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ST IO-Link 通信主站整体解决方案(中)

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STMCU小助手 发布时间:2022-11-15 21:59
通常在工业自动化系统之中,会通过一个高速的工业现场总线,比如ProfiNet、EtherNet/IP等网络,连接到一个IO-Link master设备,再通过这个IO-Link master设备连接到各个IO-Link 的节点,比如IO-Link 的sensor或者是IO-Link的执行器,再或是IO-Link Hub。目前主流的IO-Link master 设备一般可以支持八个节点。上行连接主控端的方式就是各种工业网络,也就是以总线的方式进行下行连接,而不同IO-Link slave设备的通信方式则是通过点对点进行。
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因此,如果需要扩展更多的IO-Link设备,一般是通过增加IO-Link master 的设备进行扩展。在这些系统之中,还会用到STM32-MCU,电源芯片、传感器芯片以及其它的驱动器和功率器件等相关产品。ST可以提供相关系统的完整解决方案,下面将向大家介绍具体内容。$ a! Q$ t! f) e/ _( w+ ]
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/ @3 t1 w6 |* F1 h6 F3 v8 Z% z5 n  IO-Link Master端的L6360的内部功能框图及主要特点。! {8 V" Z1 [+ [2 i/ T
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首先,如下图所示,图右上角的VCC可以通过内部开关Power Switch供给L+的电源,给Device一端的线缆上提供供电电压。这个开关是一个带限流功能的功率开关,内阻是2Ω,相对较低。这个开关可以通过左边Digital Interface 的Enable使能管脚进行控制。0 r! O( T& d& K! H

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然后再来看一下输出端,也就是中间部分的CQo管脚。它代表的是CQ output,即为信号输出。它是由高边开关和低边开关组成的输出控制电路,可以通过配置,将其设置为仅控制高边开关的High-side模式,或者设置为仅控制低边开关的Low-side 模式,再或是设置为高边-低边开关,同时配合使用Push-Pull 推挽的工作模式。旁边的CQI代表CQ input 输入管脚。它是把外部的高电压信号电平的信号,比如24v电平的信号,通过内部的buffer转换为3.3v的低电压逻辑电平,再通过可编程的数字滤波器转给MCU进行处理和发送。另外,下面还有一个IQ管脚。这个通道可以用来设置一些其他传统的IO输入。在L6360的CQ信号和IQ信号的输入部分,各有一个可配置的精密电流源。当需要用到深度输入的时候,就可以进行使用。但如果将CQ作为High-side输出时,就需要将它关闭。$ b- B  u* a- u: h

' H, t2 ?& [2 F' ZST的L6360内置了两组led指示灯的驱动和时序控制电路,可以用两种不同颜色的LED指示灯,通过电源和限流电阻连接到LED1和LED2这两个驱动管脚上。每个LED都有一个16位的寄存器作为时序控制,每一位的扫描时间是64毫秒,那么16位扫描一次的时间就是一秒钟左右。所以不同的闪烁状态和两种不同颜色就可以用来显示当前状态或者是报警诊断信息。左边芯片可以支持I2C 接口,以此进行芯片配置。
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I2C接口的最快速率为400K,用来实现芯片的寄存器配置、控制和诊断等功能。比如,用寄存器配置高边低边的限流大小或是延迟时间等功能。上面部分的Digital Interface与 I2C接口不同, 是一个并行的控制接口,可以控制上述的输出驱动、输入接口等等的Enable使能功能,通过这些管脚的上下拉直接进行控制。在它内部还集成了一个LDO,除了内部使用,还可以实现输出。它的VH就是这个LDO的输入管脚,可以到VCC电压。VDD管脚就是输出电压,可以是3.5v或5v,通过SEL管脚进行控制。下拉设置为5v,上拉则设置为3.3v。输出的电流一般最大可以到50毫安,限流是到65毫安。: j4 C7 Q( h. r- j$ \
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LDO输出可以用作单板上的MCU或者其他所需部分进行供电。一般情况下,工业系统供电24v,而你的MCU是3.3v或者5v,所以它可以帮你的单板节省了一个MCU供电的LDO。当然,当需要更大的电流的时候,那可能就要通过外置一个DC-DC来实现供电。另外,它还有一个控制诊断模块,具有欠压保护和过温保护等功能。这些诊断信息还可以通过中断,从而进行输出。该芯片的最高工作电压VCC为32.5v。Low-side和High-side的Switch的最大限流为1600毫安。High-side Switch的内阻是1欧姆,Low-side Switch的内阻是0.6欧姆,因此性能也非常不错。该芯片的封装大小为3.5*5毫米,QFN封装,可以实现一些小型化的需求。
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3 G: D0 P8 _; q- [7 Z$ P# \- F# E基于主站的L6360和从站的L6362A芯片可以提供的demo和资料。
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9 J( ^, k8 x6 z  `首先,主站的L6360评估板叫做STEVAL-IOM001V1。加上MCU的评估板套件,则叫做P-NUCLEO-IOM01M1的评估套件。另外一个四端口的评估板套件被命名为STEVAL-IDP004V2。这些主站评估板的套件都是内置设计。ST软件的合作伙伴TEConcept 提供了主站协议站的测试版,以供使用。对于从站部分,ST的L6362A加上STM32的评估板套件,即P-NUCLEO-IOD01A1。另外还有IDP003V1以及BAF001V2这两个从站评估板,ST都可提供。还有一些文档资料,都可以在ST官网进行下载。无论主站还是从站,ST都可以提供完整的参考设计,包括硬件软件的参考设计。对于从站部分,ST可以免费提供Mini Stack以供使用。对于主站部分,由于代码量和复杂性,需要通过与ST的软件合作伙伴咨询购买硬协议ASIC 或者是软协议购买代码的方式。后续会有详细解释说明。
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0 H, N5 Y/ I+ L5 s% X$ y7 M+ \怎么利用P-NUCLEO-IOM01M1和P-NUCLEO-IOD01A1这样的评估套件来搭建一个多端口的测试系统? 举个例子,四端口的测试系统需要将NUCLEO-F446的MCU评估板用作内置主站协议站的评估板。加上4个STEVAL-IOM001V1的L6360评估板,作为四个输出的物理层接口。左边是主站部分,从站部分为右边,要使用NUCLEO-L073 MCU评估板来内置从站协议站作为信号处理。STEVAL-LD003V1是从站收发器芯片评估板,作为从站的物理层接口。另外,X-NUCLEP-IKS01A2作为外部传感器的输入。最后,从站评估板就完成了。这样的话,通过四个主站接口,加上四个从站协议站的评估套件,并使用工业三线的标准线缆将评估板连接起来,接上24v电源,就可以搭建成功一个测试系统。电脑端支持使用USB口进行连接。电脑上需要安装Control tools, 即IO-Link Control tools, TEConcept评估套件,之后就可以完整搭建起来了。
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) f- i1 g/ A' i7 [6 @+ N  ]对于P-NUCLEO-IOM01M1套件,它可以运行IO-Link 主站协议站。它由两个部分组成,一个是STEVAL-IOM001V1,基于主站L6360收发器的评估板。这个板子的端口插针可以直连四个同样接口的评估板,因此可以搭建起一套四端口的评估系统。这个板子上还带了一个IPS161H的智能控制开关,可以作为L+的输出。当输出电流要求较大的时候,我们就可以使用这个外部的IPS161H作为L+ 24v电源的补充输出这上边这一块叫做NUCLEO F446。它是一个基于STM32F446R1的MCU评估板。这块评估板内置了TEConcept 的IO-link 主站协议站版本。同时,这个板可以支持ST一些通用的开发环境,也有ST-link调试接口提供给大家使用。
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这个套件里边的STEVAL-IOM001V1评估板,就是L6360的评估板。它的插口可以当作MCU的扩展板,也可以叠加起来使用。在最中间,就是一个L6360的主站收发器芯片。在它的左边部分,有一个IPS161H作为L+输出电源的驱动和增强功能。最左边的中间是IO-Link 的接口端的绿色部分,它的接线要根据线缆接口来定义后再连接。在左下边,也就是单板的供电,供电范围是18v到32.5v。一般工业测试来说,24v的直流电源已经足够。在上面,还有一个Nucleo的备用电源。板子还可以选择3.3v和5v的稳压电源,输出电流可以达到65毫安。这块板子可以用来单独测试,也可以直接插到MCU的评估板,无缝连接地使用与评估。
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IO-Link从站的P-NUCLEO-IOD01A1评估套件可以运行IO-Link从站协议站,也包含了两个部分。在扩展版部分, 它由STEVAL-IOD003V1 L6362A从站收发器芯片评估板以及STEVAL-IKS01A2传感器评估板组成。上面有加速度计、压力传感器、温度传感器等。另外一个是模板部分,是一个型号为NUCLEO-L073RZ的MCU评估模板。它是一个基于STM32L073RZ的MCU评估板,可以用来加载来自TEConcept 的IO-Link从站协议站。这个是ST的一款低功耗的MCU-M0的评估板,也可以支持ST的一些调试环境、编译环境,还有一些外部连接,因此我们可以使用ST link这样的调试端口来连接使用。$ p: d2 Y" h7 q2 ^3 J2 y
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IO-Link传感器评估套件里的两个扩展板。
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上图左是负责IO-Link通信的STEVAL-IOD003V1评估板,上面有一个L6362A的IO-Link从站收发器芯片,下面带一个连接IO-Link线缆的连接器端子。在这上边,还可以有一个接头附加另外的传感器。另外一块是传感器的评估板,它的型号是X-NUCLEO-IKS01A2,带有ST四种型号的传感器。第一个型号是HTS221温湿度传感器,它可以测量空气中的温湿度。第二个型号是IPS22HB压力式传感器,是一个压阻式绝对值数字输出气压计。第三个型号是LSM6DSL惯性导航测量单元,被称之为IMU模块。它由三个方向的加速度计和三个轴向的陀螺仪组成。第四个的型号是一个LSM303AGR加速度计加电子罗盘的传感器模块,由三个方向的数字线性加速度传感器和3D的数字式磁传感器的电子罗盘组成。所以这是一个多传感器测量模块。在它上边还有一个接口,可以扩展外接更多的MEMES的传感器。这是ST的一个特色。
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为了配合使用这些评估套件系统,ST有一系列的软件工具和固件可以提供。首先针对STEVAL-IOM001V1和STEVAL-IOD1003V1这套评估系统,有一个图形化的用户界面叫做STSW-IOLINKGUI的图形用户界面和对应固件。在ST官网上搜索STSW-IOLINKGUI,就可以找到这个软件的下载链接。GUI可以免费下载,用来进行这些器件的设置、评估、测试等工作。同时,ST还与一些IO-link协议站的第三方进行合作,可以提供一系列的IO-link专业的协议站应用评估和测试工具。P-NUCLEO这套评估板就可以用来加载来自TEConcept公司的协议站。TEConcept公司也提供了IO-Link control Tool应用软件,可以很容易地可视化运行这套IO-Link系统,进行一些参数通讯和数据处理工作。从站中有一个名为IODD的设备描述文件,我们可以通过这个Tool的IODD finder进行加载配置。一些相关的详细操作方法和步骤,可以参考ST的一些应用文档,也可以通过在官网搜索UM2421获得下载链接。
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$ n2 U) I7 e( E2 {3 I基于当前方案,ST产品线还有一个4端口的IDP004V2主站评估板。这套评估板使用了STM32的MCU,加上4个L6360收发器。其内置的IO-Link v1.1的评估板本的协议站,这个单板上还有485接口、CAN接口、USB接口以及DC-DC电源。我们一般是使用USB电缆连接到电脑上,然后在电脑上使用TEConcept的IO-Link control tour进行评估测试。对于从站的通信接口,其板子上使用的是标准的M12接头,可以支持标准的IO-Link三线制通信。也就是一根通信线,一根L+电源,以及一根D,可以连接各种IO-Link从站并进行通信测试评估。对于IO-Link 从站协议站, ST这边可以提供Mini Stack免费协议站。主站协议站相对于从站来说就会更复杂一些。
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