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案例頻道 摘要：為了在開發(fā)帶有IO-Link技術(shù)的設(shè)備中提供有效的固件開發(fā)環(huán)境。以IO-Link技術(shù)為背景，依據(jù)IO-Link技術(shù)協(xié)議設(shè)計了固件開發(fā)結(jié)構(gòu)。該固件結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定、可重用等特點?；谠摴碳Y(jié)構(gòu)，用戶依據(jù)不同的需求來設(shè)定相關(guān)的參數(shù)就能夠便捷的開發(fā)具有IO-Link技術(shù)的設(shè)備。
關(guān)鍵詞：自動化；IO-Link；技術(shù)；協(xié)議棧；固件
在傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場的測量儀表以及傳感器和執(zhí)行器遇到故障或者用戶希望修改此類設(shè)備的參數(shù)時，通常需要應(yīng)用工程師到現(xiàn)場對設(shè)備進行維護或設(shè)定。而使用了帶有IO-Link技術(shù)的設(shè)備，只需要將現(xiàn)場設(shè)備直接替換，設(shè)備會自動下載相應(yīng)的參數(shù)信息，無需對新設(shè)備進行設(shè)定。當(dāng)用戶需要修改設(shè)備參數(shù)時，只需要在應(yīng)用層將參數(shù)設(shè)定好，系統(tǒng)會按照IO-Link協(xié)議規(guī)范將參數(shù)自動下載到設(shè)備中。IO-Link接口技術(shù)消除了傳感器與執(zhí)行器上的瓶頸，使得數(shù)字量的點對點連接具有對話能力，他用標(biāo)準(zhǔn)的三線制電纜代替了復(fù)雜的接口，并給整個處理級賦予了一致的參數(shù)化和診斷概念[1]。IO-Link技術(shù)從一開始提出就注定將會在自動化發(fā)展過程中留下深深的足跡，它以其特殊的性能受到用戶的好評，國內(nèi)外眾多知名的傳感器、執(zhí)行器和自動化設(shè)備的制造商已經(jīng)將IO-Link技術(shù)應(yīng)用到他們的產(chǎn)品中。IO-Link 技術(shù)作為一種將執(zhí)行器或傳惑器集成于自動化系統(tǒng)中的低成本的通信解決方案與公眾見面,目的是把與過程的最后一米連接做得透明度更高,通信性能更強[2]。
1 IO-Link技術(shù)概述
1.1 IO-Link系統(tǒng)組成
IO-Link是通向執(zhí)行器和傳感器的最后一步，也被譽為自動化的最后一米技術(shù)[3]。IO-Link技術(shù)是一種將傳統(tǒng)和智能傳感器和執(zhí)行器集成在自動化系統(tǒng)中的低成本通信接口技術(shù)，是一種獨立于現(xiàn)場總線的通信接口，它可以實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器與智能傳感器的混合運行[4]。一般來說IO-Link系統(tǒng)由許多IO-Link設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器或者他們的組合通過標(biāo)準(zhǔn)3線制傳感器/執(zhí)行器電纜連接到IO-Link主站設(shè)備上組成，主站可以是一個具有不同設(shè)計和不同保護等級的設(shè)備。IO-Link系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖。
圖1 IO-Link系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
一個IO-Link主站可以有一個或者多個端口,每個端口只能連接一個IO-Link設(shè)備[5]。同樣，也可以將一個IO-Link設(shè)備從站接入IO-Link主站的端口，在IO-Link的從站上接入普通的現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器。因此IO-link是一種點到點的通信，而不是一種現(xiàn)場總線。
圖2 IO-Link點對點的連接
1.2 IO-Link啟動
IO-Link設(shè)備初始默認為標(biāo)準(zhǔn)I/O模式啟動，主站端口可以進行組態(tài)，端口配置成標(biāo)準(zhǔn)I/O模式時，將作為常規(guī)的數(shù)字量輸入輸出端口使用，如果配置成通信模式時，主站件檢測端口所連接的IO-Link設(shè)備。這個過程稱為喚醒。IO-Link通訊模式與標(biāo)準(zhǔn)I/O口模式見下圖。
圖3 IO-Link通訊模式與標(biāo)準(zhǔn)I/O口模式
在喚醒期間，IO-Link主站設(shè)備發(fā)送特定的信號并等待設(shè)備應(yīng)答。主站設(shè)備先嘗試定義的最高波特率，如果不成功則嘗試低一級的波特率。在每一個傳輸速率下三次嘗試喚醒設(shè)備。如果主設(shè)備接收到應(yīng)答（例如設(shè)備被喚醒），將會進入通訊模式。首先是交換通信參數(shù)，之后將開始交換周期性的過程數(shù)據(jù)。
如果設(shè)備在運行期間被移除，IO-Link主站設(shè)備偵聽到通信中斷，將會向控制系統(tǒng)發(fā)出報文，并且周期性的嘗試喚醒設(shè)備。如果設(shè)備被再次喚醒，如果需要將讀出通訊參數(shù)，之后將開始周期數(shù)據(jù)交換。
如果IO-Link主站設(shè)備中斷通訊，主站設(shè)備和設(shè)備都將切換為標(biāo)準(zhǔn)I/O口模式，這也叫做回落。
2 IO-Link協(xié)議概述
IO-Link不能算一種單獨的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，而只是一種簡單的協(xié)議，利用現(xiàn)有的點對點連接技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)效率，增加設(shè)備間的信息交換能力[6]?；趹?yīng)用廣泛的三線技術(shù)，IO-Link協(xié)議使用戶快速運行現(xiàn)場裝置，維護更加簡便。僅僅使用一根電纜就可以完成數(shù)據(jù)傳輸和能量供給，IO-Link協(xié)議簡化了連接程序，減少電纜投入。而且，允許用戶從一個傳感器下載設(shè)置的參數(shù)提供給替換的傳感器產(chǎn)品，因此不再需要攜帶操作手冊到現(xiàn)場進行設(shè)置[7]。
基本上，IO-link協(xié)議進行交換的有三種數(shù)據(jù)類型：周期性數(shù)據(jù)（也稱為過程數(shù)據(jù)）、非周期數(shù)據(jù)或者服務(wù)性數(shù)據(jù)、事件型數(shù)據(jù)。
只有IO-Link主設(shè)備發(fā)出請求后，IO-Link設(shè)備才發(fā)送數(shù)據(jù)，IO-Link主設(shè)備會明確地發(fā)出非周期數(shù)據(jù)和事件的請求，在主設(shè)備的空閑報文后才發(fā)送周期數(shù)據(jù)。
1) 過程數(shù)據(jù)（PD-Process data）
設(shè)備的過程數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)幀周期的傳輸，保證了過程數(shù)據(jù)寬度不超過2個字節(jié)。如果過程數(shù)據(jù)長度超寬，將會被分割并通過幾個周期來傳輸。當(dāng)過程數(shù)據(jù)有誤時將會輸出診斷信息。
2) 服務(wù)數(shù)據(jù)（SD-Service data）
服務(wù)數(shù)據(jù)交換是非周期的，而且是基于IO-Link主設(shè)備的請求。首先，IO-Link主設(shè)備發(fā)送一個請求給IO-Link設(shè)備，IO-Link設(shè)備給予響應(yīng)。服務(wù)數(shù)據(jù)可以用來讀取設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)值，也可以用來寫參數(shù)值和發(fā)送指令。
服務(wù)數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)可以在一個報文傳輸，也可以在幾個報文里傳輸。IO-Link報文結(jié)構(gòu)如下圖。
圖4 IO-Link報文結(jié)構(gòu)
3) 事件型數(shù)據(jù)
當(dāng)有事件發(fā)生時，設(shè)備首先置位事件標(biāo)志，事件標(biāo)志位在過程數(shù)據(jù)報文的CKECK/STAT字節(jié)的第七位中傳輸。主設(shè)備偵聽該為且讀出事件報告。如果有事件報告將不允許服務(wù)數(shù)據(jù)交換。這也就意味著設(shè)備的狀態(tài)如過熱、短路等可以通過事件向PLC或可視化系統(tǒng)報告。
IO-Link主設(shè)備可以產(chǎn)生自己的事件和狀態(tài)例如開路、通訊中斷、過載等，并通過相應(yīng)的現(xiàn)場總線傳輸事件和狀態(tài)。
3 IO-Link協(xié)議棧解析
3.1 IO-Link協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
IO-Link設(shè)備協(xié)議棧已經(jīng)完整的封裝好了，并提供了良好的用戶應(yīng)用接口程序，協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖如下。
圖5 IO-Link設(shè)備協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
協(xié)議棧解析：
1) STACK_Init(const TUnsigned8 *parameter);
設(shè)備協(xié)議棧初始化，協(xié)議棧初始化前必須將硬件設(shè)備進行預(yù)設(shè)，主要完成內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)位。IO-Link設(shè)備的類型描述、通訊屬性、設(shè)備參數(shù)和診斷數(shù)據(jù)設(shè)置都在此函數(shù)中設(shè)定。當(dāng)IO-Link設(shè)備連接后，通過IODD解析器DTMs(設(shè)備管理類型器)來解析IO-Link設(shè)備的設(shè)備描述，以及對IO-Link設(shè)備的控制[8]。另外，配置參數(shù)將會以IO-Link技術(shù)規(guī)范中定義的32個字節(jié)方式分配給協(xié)議棧，數(shù)組參數(shù)將會作為指針分配，協(xié)議棧需要這些參數(shù)來進行通信。協(xié)議棧初始化包含了功能預(yù)定義的參數(shù)，分配協(xié)議棧的參數(shù)。初始化幀模式，置位幀緩沖器用于接收新的數(shù)據(jù)幀。初始化所有事件句柄模式，復(fù)位所有狀態(tài)，等待事件發(fā)生。
2) STACK_Start(TUnsigned8 Baudrate);
激活I(lǐng)O-Link協(xié)議棧，保存用戶選用的傳輸速率，所有參數(shù)使用設(shè)備定義的傳輸速率進行交換，同時選定特定的數(shù)據(jù)幀格式，使能說有必須的外部中斷和串行數(shù)據(jù)中斷等
3) STACK_Run;
IO-Link協(xié)議棧開始運行，周期的進行過程數(shù)據(jù)和參數(shù)交換。
3.2 固件結(jié)構(gòu)設(shè)計
具有IO-Link技術(shù)的設(shè)備開發(fā)可以調(diào)用IO-Link協(xié)議棧來完成，通過對協(xié)議棧的參數(shù)配置、和任務(wù)調(diào)度來進行IO-Link數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備的固件主程序包含了以下協(xié)議棧的幾個接口函數(shù)。
main()
{
OLIMEX_EX_Board_GPIO_Config();
/*完成STM32的硬件配置，使能通用定時器時鐘，通用IO口配置等工作*/
Debug_UART_Config();//配置用于調(diào)試的串行口
STACK_Init(const TUnsigned8 *parameter);
STACK_Start(TUnsigned8 Baudrate);
STACK_Run;
}
在協(xié)議棧的初始化接口函數(shù)中還包含了硬件接口、數(shù)據(jù)幀和時間等的初始化。在協(xié)議棧的啟動接口函數(shù)中還包含了硬件接口的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出方式和通訊模式的選擇，數(shù)據(jù)幀、時間的規(guī)定和硬件外部信息中斷允許等任務(wù)。協(xié)議棧配置與啟動后進入運行狀態(tài)，能夠按照預(yù)設(shè)的方式與IO_link主站設(shè)備保持通訊。IO-Link設(shè)備固件結(jié)構(gòu)的詳細結(jié)構(gòu)框圖如下。
圖6 IO-Link固件結(jié)構(gòu)
4 結(jié)束語
IO-Link技術(shù)可以在整個設(shè)備范圍向傳感器和執(zhí)行器提供各種數(shù)據(jù)，使用IO-Link可以憑直覺對傳感器層的系統(tǒng)進行參數(shù)化，設(shè)計時可以對傳感器/執(zhí)行器功能的穩(wěn)固性等加以檢查[9]。使用了帶有IO-Link技術(shù)的設(shè)備可以增強生產(chǎn)加工設(shè)備的可用性、保證生產(chǎn)加工流程和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的暢通無阻，簡化工業(yè)現(xiàn)場的布線連接[10]。
IO-Link固件主要是提供了完成IO-Link數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)備以及數(shù)據(jù)通訊的通道方式的設(shè)定等工作，IO-Link設(shè)備的開發(fā)必須基于IO-Link的協(xié)議棧，它提供了IO-Link數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)范，按照文中提出的固件結(jié)構(gòu)，用戶可以基于協(xié)議棧按照協(xié)議規(guī)范來設(shè)定參數(shù)，產(chǎn)品設(shè)計出符合不同應(yīng)用場合的不同類型的集成IO-Link技術(shù)的工業(yè)自動化設(shè)備。
參考文獻：
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[7] 線性傳感器的領(lǐng)導(dǎo)者[J]. 自動化博覽, 2010,(05)
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[9] 利用IO-Link控制現(xiàn)場設(shè)備[J]. 現(xiàn)代制造, 2007,(27)
[10] Frank-Josef Heimerl. 聲納傳感器采用IO-Link技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)加工控制[J]. 現(xiàn)代制造, 2009,(22)
摘自《自動化博覽》2011年第十期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號