式進(jìn)行調(diào)整，無(wú)需技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)操作。

IO-Link主站端口和從站之間的通信受到多個(gè)時(shí)序的限制，并按照名為M序列時(shí)間的固定時(shí)間表進(jìn)行。M序列消息包括從IO-Link主站發(fā)送到從站的命令或請(qǐng)求，以及來(lái)自從站的回復(fù)消息。圖2所示為M序列中的時(shí)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(yīng)時(shí)間 tA內(nèi)響應(yīng)主站，該時(shí)間范圍為1 Tbit至10 Tbit（Tbit = 位時(shí)間）。對(duì)于COM3波特率， tA 應(yīng)介于4.3 μs和43 μs之間。如果響應(yīng)時(shí)間超出此范圍，則會(huì)發(fā)生通信故障。

圖2. IO-Link通信中的M序列時(shí)序。

如果未能準(zhǔn)時(shí)

IO-link從站微控制器需要同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，因此可能難以在為 tA指定的可接受時(shí)間窗口內(nèi)響應(yīng)請(qǐng)求。在執(zhí)行微控制器不能中斷的任務(wù)時(shí)尤其如此，此類(lèi)型任務(wù)通常被稱(chēng)為不可屏蔽中斷(NMI)。如果從站微控制器在指定時(shí)間窗口內(nèi)未做出響應(yīng)，則通信中斷，必須重新啟動(dòng)。

例如，對(duì)于超聲波測(cè)距傳感器，微控制器需要執(zhí)行的一些任務(wù)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(xiàn)路，然后計(jì)算距離

測(cè)量環(huán)境溫度以補(bǔ)償聲速

管理傳感器后臺(tái)任務(wù)（例如電源管理）

回復(fù)IO-Link周期性請(qǐng)求

回復(fù)IO-Link非周期性請(qǐng)求

由于要連續(xù)處理數(shù)據(jù)樣本，微控制器幾乎沒(méi)有時(shí)間管理數(shù)據(jù)鏈路層通信任務(wù)，這導(dǎo)致從站響應(yīng)時(shí)間顯著變化。在極端情況下，還可能無(wú)法滿(mǎn)足 tA的時(shí)序要求。

僅使用速度更快、功能更多的微控制器無(wú)法解決NMI引起的時(shí)序問(wèn)題。解決此時(shí)序問(wèn)題的一個(gè)典型解決方案是使用第二個(gè)微控制器來(lái)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(yīng)時(shí)間間隔。然而，該方法的效率極低，因?yàn)槠涔母咔倚枰蟮?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB，因此需要更大的傳感器外殼。

管理數(shù)據(jù)鏈路

一個(gè)更好的替代方案是使用收發(fā)器來(lái)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(jī)（圖3）集成了IO-Link從站收發(fā)器中常見(jiàn)的所有功能，包括24 V C/Q、集成降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器以及5 V和3.3 V線(xiàn)性穩(wěn)壓器。

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

該設(shè)備是第一個(gè)包含全功能狀態(tài)機(jī)的收發(fā)器，可全面管理IO-Link數(shù)據(jù)通信的時(shí)序。它能夠自動(dòng)處理與IO-Link主站的通信，以處理配置和維護(hù)請(qǐng)求等，并能夠使用微控制器寫(xiě)入寄存器和FIFO的數(shù)據(jù)來(lái)處理數(shù)據(jù)傳輸。使用該收發(fā)器的一個(gè)主要好處是，在為傳感器選擇微控制器時(shí)，它提供了更多的選擇，因?yàn)閺恼疚⒖刂破鞑恍枰芾砼cIO-Link主站通信的任務(wù)。

MAX22516監(jiān)控來(lái)自IO-Link主站的傳入消息。收到完整的索引服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ISDU)配置或維護(hù)請(qǐng)求后，該收發(fā)器自動(dòng)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(shí)間允許，微控制器可將按需數(shù)據(jù)加載到ISDU FIFO中，這項(xiàng)任務(wù)通常需要多個(gè)周期才能完成。收發(fā)器使用輸入過(guò)程數(shù)據(jù)(PDIn)和輸出過(guò)程數(shù)據(jù)(PDOut) FIFO中的數(shù)據(jù)來(lái)管理PDIn和PDOut，允許微控制器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入PDIn FIFO并從PDOut FIFO讀取，不受任何時(shí)間限制。集成緩沖區(qū)確保FIFO中的數(shù)據(jù)在處理前不會(huì)丟失或被覆蓋。

圖4展示了與使用單一微控制器的應(yīng)用相比，使用該收發(fā)器如何顯著減少?gòu)恼卷憫?yīng)IO-Link主站所需的時(shí)間。從站響應(yīng)時(shí)間縮短超過(guò)50%，同時(shí)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(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間。

MAXREFDES281 IO-Link從站參考設(shè)計(jì)（圖5）采用MAX22516，可用于驗(yàn) 證不同類(lèi)型IO-Link傳感器的時(shí)序性能。

圖5. MAXREFDES281 IO-Link從站參考設(shè)計(jì)。

結(jié)論

微控制器需要同時(shí)管理多項(xiàng)任務(wù)，這意味著它們有時(shí)難以滿(mǎn)足IO-Link數(shù)據(jù)通信的時(shí)序規(guī)范。一些設(shè)備制造商使用第二個(gè)微控制器來(lái)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?yàn)镸AX22516 IO-Link收發(fā)器集成了一個(gè)可以管理所有IO-Link通信的狀態(tài)機(jī)，讓主要從站微控制器能夠執(zhí)行其他時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)。