Method to extend the IO-Link transmission distance
Release Time:2023-09-13 16:10 Hits:4010

德阳四星电子技术有限公司

关键词:IO-Link、IO-Link中继器、IO-Link延长器、IO-Link转光纤


1、概述

在高度自动化的智能工厂中,IO-Link技术的优势已被证明而且它非常有用。IO-Link通信标准使得从控制器到传感器的传输过程变得更加透明,尤其在工业4.0的发展趋势下,业界对IO-Link兴趣日益增大。IO-Link通信标准提供了许多好处,最重要的是降低了机器的成本,使生产流程更有效,并能显著提高了机器和系统的可用性,是物联网系统中最基础的现场环节。


众所周知,IO-Link的最大传输距离为20米,这已经造成了IO-Link技术应用的瓶颈问题,针对现有技术的不足,提供一种不仅能够延长IO-Link的最大传输距离,避免在此传输距离下通讯传输中的信号干扰和信号失真问题,而且能够实现SIO模式和IO-Link模式之间双向自动切换的支持SIO功能的IO-Link中继器长线收发器。本文所介绍的方案可将IO-Link的电缆传输距离延长到1000米,或将IO-Link转为光纤传输,则传输距离可延长到10公里。


本文所述内容的产品已由四星电子取得中国实用新型专利,专利号:ZL2021 2 0033996.1。四星电子根据该专利研发出了两种产品:

IO-Link中继器长线收发器IOL-1000,可将IO-Link的电缆传输距离延长到1000米。

IO-Link转光纤适配器FO-IOL-S,使用光纤可将IO-Link的传输距离延长到10公里。


2、工作原理

2.1、原理框图

如图2-1所示,本方案分为A模块和B模块,A模块连接IO-Link主站,B模块连接IO-Link HUB或IO-Link从站设备,用一根5芯电缆连接A模块和B模块。从图中可看出,其基本原理是将IO-Link接口的单端双向传输方式转换为差分双向传输,这样就可大大的延长IO-Link的传输距离。并能自适应IO-Link的通讯速率COM1(4.8Kbps)、COM2(38.4Kbps)、COM3(230.4Kbps),A模块和B模块之间的电缆最大长度可达1000米。


 

图2-1 原理框图



2.2、电路原理图

如图2-2所示,依次包括IO-Link主机接口CN1,IO-Link收发器U1,收发控制电路U2、U3,差分转换及控制电路U5、U6、U7、U8、R2、C1,唤醒脉冲产生电路U4、U9、R3、C2,长线电缆接口CN2;长线电缆接口CN3,差分转换及控制电路U14、U15、U16、U17、R4、C3,收发控制电路U11、U12、U13,唤醒脉冲接收电路U18、U12,IO-Link收发器U10,IO-Link从站设备接口CN4。电路延时小,仅为芯片的门延时时间,可以忽略不计,兼容任何IO-Link上层协议和软件,可将IO-Link的最大传输距离由20米延长到1000米,并同时支持SIO功能。


A模块主机接口CN1接收IO-Link主机来的IO-Link单端信号,经收发器U1转换成单端的TTL信号,然后经U5、U6、U7、U8、R2、C1组成的差分转换电路转换成差分信号进行远距离传输。B模块收到A模块的差分信号后,由差分转换电路U14、U15、U16、U17、R4、C3转换成TTL信号,再经收发器U10还原成IO-Link信号输出到IO-Link从站设备接口CN4。反之B模块的IO-Link从站设备接口接收到从站设备发送来的信号流程与上面所述亦相同。


 

图2-2 电路原理图



2.3、差分转换及控制电路图

如图2-3所示,由与非门U5、U6控制电路和U6、U7差分发送器和差分接收器完成将TTL电平转换成差分信号传输,合理选择R2和C1的参数使其适应IO-Link的不同通讯速率COM1(4.8Kbps)、COM2(38.4Kbps)、COM3(230.4Kbps)。


 

图2-3 差分转换及控制电路图



2.4、唤醒脉冲产生电路图和唤醒脉冲接收电路图

如图2-4和图2-5所示,许多IO-Link从站设备初始上电时为SIO状态,在IO-Link中继器长线收发器中如何按照主机的命令将其转换成IO-Link通讯状态,唤醒脉冲产生电路和唤醒脉冲接收电路可以实现这样的转换:当主机发出唤醒命令时,其过流事件会在A模块的U1的OL引脚产生一个低电平信号,该信号被非门电路U4反相后输出给单稳态电路U9,由U9和R3、C2产生一个短暂的唤醒脉冲,经接口CN2、长线电缆、输出给B模块接口CN3,经U18反相后输入给或门电路U12,控制收发器U10的使能控制引脚EN为高电平,从而将主机的唤醒脉冲发送给连接在CN4上的IO-Link从站设备,将其唤醒转换成IO-Link通讯模式。


 

图2-4唤醒脉冲产生电路图



 

图2-5唤醒脉冲接收电路图



3、IO-Link中继器连接拓扑

图3-1是四星电子的IO-Link中继器长线收发器的产品实物照片,需成对使用,图3-2是该产品的应用连接拓扑,可将IO-Link最大传输距离延长到1000米。


 

图3-1 IO-Link中继器实物照片


 

图3-2 IO-Link中继器长线收发器连接拓扑



4、IO-Link转光纤适配器连接拓扑

图4-1是四星电子的IO-Link转光纤适配器的产品实物照片,需成对使用,图4-2是该产品的应用连接拓扑,使用单模光纤可将IO-Link最大传输距离延长到10km。


 

图4-1 IO-Link转光纤适配器



 

图4-2 IO-Link转光纤适配器连接拓扑









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