借助IO-Link收发器简化微控制器设计

“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，无需威廉希尔官方网站 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 tA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， tA 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 tA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 tA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。

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。

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

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。