L6360 ОТ STMicroelectronics. Приемопередатчик, работающий в режимах IO-LINK и SIO

7 Мар 2017

(Опубликовано в журнале «Вестник электроники», №3 (45) 2013)
Скачать статью в формате PDF (241 КБ)

---

В настоящей статье мы представляем один из первых на рынке полностью интегрированных ведущих приемопередатчиков, работающих в режимах IO-Link и SIO. Это инновационное устройство имеет два входа типа 1, а также два выходных усилителя: один со стороны высокого напряжения и второй полумостовой программируемый; также на чипе находятся средства защиты и диагностики. Связь с внешними микроконтроллерами обеспечивается за счет быстрого режима I2C. Весь чип заключен в корпус QFN очень малого размера (3,5×5 мм) с 26 выводами.

 

Концепция интерфейса IO-LINK

IO-Link представляет собой передовой интерфейс, позволяющий датчикам и исполнительным устройствам нового поколения эффективно реализовать подключение к системам промышленной автоматизации. При помощи интерфейса IO-Link датчики и исполнительные устройства могут передавать закодированные цифровым образом данные о процессе, данные по параметрам, конфигурационные и диагностические данные обратно к устройствам ввода-вывода. Более того, эта связь является двунаправленной, за счет чего промышленные системы автоматизации могут записывать данные (о процессе, по параметрам, диагностические, конфигурационные) на датчики / исполнительные устройства и в то же время они способны читать данные, поступающие от системы автоматизации. Связь по интерфейсу IO-Link осуществляется с использованием стандартных неэкранированных трехжильных кабелей, то есть таких же кабелей, которые обычно используются для подключения стандартных устройств ввода-вывода. Это является очевидным преимуществом данного интерфейса: все уже проложенные кабели могут быть сохранены. Основные технические граничные условия: интерфейс IO-Link поддерживает скорость пере- дачи данных до COM3 (230,4 кбит/с) при максимальной длине кабеля 20 м; связь  осуществляется  посредством 24-вольтового сигнала и стандартного протокола UART; длительность одного цикла передачи данных составляет около 2 мс.

Другой важной особенностью интерфейса IO-Link является возможность использования его стандартными SIO-датчиками за счет работы с дистанционным включением. Большим преимуществом IO-Link является нейтралитет интерфейсной шины: она может быть легко интегрирована в любые системы автоматизации и сетевые системы – например, Ethercat, Profibus, ASi, Profinet, Interbus и др.
 

Новое решение: ведущий приемопередатчик L6360 для режимов IO-Link и SIO

Производители систем промышленной автоматизации приступили к проектированию первых прикладных решений по использованию интерфейса IO-Link (как для ведущих, так и для ведомых устройств) с применением дискретного подхода, что привело к разработке дорогостоящих и занимающих много места монтажных гнезд с большим числом компонентов. В этой связи, компания STMicroelectronics приняла решение вступить на новую арену рынка средств промышленной автоматизации, разработав ИС с высокой степенью интеграции, полностью совместимую с ТУ интерфейса IO-Link, но также обладающую возможностью работы в режиме SIO. Таким образом, компания предложила широкодиапазонное решение, одновременно позволяющее экономить место на платах и снизить соответствующие затраты.

Первым в этом новом ряду ИС стал однопортовый ведущий приемопередатчик L6360. Его основные характеристики: диапазон напряжения питания 18–32,5 В, выходной ток до 500 мА, два выходных канала: L+ (силовой переключатель стороны высокого напряжения сопротивлением 2 Ом) и C/Q (программируемый полумост сопротивлением 2 Ом), два светодиодных трансформатора для диагностики, встроенный линейный регулятор с возможностью выбора напряжения (5 / 3,3 В), два входных канала типа 1, защита от перенапряжения / перегрева / электростатических разрядов.
 

Описание ведущего приемопередатчика L6360

На рисунке 2 показана блок-схема работы устройства L6360. Устройство представляет собой монолитный ведущий приемопередатчик с интерфейсом IO-Link, совместимый со слоем по стандарту PHY2 (3 жилы), с поддержкой режимов связи COM1 (4,8 кБод), COM2 (38,4 кБод) и COM3 (230,4 кБод).

Устройство L6360 имеет два выхода RDS(ON): L+ (до 2 Ом при 125 °C в режиме HS) и C/QO (до 2 Ом при 125 °C в ре-жиме HS и до 1,2 Ом при 125 °C в режиме LS), и два входа типа 1: C/QI и I/Q.

Используя входные и выходные выводы, приемопередатчик выполняет передачу данных: полученные на INC/Q данные передаются на C/QO, тогда как данные, полученные от C/ QI и I/Q, передаются через OUTC/Q и OUTI/Q, соответственно. Выход L+ обеспечивает питание 24 В для подключаемого устройства. На этапе приема данных напряжение на C/QI и I/Q понижается при помощи внутренних генераторов тока. Для сведения к минимуму общей рассеиваемой мощности в конструкцию L6360 были включены исключительно точные генераторы (C/QI – программируемый до 6,5 / 3,3  мА; I/Q – до 3 мА).

L6360 имеет девять регистров для хранения ИС-данных, важных для конфигурации, управления или предоставления диагностических сведений. Например, после настройки режима конфигурации выходной усилитель мощности C/QO может быть запрограммирован следующим образом: сторона высокого напряжения, сторона низкого напряжения, по двухтактной схеме или тристабильный.

За управление связью между ведущим и ведомым устройствами отвечает вывод ENC/Q. Когда ENC/Q устанавливается на высокий уровень, разрешается выход через C/QO; когда ENC/Q находится на низком уровне, выход через C/QO закрывается, и разрешается прием сигнала через C/QI и I/Q, что позволяет ведущему устройству принимать данные от ведомого. Операции чтения/записи данных во внутренних регистрах L6360 выполняются с использованием быстрого двухжильного режима I2C. При этом отслеживаются следующие неисправные состояния: линия L+, перегрев, перегрузка C/Q по току, нехватка напряжения питания линейного регулятора, нехватка напряжения питания VCC, а также выполняется контроль четности. При использовании архитектуры более чем с одним ведущим устройством возникает необходимость идентификации каждого из них путем присвоения устройствам уникальных адресов. Это выполняется путем настройки выводов серийных адресов SA0, SA1 и SA2, которые являются младшими двоичными разрядами адреса ИС L6360. Это означает, что к шине могут подключаться до восьми разных ИС L6360. Выводы серийных адресов могут быть подключены к VDD или заземлению, или же они могут напрямую управляться выходами микроконтроллера.

В регистрах управления задаются значения токов отключения, времени задержки токов отключения, времени задержки перезапуска и т. п. во избежание возникновения короткого замыкания или перегрузки, приводящих к перегреву устройства, которое может вызвать разрушение как его самого, так и нагрузки. Дополнительная защита обеспечивается встроенным термодатчиком, который отключает перегруженный канал, как только температура на его спае превысит внутреннее установленное значение (как правило, 150 °C). Выходные усилители C/QO и L+ могут приводить в действие резистивные, емкостные или индуктивные (до 10  мДж) нагрузки.

Встроенный линейный регулятор (5 или 3,3 В) служит для питания прямой блокировки цифрового интерфейса, но также может использоваться и для питания других внешних устройств, которые могут присутствовать на плате; максимальная допустимая сила тока регулятора составляет 50  мА. Выходное напряжение линейного регулятора VDD отличается высокой точностью (колебания < 2,5%).

К выводу R_смещ. должен быть подключен внешний заземленный высокоточный резистор. Вывод R_смещ. служит для поправки точности основных электрических параметров L6360. В техническом паспорте L6360 приводится таблица с типичными колебаниями основных параметров, свидетельствующая о том, что при использовании вывода R_смещ. такие колебания не превышают ±1%.

В блоке управления светодиодами можно задать две программируемые последовательности для управления двумя внешними независимыми светодиодами. С использованием внутренних регистров LED1 и LED2 для каждого светодиода может быть запрограммирована 16-битовая последовательность.
 

ЭМС-сертификация ведущего приемопередатчика L6360

Связь по интерфейсу IO-Link является двухточечной. В нормативах приводятся основные требования по помехоустойчивости устройств в зависимости от конкретной производственной среды. Детальные сведения по данному вопросу приводятся в документе IEC 61131-9 под названием «Одноточечный интерфейс цифровой связи для небольших датчиков и исполнительных устройств» (Single drop Digital Communication Interface for small sensors and actuators, или SDCI). При связи IO-Link используется инфраструктура, аналогичная стандартным цифровым устройствам. Для совместимости со стандартом IO-Link требуется совместимость с так называемым «режимом SIO», определяемая в случае ведущих систем по стандарту IEC 61131-2. Устройство L6360 разработано с тем, чтобы удовлетворять требованиям нормативов IEC 61131-9 и IEC 61131-2 в части максимального сокращения числа внешних компонентов. На рисунке ниже показана основная схема подключения L6360 к периферийным устройствам:

Внешние компоненты, показанные на рис. 3, выполняют сле-дующие функции: D1 и D2 защищают выводы C/Q и I/Q от отрицательных выбросов напряжения; R10, а также внешний диод D2 ограничивают напряжение материала внутренних компонентов защиты I/Q под действием тока; C4, C5, C6 и C7 – фильтрующие конденсаторы для оптимизации электромагнитной совместимости. При работе в тяжелых условиях или необходимости обеспечить повышенный уровень защиты рекомендуется подключать устройство согласно рис. 4 ниже:

По сравнению с предыдущим вариантом подключения, дополнительным компонентом является сборка SPT01-335DEE производства Transil™. Она снижает потенциальные напряжения с отрицательной полярностью, а также сдерживает возмущения с положительной полярностью (например, на линии I/Q).

Устройство было испытано на ЭМС-помехоустойчивость внутренним образом с использованием оценочной платы (номер для заказа STEVAL-IFP016V2), в соответствии с требованиями нормативов IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 и IEC 61000-4-5.

Испытание по IEC 61000-4-4 на кратковременные выбросы напряжения (EFT)

Импульсный сигнал был послан на интерфейс IO-Link через емкостный соединительный зажим.

 

Испытание по IEC 61000-4-5 на выбросы напряжения

Импульсный сигнал был послан через соединительный модуль (на 42 Ом / 0,5 мкФ) на интерфейс IO-Link, а также на клеммы напряжения питания в синфазном и дифференциальном режиме.

ПЗУ ведущего устройства

Данный стандарт связи разработан членами консорциума IO-Link – ведущими компаниями на рынке средств промышленной автоматизации. Для получения полного доступа к техническим характеристикам и возможности размещения логотипа IO-Link на готовой продукции требуется вступить в консорциум. Для возможности связи системы пользователя по протоколу IO-Link необходимо аппаратно реализованное программное обеспечение IO-Link. Как правило, производитель конечной продукции имеет две возможности:

a) разработать такое ПЗУ с ПО самостоятельно по стандарту IO-Link; b) приобрести встроенное ПЗУ сторонних производителей. Компания STMicroelectronics сотрудничает с MESCO Engineering и TMG (Technologie Management Gruppe, Карлсруэ, Германия). Оба этих производителя интегрировали ПЗУ ведущего устройства с интерфейсом IO-Link в микроконтроллеры семейства STM32. Для получения более детальной информации обратитесь напрямую к нашим партнерам.
 

Заключение

Устройство L6360 производства ST Microelectronics представляет собой самый современный монолитный ведущий приемопередатчик, работающий в режимах IO-Link и SIO. Данное устройство было разработано с использованием сжатой версии собственной передовой технологии Multipower BCD, которая общепризнанно является важной вехой в технологиях автоматического управления питанием. Данная технология имела большой успех с точки зрения развития бизнеса в течение нескольких последних десятилетий и до сих пор является ведущей среди технологий, применяемых для успешного выхода на электроэнергетический рынок, а также в промышленности – например, автомобилестроении. Технология Multipower BCD позволяет размещать на одной микросхеме изолированные двухдиффузионные МОП-элементы, биполярные транзисторы и логические КМОП. L6360 является гибким в использовании компонентом и может также применяться для стандартного ввода-вывода данных в окружении ПЛК (программируемого логического контроллера) или в качестве быстродействующего линейно-го усилителя на 24 В / 500 мА.