非常见问题解答第227期：使用IO－Link收发器管理数据链路如何简化微控制器选择

作者：Brian Condell，数字营销工程师
Michael Jackson，首席工程师
Konrad Scheuer，高级首席工程师

问题

面对与遵守IO-Link标准中规定的时序要求相关的挑战，IO-Link^®从站微控制器如何克服？

回答

IO-link从站微控制器需要同时执行多项任务，因此可能难以在可接受的指定时间窗口内响应请求。在执行微控制器不能中断的任务时尤其如此。解决此时序挑战的一个典型解决方案是使用第二个微控制器来管理IO-Link堆栈，从而在IO-Link从站和IO-Link主站之间保持更稳定的响应时间间隔。然而，该方法的效率极低，因为其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的传感器外壳。一个更好的替代方案是使用能够在通信路径中管理数据链路和物理层的收发器。通过使用该收发器，从站微控制器无需再执行此任务，设计人员能够设计出更小巧、更复杂、功能更强大且具有成本效益的工业现场仪器。

简介

“一次做两件事等于一无所成”— 虽然拉丁文作家普布里乌斯·西鲁斯对多任务处理的看法可能有些极端，但有时候，多任务处理可能会导致任务无法按最初预期的方式完成，或无法按时完成。随着工业过程日益复杂化，传感器和执行器等现场仪器已发展为同时执行多项不同的任务，包括与过程控制器保持定期通信。这给从站微控制器带来了额外的开销，必须妥善管理从站微控制器，否则过程数据可能会丢失，从而导致生产停机，现代工业通信协议应减少这种情况的发生。

IO-Link时序

IO-Link是24 V、3线工业通信标准，支持工业从站和IO-Link主站之间的点对点通信，进而与更高级别的过程控制网络进行通信。

图1.IO-Link主站/从站通信接口。

在IO-Link应用中，收发器充当运行数据链路层协议（堆栈）的微控制器和24 V IO-Link信号线路之间的物理层接口。IO-Link通信涉及多种类型的传输，包括过程数据、值状态、从站数据和事件。这样一来，如果发生错误，便能快速识别、跟踪和处理工业从站，帮助减少停机时间。IO-Link支持远程配置；例如，如果需要调整触发过程警报的阈值，可以通过IO-Link连接将更新的阈值发送到从站，以此方式进行调整，无需技术人员前往现场操作。

IO-Link主站端口和从站之间的通信受到多个时序的限制，并按照名为M序列时间的固定时间表进行。M序列消息包括从IO-Link主站发送到从站的命令或请求，以及来自从站的回复消息。图2所示为M序列中的时序参数，其中包括IO-Link主站端口和从站消息之间的消息。从站必须在从站响应时间t_A内响应主站，该时间范围为1 Tbit至10 Tbit(Tbit = 位时间)。对于COM3波特率，t_A应介于4.3 µs和43 µs之间。如果响应时间超出此范围，则会发生通信故障。

图2.IO-Link通信中的M序列时序。

如果未能准时

IO-link从站微控制器需要同时执行多项任务，因此可能难以在为t_A指定的可接受时间窗口内响应请求。在执行微控制器不能中断的任务时尤其如此，此类型任务通常被称为不可屏蔽中断(NMI)。如果从站微控制器在指定时间窗口内未做出响应，则通信中断，必须重新启动。

例如，对于超声波测距传感器，微控制器需要执行的一些任务包括：

►  发送超声波突发脉冲
►  处理上一次突发脉冲中的固有线路，然后计算距离
►  测量环境温度以补偿声速
►  管理传感器后台任务（例如电源管理）
►  回复IO-Link周期性请求
►  回复IO-Link非周期性请求

由于要连续处理数据样本，微控制器几乎没有时间管理数据链路层通信任务，这导致从站响应时间显著变化。在极端情况下，还可能无法满足t_A的时序要求。

仅使用速度更快、功能更多的微控制器无法解决NMI引起的时序问题。解决此时序问题的一个典型解决方案是使用第二个微控制器来管理IO-Link堆栈，从而在IO-Link从站和IO-Link主站之间保持更稳定的响应时间间隔。然而，该方法的效率极低，因为其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的传感器外壳。

图3.带收发器和集成DC-DC转换器的MAX22516 IO-Link状态机

管理数据链路

一个更好的替代方案是使用收发器来管理通信路径中的数据链路和物理层。MAX22516 IO-Link状态机（图3）集成了IO-Link从站收发器中常见的所有功能，包括24 V C/Q、集成降压型DC-DC转换器以及5 V和3.3 V线性稳压器。

该设备是第一个包含全功能状态机的收发器，可全面管理IO-Link数据通信的时序。它能够自动处理与IO-Link主站的通信，以处理配置和维护请求等，并能够使用微控制器写入寄存器和FIFO的数据来处理数据传输。使用该收发器的一个主要好处是，在为传感器选择微控制器时，它提供了更多的选择，因为从站微控制器不需要管理与IO-Link主站通信的任务。

MAX22516监控来自IO-Link主站的传入消息。收到完整的索引服务数据单元(ISDU)配置或维护请求后，该收发器自动向IO-Link主站发送ISDU BUSY消息，并通知从站微控制器通信已成功完成。如果时间允许，微控制器可将按需数据加载到ISDU FIFO中，这项任务通常需要多个周期才能完成。收发器使用输入过程数据(PDIn)和输出过程数据(PDOut) FIFO中的数据来管理PDIn和PDOut，允许微控制器将数据写入PDIn FIFO并从PDOut FIFO读取，不受任何时间限制。集成缓冲区确保FIFO中的数据在处理前不会丢失或被覆盖。

图4展示了与使用单一微控制器的应用相比，使用该收发器如何显著减少从站响应IO-Link主站所需的时间。从站响应时间缩短超过50%，同时变化幅度也从12 µs大幅降至0.25 µs。

图4.比较使用单一微控制器（左）和MAX22516（右）管理IO-Link通信的应用的响应时间。

MAXREFDES281 IO-Link从站参考设计（图5）采用MAX22516，可用于验证不同类型IO-Link传感器的时序性能。

图5.MAXREFDES281 IO-Link从站参考设计。

结论

微控制器需要同时管理多项任务，这意味着它们有时难以满足IO-Link数据通信的时序规范。一些设备制造商使用第二个微控制器来管理IO-Link堆栈，但该方法令人难以接受。现在不再需要该双微控制器方法，因为MAX22516 IO-Link收发器集成了一个可以管理所有IO-Link通信的状态机，让主要从站微控制器能够执行其他时间关键型任务。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

作者简介

Brian Condell是ADI公司的数字营销工程师，工作地点在爱尔兰利默里克。他于2003年毕业于利默里克大学，获得电气工程荣誉学位。他拥有超过25年的半导体行业工作经验，曾担任多个职位。他是经过TÜV Rheinland认证的IEC 61508硬件/软件设计功能安全工程师。

Michael Jackson是SSG事业部的首席工程师，负责解决方案营销。他拥有电子工程硕士学位。

Konrad Scheuer是ADI公司技术人员的资深首席工程师。他于2003年毕业于阿伦高等专业学院，获得电气工程学位。