（電子發燒友網 周凱揚/李寧遠）2022年6月15日，由全球知名電子科技媒體<電子發燒友>主辦的2022第六屆工業控制與通信技術研討會在線上成功舉辦。本次會議，意法半導體、ADI、TI、靈動、Microchip、Silicon?Labs等國內外知名企業的專家和領導帶來了最新的技術分享。 電子發燒友總經理張迎輝在致辭中表示，隨著5G、AI、大數據、云計算和更先進的控制與互聯通信技術的發展，工業4.0智能制造時代下的工業控制與通信、工業數字化與工業互聯網的創新應用不斷落地，更加智能高效節能與數字化的工業5.0也成了產業升級的新目標。
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與以往相比，今年工業互聯網自動化與智能化需要更強大高效通信系統，更高性能穩定可靠的控制器支持工業IoT的時間敏感網絡，同時也需要更加強調工業互聯網中的數據安全等等。
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IO-Link通訊系統在工業自動化上的應用
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IO-Link作為一種點對點的串行數字通信協議，該技術的使用已經越來越廣泛，本次工業控制與通信會議上，意法半導體亞太區工業自動化技術中心戰略營銷經理羅志宏為大家分享了《IO-Link通信系統在工業自動化上的應用》。
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羅志宏首先對IO-Link技術進行了簡單的介紹，IO-Link符合IEC 61131-9這一規范，將PLC等主設備與智能傳感器和制動器從設備的點對點連接起來。傳統的自動化工廠中，存在很多專有協議、單向和模擬的信息交換，不僅缺乏診斷能力和配置能力，而且模擬數據也更容易受到噪聲的影響。 而IO-Link可以做到雙向信號傳輸，所以可以完成更復雜更先進的診斷任務。再者IO-Link走的數字信號，所以通信可靠性也會比傳統模擬信號更好。??
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IO-Link的點對點通信由一條最長20米的線提供，這條線由三條信號線組成，數據格式主要走的是11位的UART，電壓水平為24V的直流電壓。數據傳輸周期為每2ms傳輸一次，最小可以做到0.4ms。傳輸速率分為三個模式，分別是4.8kbps的COM1、38.4kbps的COM2和230.4kbps的COM3。 在物理層接口，IO-Link使用主要的連接器大小覆蓋M5到M12，分為4pin的Class?A和5pin的Class?B兩種類型。
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通過這幾年的增長，IO-Link的節點數量已經有了驚人的增長。根據IO-Link協會的統計，2018到2019年的全球出貨量大約在1140萬左右，到去年2021年為止，這個數字已經達到2100萬，將近增長了快一倍。而且這個數據不是估算的，因為這個是根據終端授權費計算的。
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目前全球市場最大的還是亞太和歐洲市場，尤其是增速極快的中國市場。2017年全球IO-Link市場在19.6億美元，到了2023年預計會增長至122億美元，實現33.55%的年復合增長率。IO-Link協會的成員數量也從2016年的100家發展至今年的400家，成員數量還在持續增長中。 意法半導體提供IO-Link主設備和從設備端的收發器IC，L6360和L6364/L6362A。L6360采用了DFN的小封裝，大小只有3.5x3.5mm，其導通電阻低至1Ω，內部有高邊+低邊+推挽電路，方便驅動IO-Link的信號線。除此之外，L6360還集成了兩個可編程的LED驅動器，欠壓保護和過溫保護電路。設備端收發器L6362A同樣支持到極低的導通電阻，3x3mm的DFN小封裝，整合了3.3V/5V的LDO。L6362A將電壓工作范圍擴展到36V，提供了靈活的設計選項。
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意法半導體也提供了雙通道的IO-Link設備，L6364Q和L6364W，后者采用了更小的CSP封裝，僅有2.5x2.5mm，足以滿足一些傳感器對小尺寸的需求。L6464支持兩個可配置的限流I/O，最高可達500mA，方便客戶靈活調整。終端設備診斷的功能。L6464集成了DC/DC和兩顆LDO，進一步提高了降壓效率。
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ST為每個IC都準備了對應的評估板、參考設計，針對收發器IC需要搭配的存放軟件協議棧的MCU，意法半導體也提供了開放開發環境，也有不少的IDE合作伙伴以支持不同的開發需求。
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工業以太網無縫聯接， 加速工業4.0
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工業4.0從多個方面提高了提高生產效率，尤其是在通信領域。在收購整合了凌特和美信后，ADI進一步補全了其在工業通信上的產品，為客戶提供更全面的解決方案。本次工業控制與通信大會上，ADI的亞太區工業自動化行業市場部經理于常濤為大家分享了《工業以太網——無縫連接，加速工業4.0》這一主題。
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RS-485和RS-422作為傳統的工業通信接口，在一些現場總線、電機編碼器的接口都會用到RS485的多點通信網絡，完成一些長距離、穩定可靠的傳輸。ADI的RS-485收發器ADM286xE/ADM256xE產品系列，最高可以支持25Mbps的通信速率，支持到192個節點。
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就背板通信而言，于常濤分享了常用的三種通信技術RS-485、LVDS和M-LVDS。RS-485與其他兩者相比，功耗較高，速率也偏低，而LVDS主要是面向點對點的通信。M-LVDS結合了這兩者的優勢，采用了一主多從的架構，支持最多32個的節點，最高可達250Mbps的速率，同時又做到了低功耗。ADI也為M-LVDS提供了高密度的M-LVDS收發器，涵蓋了全雙工、半雙工的多種工作模式，并在緊湊的封裝下做到了低功耗。
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IO-Link作為一種傳感器的接口形式，已經從歐洲市場席卷了亞太市場，有效地解決了傳感器設計中的散熱、大小和電流驅動能力問題。主設備端收發器上，ADI提供MAX14819/MAX14819A等產品，在設備端收發器上也有MAX22513、MAX22515等明星產品，這兩大產品線從電流限制、導通電阻和最高工作溫度上等核心指標上都做到了優異的性能。 在配套的開發工具方面，ADI也提供一個8端口的IO-Link Demo，其參考設計既有支持TMG的協議棧，也有支持TE Connect的協議棧。至于外圍的傳感器和制動器，ADI也有一些Trinamic的電機驅動產品，構成從設備端的Demo板，方便客戶對整套IO-Link系統做評估。
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單對以太網（SPE）是基于IEEE 802.3cg-2019規范打造的一種以太網物理層技術，其中一種標準就是10BASE-T1L。10BASE-T1L最高可以實現1km范圍內高達10Mbps速度的傳輸，供電上也支持PoDL數據線供電。不僅如此，基于10BASE-T1L標準的Ethernet-APL也支持EtherNet/IP、HART IP、OPC UA、PROFINET等高級應用層網絡協議。
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ADI提供ADIN1100和ADIN1110這兩大10BASE-T1L?PHY和MAC PHY產品，后者集成了MAC，更適合對于MCU資源要求低的應用中，比如傳感器。而對于需要打造環形網絡拓撲的客戶，ADI也提供了雙端口的ADIN2111。
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隔離式USB在工業現場中，主要出現在調試接口、命令參數配置接口和程序上傳下載等應用上，具備免疫噪聲、操作安全性等優勢。ADI也提供了隔離等級不同的產品方案，ADuM3165、ADuM4165，于常濤重點提及了20kV的浪涌保護，這一特性在醫療等級要求中是比較突出的優勢。
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TI助力加速伺服驅動工業多協議總線通信
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全球制造業正在經歷新一輪的數字化和智能化升級，其中智能伺服驅動系統，特別是支持多協議總線的伺服產品是新一輪升級中重要的角色。智能制造系統需要更智能且更安全的工業互聯網。本次研討會上，TI技術支持經理盧璟介紹了TI如何助力加速伺服驅動工業多協議總線通信。
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在智能工廠中，HMI、PLC、Sensors以及電機控制是自動化系統的四大組件。這四個組件之間實現互聯互通是實現智能化的核心之一。由于目前工業通訊是多種以太網并存的局面，對于很多伺服廠家而言，提供多協議的伺服產品也成為了新的趨勢。
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根據TI的分析，工業數據通訊具有以下這些特點：首先網絡拓撲比較簡單，采用菊花鏈或者環形網絡，數據交互的路由結構很清晰；其次數據傳輸的可確定性強，可預期、可規劃；另一方面是數據傳輸的實時性可靠性要求高，比如與伺服控制響應的時間通常控制在幾個ms到幾十個ms之間，有些應用甚至要求微秒級別；同時數據同步的要求也非常高，在機器人的多軸聯動上這個需求尤為突出。
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伺服驅動電路通常分為數字域和模擬域，其中電機控制模塊和通訊模塊是重中之重。實現智能工廠中不同功能的伺服功能，可以采用集中式或者分布式的架構。TI技術支持經理盧璟介紹了TI針對伺服驅動的多協議總線方案。TI傳統的分布式雙片結構是采用專門的芯片來負責通訊，用C2000系列或者FPGA來處理電流環等功能，不同的通訊協議換上不同的通訊模塊即可。分布式架構上TI還有Sitara加上C2000的解決方案，可拓展性強。
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集中式的單芯片方案同樣來自C2000和Sitara系列。如果只需要支持單種協議，C2000下的F2838x是很好的選擇，可以快速地實現單軸或者雙軸的伺服控制。如果需要支持多種協議，Sitara也能提供不同主頻，是否具有LINUX系統的多種選擇。C2000和Sitara系列有非常豐富的實時控制外設以及高性能運算內核，能夠快速幫助設計人員設計出高性能的伺服驅動。
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針對工業通訊微秒級別延遲的需求，TI則提出了FSI與SORTE方案。FSI，快速串行接口，在C2000與Sitara系列中都能支持。典型的應用場景包括替代并行總線完成板上信號傳輸，也可以用于分布式系統的板間傳輸。其亮點之一是管腳數非常少，4個pin腳就能達到百兆bps速率，傳輸延遲與CAN、CAN-FD以及EtherCAT相比，8bytes傳輸僅需1.04us，延遲之低可見一斑。
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SORTE是TI的簡單開放實時以太網。目前基于工業以太網的各種協議同步周期，最短也只能做到幾十個微秒。對于需要在幾個微秒就完成數據傳輸的場合，當前主要是通過分離的數字和模擬信號進行實現。SORTE也就是為了解決此類問題誕生，通過數據包方式代替傳統模擬信號進行低延遲控制，實現更小的同步周期。其自帶的校驗也進一步提高了數據可靠性。
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TI的實時控制技術和先進的信號處理產品可以幫助工業應用，加快向智能生產系統的過渡。