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非常見問題解答第227期： 使用IO-Link收發器管理數據鏈路如何簡化微控制器選擇
前言：
作者：Brian Condell，數字營銷工程師
Michael Jackson，首席工程師
Konrad Scheuer，高級首席工程師
問題
面對與遵守IO-Link標準中規定的時序要求相關的挑戰，IO-Link®從站微控制器如何克服？
回答
IO-link從站微控制器需要同時執行多項任務，因此可能難以在可接受的指定時間窗口內響應請求。在執行微控制器不能中斷的任務時尤其如此。解決此時序挑戰的一個典型解決方案是使用第二個微控制器來管理IO-Link堆棧，從而在IO-Link從站和IO-Link主站之間保持更穩定的響應時間間隔。然而，該方法的效率極低，因為其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的傳感器外殼。一個更好的替代方案是使用能夠在通信路徑中管理數據鏈路和物理層的收發器。通過使用該收發器，從站微控制器無需再執行此任務，設計人員能夠設計出更小巧、更復雜、功能更強大且具有成本效益的工業現場儀器。
簡介
“一次做兩件事等于一無所成”— 雖然拉丁文作家普布里烏斯·西魯斯對多任務處理的看法可能有些極端，但有時候，多任務處理可能會導致任務無法按最初預期的方式完成，或無法按時完成。隨著工業過程日益復雜化，傳感器和執行器等現場儀器已發展為同時執行多項不同的任務，包括與過程控制器保持定期通信。這給從站微控制器帶來了額外的開銷，必須妥善管理從站微控制器，否則過程數據可能會丟失，從而導致生產停機，現代工業通信協議應減少這種情況的發生。
IO-Link時序
IO-Link是24 V、3線工業通信標準，支持工業從站和IO-Link主站之間的點對點通信，進而與更高級別的過程控制網絡進行通信。
圖1.IO-Link主站/從站通信接口。
在IO-Link應用中，收發器充當運行數據鏈路層協議（堆棧）的微控制器和24 V IO-Link信號線路之間的物理層接口。IO-Link通信涉及多種類型的傳輸，包括過程數據、值狀態、從站數據和事件。這樣一來，如果發生錯誤，便能快速識別、跟蹤和處理工業從站，幫助減少停機時間。IO-Link支持遠程配置；例如，如果需要調整觸發過程警報的閾值，可以通過IO-Link連接將更新的閾值發送到從站，以此方式進行調整，無需技術人員前往現場操作。
IO-Link主站端口和從站之間的通信受到多個時序的限制，并按照名為M序列時間的固定時間表進行。M序列消息包括從IO-Link主站發送到從站的命令或請求，以及來自從站的回復消息。圖2所示為M序列中的時序參數，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時間tA內響應主站，該時間范圍為1 Tbit至10 Tbit(Tbit = 位時間)。對于COM3波特率，tA應介于4.3 µs和43 µs之間。如果響應時間超出此范圍，則會發生通信故障。
圖2.IO-Link通信中的M序列時序。
如果未能準時
IO-link從站微控制器需要同時執行多項任務，因此可能難以在為tA指定的可接受時間窗口內響應請求。在執行微控制器不能中斷的任務時尤其如此，此類型任務通常被稱為不可屏蔽中斷(NMI)。如果從站微控制器在指定時間窗口內未做出響應，則通信中斷，必須重新啟動。
例如，對于超聲波測距傳感器，微控制器需要執行的一些任務包括：
? 發送超聲波突發脈沖
? 處理上一次突發脈沖中的固有線路，然后計算距離
? 測量環境溫度以補償聲速
? 管理傳感器后臺任務（例如電源管理）
? 回復IO-Link周期性請求
? 回復IO-Link非周期性請求
由于要連續處理數據樣本，微控制器幾乎沒有時間管理數據鏈路層通信任務，這導致從站響應時間顯著變化。在極端情況下，還可能無法滿足tA的時序要求。
僅使用速度更快、功能更多的微控制器無法解決NMI引起的時序問題。解決此時序問題的一個典型解決方案是使用第二個微控制器來管理IO-Link堆棧，從而在IO-Link從站和IO-Link主站之間保持更穩定的響應時間間隔。然而，該方法的效率極低，因為其功耗更高且需要更大的PCB，因此需要更大的傳感器外殼。
圖3.帶收發器和集成DC-DC轉換器的MAX22516 IO-Link狀態機
管理數據鏈路
一個更好的替代方案是使用收發器來管理通信路徑中的數據鏈路和物理層。MAX22516 IO-Link狀態機（圖3）集成了IO-Link從站收發器中常見的所有功能，包括24 V C/Q、集成降壓型DC-DC轉換器以及5 V和3.3 V線性穩壓器。
該設備是第一個包含全功能狀態機的收發器，可全面管理IO-Link數據通信的時序。它能夠自動處理與IO-Link主站的通信，以處理配置和維護請求等，并能夠使用微控制器寫入寄存器和FIFO的數據來處理數據傳輸。使用該收發器的一個主要好處是，在為傳感器選擇微控制器時，它提供了更多的選擇，因為從站微控制器不需要管理與IO-Link主站通信的任務。
MAX22516監控來自IO-Link主站的傳入消息。收到完整的索引服務數據單元(ISDU)配置或維護請求后，該收發器自動向IO-Link主站發送ISDU BUSY消息，并通知從站微控制器通信已成功完成。如果時間允許，微控制器可將按需數據加載到ISDU FIFO中，這項任務通常需要多個周期才能完成。收發器使用輸入過程數據(PDIn)和輸出過程數據(PDOut) FIFO中的數據來管理PDIn和PDOut，允許微控制器將數據寫入PDIn FIFO并從PDOut FIFO讀取，不受任何時間限制。集成緩沖區確保FIFO中的數據在處理前不會丟失或被覆蓋。
圖4展示了與使用單一微控制器的應用相比，使用該收發器如何顯著減少從站響應IO-Link主站所需的時間。從站響應時間縮短超過50%，同時變化幅度也從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通信的應用的響應時間。
MAXREFDES281 IO-Link從站參考設計（圖5）采用MAX22516，可用于驗證不同類型IO-Link傳感器的時序性能。
圖5.MAXREFDES281 IO-Link從站參考設計。
結論
微控制器需要同時管理多項任務，這意味著它們有時難以滿足IO-Link數據通信的時序規范。一些設備制造商使用第二個微控制器來管理IO-Link堆棧，但該方法令人難以接受。現在不再需要該雙微控制器方法，因為MAX22516 IO-Link收發器集成了一個可以管理所有IO-Link通信的狀態機，讓主要從站微控制器能夠執行其他時間關鍵型任務。
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作者簡介
Brian Condell是ADI公司的數字營銷工程師，工作地點在愛爾蘭利默里克。他于2003年畢業于利默里克大學，獲得電氣工程榮譽學位。他擁有超過25年的半導體行業工作經驗，曾擔任多個職位。他是經過TÜV Rheinland認證的IEC 61508硬件/軟件設計功能安全工程師。
Michael Jackson是SSG事業部的首席工程師，負責解決方案營銷。他擁有電子工程碩士學位。
Konrad Scheuer是ADI公司技術人員的資深首席工程師。他于2003年畢業于阿倫高等專業學院，獲得電氣工程學位。
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