IO-Link通信从站的设计
IO-Link是独立于任何现场总线，适用于工业控制最底层的简单传感器和执行器的工业通信接口。IO-Link系统包含IO-Link设备（如传感器、执行器）、IO-Link主站和标准传感器用电缆，系统结构如图1所示。例如，当一个兼容EtherNet/IP的远程IO模块作主站时，除了标准的I/O信号，该模块通过脉冲调制过程发送和接收配置数据、诊断数据或增强的过程数据，然后打包到EtherNet/IP数据报文中，最后传送给网络主控站，通常是一台PLC.上述应用中，远程I/O与IO-Link设备的连接与传统离散设备保持相同，IO-Link的优势主要在于更大的信息交换能力，这是以前标准I/O设备无法实现的。IO -Link的另一个好处是不依赖于任何现场总线，通过任何遵守IO-Link协议的I/O模块（包括本地I/O和远程I/O），IO-Link传感器或执行器便可被集成到任何现场总线系统中。
图1 IO-Link系统结构
为了对IO-Link系统结构、通信机制以及开发应用做进一步研究，可设计开发IO-Link从机工具包，包括IO-Link通用开发模块、IO-Link分析工具以及IO-Link从机协议栈。IO-Link通用开发模块是进行该项工作的基础，也是IO-Link主站与设备信号间的桥梁。IO-Link分析工具可以帮助开发人员和测试人员分析通讯细节，从而找出并解决问题。IO-Link从机协议栈是一个固件库，它提供硬件抽象层和应用程序接口，开发者可以利用它方便快速地在各种微处理器平台上开发IO-Link从机产品。本文研究的IO-Link从站只针对数字（按键）信号输入和数字信号输出（指示灯），IO-Link通用开发模块的设计只需在此基础上进行扩展，使之具备处理模拟信号的能力。
1系统结构
图2是IO-Link从机工具包及演示系统的结构示意图。
图2 IO-Link从机工具包及演示系统的结构图
本文所使用的IO-Link主站模块USB IO-Link Master可将IO-Link设备与PC机相连，这样可通过IO-Link Device Tool软件配置并测试IO-Link设备或演示设备功能。IO-Link设备必须通过一个设备描述文件（IODD文件）来描述，它包括一组XML文本文件和PNG图形文件，这些文件包含设备的识别、通信特点、参数、过程数据和诊断数据的信息。图2中椭圆虚线内的部分是IO-Link三线电缆，L+/I-是24 V直流电源，C/Q为信号线，用来传输过程数据、诊断数据、配置数据等。IO-Link通用开发模块主要由数据收发器和微处理器构成，它可对传感器的输入信号进行处理并将信息传递给IO-Link主站，也可接收并处理来自主站的数据信息，传递给执行器。IO-Link分析工具可以帮助开发人员查看、记录、分析数据，了解通讯细节，该部分设计本文不作论述。
2 IO-Link通讯模式简介
IO-Link设备可以工作在SIO模式（标准I/O模式）或IO-Link模式（通讯模式）。上电后，设备总是工作在SIO模式。主站的端口有不同的配置方式，如果配置为SIO模式，主站把该端口视为标准数字输入，如果配置为通讯模式，主站会自动识别可通讯的装置，进行通讯。
2.1数据类型
IO-Link通讯的3种基本数据类型为：周期性数据（或过程数据PD）、非周期性数据（或服务数据SD）、事件（Event）。
设备的过程数据（PD）以一个数据帧的形式周期性地传输，而服务数据（SD）只有在主站发出请求后才会进行交换，图3为典型的IO-Link报文结构。当事件（Event）发生时，设备的"事件标志"置位，主站检测到该置位后读出报告的事件（读取过程中不能交换服务数据），于是，污染、过热、短路等事件或设备状态便可通过主站传送给PLC或可视化的软件。
图3 IO-Link报文结构
2.2参数数据交换
由于服务数据（SD）必须经由PLC请求才能传送，于是定义了SPDU（服务协议数据单元）。在主站中，读写服务的请求编写到SPDU并通过IO-Link接口传送给设备。
SPDU一般结构如图4所示，其排列顺序与传输顺序一致。SPDU中的各元素可根据服务种类采取不同的形式。SPDU允许访问希望进行传输的数据对象，Index用于指定远程IO-Link设备上被请求的数据对象的地址。IO-Link中有一个名词叫直接参数页（direct parameter page），其中存放了最小周期时间、供应商ID、主站命令等参数信息，直接参数页中可访问的数据对象可以有选择地通过SPDU来提供。
图4 SPDU一般结构
3 IO-Link从站硬件设计
IO-Link从站的系统结构如图5所示，主要包括数据收发器HMT7742、微控制器AT-mega328P、信号输入输出通道、电压电流监测模块以及过流保护模块等。
图5 IO-Link从站结构图
HMT7742是一款IO-Link从机收发器芯片，是外接传感器或执行器的MCU与支持IO-Link通信的24 V信号线间的桥梁，