I sistemi industriali avanzati fanno grande affidamento sulle capacità dei progettisti di implementare centinaia se non migliaia di sensori e attuatori in ambienti di produzione difficili. Durante la transizione a dispositivi basati su microcontrollori intelligenti, gli ingegneri non solo devono assicurare la connettività con dispositivi e sistemi legacy, ma devono anche affrontare nuove sfide in fatto di riduzione dei consumi, nonostante la continua crescita delle dimensioni e della complessità di dispositivi e sistemi.
IO-Link occupa un ruolo prominente in questi ambienti grazie alla sua capacità di mantenere la retrocompatibilità, supportando sensori e attuatori sempre più sofisticati, connessi attraverso reti industriali diverse. Grazie a una tecnologia di connettività ingresso/uscita standard, IO-Link consente ai progettisti di combinare facilmente diverse periferiche e sistemi.
Un’interfaccia I/O standard
Nello stabilimento, IO-Link definisce un’interfaccia standard per la connessione di sistemi di fabbrica a dispositivi periferici, compresi sensori e attuatori. IO-Link mantiene l’alimentazione a 24 V e i segnali delle periferiche legacy mediante l’uso di un’interfaccia trifilare (L+ e L-), insieme a comunicazioni seriali sul terzo filo (C/Q). Nei sistemi basati su processore, i transceiver compatibili IO-Link si trovano su uno dei lati di una connessione IO-Link e comunicano tra loro usando i protocolli fisici IO-Link. IO-Link definisce svariate funzionalità studiate per garantire comunicazioni affidabili in ambienti difficili. Consente ai transceiver di riprovare la trasmissione dei frame con eventuali modalità di errore definite in base a tentativi successivi non riusciti. IO-Link specifica anche i metodi con cui i dispositivi periferici memorizzano le loro informazioni in blocchi IODD (I/O Device Description) standard e forniscono tali informazioni al comando da un master IO-Link. Un master IO-Link può utilizzare le informazioni di configurazione del dispositivo per impostare i tempi di ciclo e le velocità dati, pur continuando a tornare a velocità inferiori, se necessario, per assicurare comunicazioni affidabili. In periferia, i transceiver IO-Link devono soddisfare requisiti di progettazione semplificata nei sistemi basati su Mcu. Per un transceiver master e di dispositivo, gli sviluppatori devono ridurre al minimo il consumo energetico per ridurre il carico termico, poiché i sistemi gateway più avanzati favoriscono sempre più progetti senza ventola per ridurre la potenza, eliminare il rumore e semplificare la manutenzione. Una coppia di dispositivi di Maxim Integrated risponde a questi requisiti in espansione con soluzioni semplici a bassa potenza per l’implementazione di interfacce IO-Link.
Gateway efficienti
Il transceiver master MAX14819 di Maxim Integrated è una soluzione a chip singolo per la creazione di sistemi gateway IO-Link. Progettato per semplificare la progettazione dell’interfaccia IO-Link, il dispositivo supporta totalmente due canali IO-Link tramite controller di alimentazione L+ separati e gestori di frame dedicati a ciascun canale. Nonostante le sue estese funzionalità, il dispositivo consuma in genere solo 1,9 mA e ancor meno se si utilizza un regolatore step-down esterno come MAX15062A di Maxim al posto del regolatore da 5 V interno del transceiver MAX14819. Grazie alla funzionalità integrata del dispositivo, gli sviluppatori devono solo collegare MAX14819 a un Mcu tramite interfacce Spi e Uart e aggiungere solo alcuni componenti per realizzare un gateway IO-Link a bassa potenza totalmente compatibile. È anche consigliabile aggiungere isolatori, come gli optoisolatori MAX12930 e gli isolatori digitali MAX12931 di Maxim. Grazie al collegamento di G1x al gate di un Mosfet a bassa RDSon come il modello NTTFS5116PL di ON Semiconductor, il dispositivo può controllare il blocco della corrente inversa esterna per l’alimentazione del sensore sul canale corrispondente senza aggiungere un carico termico significativo. Un Mosfet simile su G2x comanda la corrente al corrispondente canale di alimentazione del sensore A o B. Un resistore del sensore posto tra SN1x e SN2x imposta il limite di corrente per quel canale di alimentazione del sensore. Al di là di queste funzionalità di protezione di base, MAX14819 consente di impostare i registri di configurazione del dispositivo per definire parametri di ottimizzazione quali il tempo di accensione, il tempo di soppressione della limitazione della corrente e il ritardo dei tentativi automatici per ciascuna alimentazione del sensore.
Gestore di frame
MAX14819 integra il suo supporto dell’alimentazione dei sensori e la protezione CQ sul lato periferico con gestori di frame integrati che sollevano il carico dal processore host, fornendo un controllo time-critical delle sequenze M di IO-Link. Dato che funziona in modo indipendente, MAX14819 consente di realizzare tempi di ciclo IO-Link fino a 400 microsecondi, il tutto con un impatto minimo sul processore host. Se necessario, gli sviluppatori possono utilizzare MAX14819 semplicemente come un transceiver IO-Link, collegando i pin TXENx, TXx e RXx di MAX14819 alle corrispondenti porte Uart del processore. In questo modo, ogni comunicazione passa per le porte Uart, aggirando il gestore di frame MAX14819, passando attraverso i buffer direttamente alle sue porte CQx (A e B) (Fig. 3). Nel caso dei tipici progetti di gateway IO-Link, tuttavia, i progettisti saranno più propensi a sfruttare la funzionalità IO-Link completa di MAX14819. Per soddisfare i requisiti di un numero sempre maggiore di canali, i progettisti combinano in genere più master in un unico sistema. MAX14819 offre una coppia di pin di indirizzo del chip Spi, grazie alla quale i progettisti possono combinare quattro dispositivi MAX14819 sullo stesso bus Spi. Per agevolare la creazione di sistemi in modo più rapido, Maxim offre il progetto di riferimento MAXREFDES145 per gateway IO-Link a otto canali. Oltre alla scheda, il progetto di riferimento include schemi completi e distinta base per offrire agli sviluppatori una soluzione di progettazione immediata o una base per l’implementazione personalizzata.
Sistemi di sensori
Se i dispositivi master IO-Link devono soddisfare requisiti per più connessioni, il controllo di alimentazione L+ e la gestione dei frame, i sensori e gli attuatori sul lato del dispositivo di una connessione IO-Link aggiungono altri requisiti di capacità di azionamento IO, diversi alimentatori di tensione regolati e protezione dell’interfaccia del sensore. Al tempo stesso, gli Mcu utilizzati in queste periferiche forniscono in genere una potenza di elaborazione più che sufficiente per gestire le operazioni del livello di connessione dati IO-Link per la singola connessione al gateway. Per questi progetti di sensori/attuatori, il transceiver MAX14827A di Maxim è una soluzione efficace, con funzionalità di protezione della linea simili a quelle del modello MAX14819, pur rispondendo ai requisiti specifici dei sistemi periferici. Come nel caso del dispositivo master MAX14819, il transceiver MAX14827A richiede pochi componenti aggiuntivi per aggiungere funzionalità di base IO-Link a un progetto di sensore o attuatore basato su Mcu esistente. Ciononostante, i progettisti aumentano tipicamente il circuito MAX14827A di base con circuiti aggiuntivi come quelli per la protezione dalla tensione transitoria. Per velocizzare lo sviluppo, Maxim offre la scheda di valutazione MAX14827EVKIT, un’implementazione completa del transceiver IO-Link che risolve i problemi pratici di progettazione come la protezione da soppressione di tensioni transitorie. Per andare sul sicuro, i progettisti dovrebbero aggiungere una protezione da tensione transitoria alle linee DO, C/Q e DI utilizzando diodi Tvs come SMAJ33A di ST.
