CN112882420A - 一种通用的IO-Link从站系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通用的IO‑Link从站系统，包括电源模块、IO‑Link通信电路、主控模块、开关量接口电路、串行通信接口电路；电源模块，用于将输入的电源电压转换为内部电压；IO‑Link通信电路，用于连接IO‑Link主站设备通信电缆，将IO‑Link系统的通信电平信号转换为主控模块适配的TTL电平，同时提供电源电压给电源模块；主控模块，用于通过IO‑Link通信电路与IO‑Link主站设备进行数据通信；开关量接口电路，用于将主控模块与外部输入或输出的开关量设备、外围保护电路连接；主控模块通过串行通信接口电路连接外部通用微控制单元。本发明可以直接配置成任意连接开关量，可以与通用MCU通信，可以单独实现与主站设备的全部IO‑Link协议通信，通用MCU可以根据实际应用需求对模块的部分参数进行配置。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种通用的IO-Link从站系统。
背景技术
IO-Link是简易的点对点通信，其具备独立开放的通信接口，作为一种I/O通信方式，可以增强工业总线网络中各连接设备间的通信能力。该接口能将工业环境中各类传感器、执行器、集线器的开关量、模拟量稳定高效地与主站设备相互传输。
现有的IO-Link从站系统主要针对某个具体的传感器、执行器或集线器单独设计为一个从站模块，这种方式下往往在某些工业场景应用中需要根据不同需求设计或购买对应的传感器、执行器、集线器。特别是相对于种类丰富的大多数传感器生产和部署甚至是更换，存在灵活性、通用性的不足。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通用的IO-Link从站系统，解决了现在大多数IO-Link从站模块采用直接的固定传感器、执行器、集线器设计，数据采集和传输在软硬件的设计都是以一个整体的方式存在，导致在各种应用场景中无法体现足够的灵活性，从站模块的选择也有很大的局限等问题。
本发明提供一种通用的IO-Link从站系统，包括电源模块、IO-Link通信电路、主控模块、开关量接口电路、串行通信接口电路；其中，
所述电源模块，用于将输入的电源电压转换为内部电压；
所述IO-Link通信电路，用于连接IO-Link主站设备通信电缆，将IO-Link系统的通信电平信号转换为所述主控模块适配的TTL电平，同时提供所述电源电压给所述电源模块；
所述主控模块，用于通过所述IO-Link通信电路与IO-Link主站设备进行数据通信；
所述开关量接口电路，用于将所述主控模块与外部输入或输出的开关量设备、外围保护电路连接；
所述主控模块通过所述串行通信接口电路连接外部通用微控制单元。
进一步地，所述电源模块将输入的24V电源电压进行转换，输出5V和3.3V内部电压。
进一步地，所述电源模块采用DCDC电源转换芯片，将输入的24V电源电压转换为5V内部电压。
进一步地，所述电源模块采用LOD电源转换芯片，将输入的5V电源电压转换为3.3V内部电压。
进一步地，外部通用微控制单元将采集到的数据送入所述主控模块的内部存储空间，所述主控模块将接收到的数据封装后传输给IO-Link主站设备，同时外部通用微控制单元通过所述串行通信接口电路获取所述主控模块的内部存储空间从IO-Link主站设备传输的控制信号数据。
进一步地，所述IO-Link通信电路包括IO-Link电平转换芯片、第一限流保护电阻、第二限流保护电阻、第三限流保护电阻、第四限流保护电阻、第一电平下拉电阻、第二电平下拉电阻、第一滤波耦合电容、第二滤波耦合电容、第三滤波耦合电容、第四滤波耦合电容，所述IO-Link电平转换芯片的第一设备信号输入管脚与所述第一限流保护电阻连接，第二设备信号输入管脚与所述第二限流保护电阻连接，主站输入数据信号管脚与高边功率输出管脚、低边功率输出管脚之间串联所述第三限流保护电阻，主站输出数据信号管脚与所述第四限流保护电阻连接，所述第一电平下拉电阻一端与所述第一限流保护电阻连接，另一端接地，所述第二电平下拉电阻一端所述第二限流保护电阻连接，另一端接地，所述第一滤波耦合电容一端接在所述第一设备信号输入管脚与所述第一限流保护电阻之间，另一端接地，所述第二滤波耦合电容接在所述第二设备信号输入管脚与所述第二限流保护电阻之间，另一端接地，所述第三滤波耦合电容一端与所述主站输入数据信号管脚连接，另一端接地，供电电压管脚与所述第四滤波耦合电容连接。
一种通用的IO-Link从站系统，包括驱动层、协议层、应用层；其中，
所述驱动层，用于对各项接口和处理器软件内部资源进行初始化和提供接口操作驱动函数；
所述协议层，用于实现完整的IO-Link从站系统；
所述应用层，用于实现所述通用的IO-Link从站系统的各项应用功能需求。
进一步地，所述驱动层包含UART接口驱动、SPI接口驱动、IO管脚驱动、定时器驱动、外部中断驱动、EEPROM驱动和DMA驱动。
进一步地，所述协议层包含硬件接口支持包、基本协议栈、应用层支持包、协议栈管理和协议栈扩展包。
进一步地，所述应用层包括IO-Link通信、从站模式切换、数据处理、参数配置指令系统；所述IO-Link通信用于实现所述通用的IO-Link从站系统与IO-Link主站设备的基本通信，所述基本通信包括通信握手、数据收发、通信超时判断与状态回落机制；所述从站模式切换用于处理所述通用的IO-Link从站系统内设备从待机模式到正常通信之间多个状态的切换与对应的硬件接口的启动和关闭；所述数据处理用于根据用户配置的参数开启或关闭对应的检测管脚、采样管脚数据及通过管脚输出主站控制信号；所述参数配置指令系统通过串行通信接口电路连接外部通用微控制单元实现数据通信，由外部通用微控制单元根据指令格式数据包对内部数据空间进行配置读写。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种通用的IO-Link从站系统可以直接配置成任意连接开关量，开关量可定义为输入或输出模式，多达16个，可用于设计开关量的传感器、执行器、集线器。此时无需连接通用MCU，只需加上GPIO的外围保护电路即可使用。如若需要有其他的应用，则连接通用MCU进行处理。
通用的IO-Link从站系统可以与通用MCU通过UART或SPI的串行通信方式进行通信，外部任意传感器、执行器或集线器连接到通用MCU，经通用MCU进行数据处理后，将数据读写到从站模块的数据存储区域。从站模块通过独立的IO-Link通信协议栈实现与主站设备的通信，对过程数据进行有效传输。需要用到这种方式的情况如下：①连接IIC、SPI等接口的传感器；②模拟量的输入，比如要模拟量输入的集线器等；③开关量的集线器外围保护电路使用了专用驱动IC从而需要编程时；④不只16个开关量的输入或输出。
通用的IO-Link从站系统具有独立的IO-Link从站通信协议栈，可以单独实现与主站设备的全部IO-Link协议通信。
通用的IO-Link从站系统能够与通用MCU通信，通用MCU可以根据实际应用需求对模块的部分参数进行配置，例如数据发送周期、收发数据长度、数据处理、MCU通信波特率等。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种通用的IO-Link从站系统示意图；
图2为本发明实施例的开关量接口电路连接示意图；
图3为本发明实施例的串行通信接口电路连接示意图；
图4为本发明一种通用的IO-Link从站系统软件算法结构示意图；
图5为本发明实施例的IO-Link通信电路原理图；
图6为本发明的一种通用的IO-Link从站系统与IO-Link主站设备通信流程图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种通用的IO-Link从站系统，如图1所示，包括电源模块、IO-Link通信电路、主控模块、开关量接口电路、串行通信接口电路；其中，
电源模块，用于将输入的电源电压转换为内部电压。本实施例中，电源模块将输入的24V电源电压进行转换，输出5V和3.3V内部电压供其他电路模块稳定运行工作，电源模块具有电源电流、电压过载保护和防止电源反接保护电路。电源模块的24V转5V电路采用常用DCDC电源转换芯片，通过芯片外围器件配比和滤波等实现对输出电压精确设置，最大供电电流3A，要求纹波级别小于1mV。电源模块的5V转3.3V电路采用常用LOD电源转换芯片，配合外围器件实现输出电压精确设置，最大供电电流0.5A，纹波级别小于1mV。电源模块PCB整板设计风格为采用大面积覆铜方式布线，同时将转换后的5V与3.3V电源引出管脚可供外部其他设备使用。
IO-Link通信电路，用于对外连接IO-Link主站设备通信电缆，将IO-Link系统的通信电平信号转换为主控模块适配的TTL电平，同时提供24V电源电压给电源模块。
主控模块与其他各模块之间皆有数据通信的双向连接，主要处理器可选用市面通用32位微处理器，其通过IO-Link通信电路实现与IO-Link主站设备的数据通信，包括设备检测连接握手、过程数据、服务数据、事件数据等通信。
开关量接口电路，用于将主控模块与外部输入或输出的开关量设备(如开关量的传感器芯片等)、外围保护电路(如光耦隔离电路等)连接。最终可以开发IO-Link的传感器、执行器、集线器。如图2所示，主要实现将外部通用开关量数据进行采集后封装传输给IO-Link主站设备，或者将IO-Link主站设备的控制信号输入给外部执行器设备。
主控模块通过串行通信接口电路连接外部通用微控制单元(MCU)。如图3所示，外部MCU将采集到的数据送入主控模块的内部存储空间，通过软件算法封装后传输给IO-Link主站设备，同时外部MCU通过串行通信接口电路获取主控模块的内部空间从IO-Link主站设备传输的控制信号数据。
如图5所示，IO-Link通信电路包括IO-Link电平转换芯片U2、第一限流保护电阻R10、第二限流保护电阻R12、第三限流保护电阻R11、第四限流保护电阻R13、第一电平下拉电阻R14、第二电平下拉电阻R15、第一滤波耦合电容C12、第二滤波耦合电容C11、第三滤波耦合电容C13、第四滤波耦合电容C10，IO-Link电平转换芯片的第一设备信号输入管脚IN1与第一限流保护电阻R10连接，第二设备信号输入管脚IN2与第二限流保护电阻R12连接，主站输入数据信号管脚I/Q与高边功率输出管脚OUTH、低边功率输出管脚OUTL之间串联第三限流保护电阻R11，主站输出数据信号管脚OUT_IQ与第四限流保护电阻R13连接，第一电平下拉电阻R14一端与第一限流保护电阻R10连接，另一端接地，第二电平下拉电阻R15一端第二限流保护电阻R12连接，另一端接地，第一滤波耦合电容C12一端接在第一设备信号输入管脚IN1与第一限流保护电阻R10之间，另一端接地，第二滤波耦合电容C11接在第二设备信号输入管脚IN2与第二限流保护电阻R12之间，另一端接地，第三滤波耦合电容C13一端与主站输入数据信号管脚I/Q连接，另一端接地，供电电压管脚VCC与第四滤波耦合电容C10连接。EN为输出使能管脚,OL为系统电流过载信号触发信号。表1、表2为外部调试收发逻辑真值表。
表1输出状态真值表
| 运行模式 | EN | IN1 | IN2 | HS | LS | I/Q |
| 正常模式 | 1 | 0 | 0 | OFF | ON | GND |
| 正常模式 | 1 | 0 | 1 | ON | OFF | VCC |
| 正常模式 | 1 | 1 | 0 | ON | OFF | VCC |
| 正常模式 | 1 | 1 | 1 | OFF | ON | GND |
| 正常模式 | 0 | X | X | OFF | OFF | 高阻状态 |
| 死区模式 | 1 | X | X | OFF | OFF | 高阻状态 |
| 低压模式 | 0 | X | X | OFF | OFF | 高阻状态 |
表2接收状态真值表
| EN | IN2 | IN1 | I/Q | OUT |
| X | X | 0 | 0 | 0 |
| X | X | 0 | 1 | 1 |
| X | X | 1 | 0 | 1 |
| X | X | 1 | 1 | 0 |
| 低压模式 | X | X | X | 0 |
如图4所示，一种通用的IO-Link从站系统的算法结构包括驱动层、协议层、应用层。所有的软件代码均在主控模块中处理器运行，实现对所有硬件电路的控制。
驱动层，用于对各项接口和处理器软件内部资源进行初始化和提供接口操作驱动函数。该层软件代码包含UART接口驱动、SPI接口驱动、IO管脚驱动、定时器驱动、外部中断驱动、EEPROM驱动、DMA驱动和其他必要代码等相关模块。
协议层，用于实现完整的IO-Link从站系统，其包含硬件接口支持包、基本协议栈、应用层支持包、协议栈管理、协议栈扩展包。
应用层，用于实现通用的IO-Link从站系统的各项应用功能需求。包括IO-Link通信、从站模式切换、数据处理、参数配置指令系统等。其中，IO-Link通信实现本设备与IO-Link主站设备的基本通信，包括通信握手、数据收发、通信超时判断与状态回落机制等。从站模式切换主要处理本机设备从待机模式到正常通信之间多个状态的切换与对应的硬件接口的启动和关闭。数据处理的功能是根据用户配置的参数开启或关闭对应的检测管脚、采样管脚数据、通过管脚输出主站控制信号等。参数配置指令系统是一个完整的设备参数配置系统，它通过通信接口电路连接外部通用MCU实现数据通信，由外部通用MCU根据特定的指令格式数据包对内部数据空间的配置读写。
一种通用的IO-Link从站系统与IO-Link主站设备通信过程中，其主要算法流程如图6所示。算法运行过程中主要根据通信状态通过切换模式1和模式2，达到处理不同通信状态下的各项具体功能。
其中模式1状态下，需要关闭通信串口并打开监听主站握手信号的外部中断信号管脚，当检测到通信总线的接收信号线下降沿信号并持续低电平大于50us时，确认为握手信号。如果不满足握手信号触发条件，则停留在模式1状态下。
如果确认接收到握手信号，此时进入模式2状态，并在500us内执行关闭外部中断同时需要打开通信串口，等待并实现具体通信数据的传输。
在模式2状态下，如果持续在设定的时间段(30ms-300ms)之内主站没有指令或者数据下发，总线信号线持续高电平状态，则认为通信超时，连接中断，系统恢复到模式1等待主站重新连接。
本发明提供的一种通用的IO-Link从站系统可以弥补现在市面上IO-Link从站传感器、执行器和集线器在设计开发和应用过程中产品类型单一、IO-Link通信协议应用难度大等不足，很大程度上提高了不同类型的IO-Link从站设备研发的效率，同时使用本发明所提出的通用性接口模块可以实现在应用或研发新产品过程中节约大量成本。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：包括电源模块、IO-Link通信电路、主控模块、开关量接口电路、串行通信接口电路；其中，
所述电源模块，用于将输入的电源电压转换为内部电压；
所述IO-Link通信电路，用于连接IO-Link主站设备通信电缆，将IO-Link系统的通信电平信号转换为所述主控模块适配的TTL电平，同时提供所述电源电压给所述电源模块；
所述主控模块，用于通过所述IO-Link通信电路与IO-Link主站设备进行数据通信；
所述开关量接口电路，用于将所述主控模块与外部输入或输出的开关量设备、外围保护电路连接；
所述主控模块通过所述串行通信接口电路连接外部通用微控制单元。
2.如权利要求1所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：所述电源模块将输入的24V电源电压进行转换，输出5V和3.3V内部电压。
3.如权利要求2所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：所述电源模块采用DCDC电源转换芯片，将输入的24V电源电压转换为5V内部电压。
4.如权利要求2所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：所述电源模块采用LOD电源转换芯片，将输入的5V电源电压转换为3.3V内部电压。
5.如权利要求1所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：外部通用微控制单元将采集到的数据送入所述主控模块的内部存储空间，所述主控模块将接收到的数据封装后传输给IO-Link主站设备，同时外部通用微控制单元通过所述串行通信接口电路获取所述主控模块的内部存储空间从IO-Link主站设备传输的控制信号数据。
6.如权利要求1所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：所述IO-Link通信电路包括IO-Link电平转换芯片、第一限流保护电阻、第二限流保护电阻、第三限流保护电阻、第四限流保护电阻、第一电平下拉电阻、第二电平下拉电阻、第一滤波耦合电容、第二滤波耦合电容、第三滤波耦合电容、第四滤波耦合电容，所述IO-Link电平转换芯片的第一设备信号输入管脚与所述第一限流保护电阻连接，第二设备信号输入管脚与所述第二限流保护电阻连接，主站输入数据信号管脚与高边功率输出管脚、低边功率输出管脚之间串联所述第三限流保护电阻，主站输出数据信号管脚与所述第四限流保护电阻连接，所述第一电平下拉电阻一端与所述第一限流保护电阻连接，另一端接地，所述第二电平下拉电阻一端所述第二限流保护电阻连接，另一端接地，所述第一滤波耦合电容一端接在所述第一设备信号输入管脚与所述第一限流保护电阻之间，另一端接地，所述第二滤波耦合电容接在所述第二设备信号输入管脚与所述第二限流保护电阻之间，另一端接地，所述第三滤波耦合电容一端与所述主站输入数据信号管脚连接，另一端接地，供电电压管脚与所述第四滤波耦合电容连接。
7.一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：包括驱动层、协议层、应用层；其中，
所述驱动层，用于对各项接口和处理器软件内部资源进行初始化和提供接口操作驱动函数；
所述协议层，用于实现完整的IO-Link从站系统；
所述应用层，用于实现所述通用的IO-Link从站系统的各项应用功能需求。
8.如权利要求7所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：所述驱动层包含UART接口驱动、SPI接口驱动、IO管脚驱动、定时器驱动、外部中断驱动、EEPROM驱动和DMA驱动。
9.如权利要求7所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：所述协议层包含硬件接口支持包、基本协议栈、应用层支持包、协议栈管理和协议栈扩展包。
10.如权利要求7所述的一种通用的IO-Link从站系统，其特征在于：所述应用层包括IO-Link通信、从站模式切换、数据处理、参数配置指令系统；所述IO-Link通信用于实现所述通用的IO-Link从站系统与IO-Link主站设备的基本通信，所述基本通信包括通信握手、数据收发、通信超时判断与状态回落机制；所述从站模式切换用于处理所述通用的IO-Link从站系统内设备从待机模式到正常通信之间多个状态的切换与对应的硬件接口的启动和关闭；所述数据处理用于根据用户配置的参数开启或关闭对应的检测管脚、采样管脚数据及通过管脚输出主站控制信号；所述参数配置指令系统通过串行通信接口电路连接外部通用微控制单元实现数据通信，由外部通用微控制单元根据指令格式数据包对内部数据空间进行配置读写。
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