物联网低功耗技术（工业物联网边缘计算）

工业物联网(IIoT) 应用架构使用大量联网传感器和执行器来监视和控制工业过程。在工业互联网参考架构中，这些智能连接元素的集合称为边缘层，典型的边缘层节点位于或靠近其所服务的机器。

边缘层节点的设计给设计者带来了一些挑战。除了传感器和执行器之外，每个节点还包括微控制器和电源电路，以及与网络中其他节点的串行通信链路。对于数百甚至数千个节点，实现最低成本和功耗非常重要。工业环境通常存在非常严重的电磁干扰，因此提供强大的抗电磁干扰保护也是首要考虑的因素。

本文将简要介绍IO-Link 通信协议及其在工业物联网应用中的使用。本文随后介绍了Maxim Integrated MAX14827A 收发器，演示如何为各种工业检测和安全应用部署经济高效的工业物联网边缘层节点。

IO-Link 概述

IO-Link (IEC 61131-9) 是一种点对点串行通信协议，针对包含传感器、执行器和低功耗微处理器的智能边缘层节点进行了优化。其基本形式是三线连接，可以切换模拟和数字信号（8 位、12 位和16 位）。它简单、智能、高效、可配置，并因其提供更多信息和控制的能力而拥有广泛的工业支持。

例如，它使用标准连接器和电缆而不是定制连接。使用IO-Link，开发人员可以识别设备并即时执行自动重新参数化。其服务协议数据单元(SPDU) 使用户能够访问详细的传感器和执行器状态，从设备类型和ID 号到完整的诊断信息。

在典型的工业安装中，多个IO-Link 主站操作执行器并从传感器收集数据；它们还能够动态重新配置传感器和执行器（在IO-Link 术语中统称为“设备”）（图1）。

可编程逻辑控制器(PLC) 可能包含多个IO-Link 主站，每个主站连接到一个或多个设备。 PLC本身是局域网（例如现场总线）上的一个节点。工业以太网等高速网络可在PLC 集线器与更高的企业或云级别之间传输数据和命令。

图1：IO-Link 用于工业物联网应用，从边缘的传感器和执行器（称为“设备”），通过包含IO-Link 主站的PLC，一直到高速工业以太网主干网。 （图片来源：IO-Link）

IO-Link 标准引脚分配根据M5、M8、M12 的圆形形状系数将数据链路和电源连接组合在单个连接器中：M12 是最常见的。传感器连接器有四个引脚，执行器有五个引脚：IO-Link 主设备通常有五引脚插座。

该标准定义了两个端口类别：端口A 和端口B：引脚1、3 和4 在两个端口类别中执行相同的功能。在端口A 中，引脚2 和5 没有指定特定功能，但制造商通常使用引脚2 作为附加数字通信通道。在端口B 中，引脚2 和5 为具有更大要求的设备提供额外电源。最大长度为20 米的非屏蔽电缆将主站与其组件连接起来（表1）。

引脚名称(A) 名称(B) 功能1L+电源连接：24 VDC 时200 mA2DI/DQ2L+ 可选数字I/O 连接(A) 或第二电源连接(B) 3L 信号和电源环路4C/QIO -Link通信线路：230.4 kBaud，半双工5N.S.2M 未指定(A) 或第二个电源回路(B) 表1：A 类和B 类端口的标准IO-Link 引脚分配。端口B 使用引脚2 和5为需要更多功率的设备提供更高（电隔离）电压。 （图片来源：IO-Link）

IO-Link 规范向后兼容，可适应传统设备。主设备可以使用标准输入和输出(SIO) 功能来操作这些设备，将C/Q 串行链路转换为离散数字I/O 端口。 SIO 还支持将IO-link 传感器与传统输入模块结合使用。负载电流内置于主端(ILLM) 的C/Q 线路中，并且还支持与具有离散PNP 类型输出（仅驱动为高电平）的传统传感器一起使用。

使用 IO-Link 设计边缘层节点

IO-Link 协议为强大、低成本的边缘层节点奠定了基础（图2）。该低功耗节点仅使用三个有源器件即可实现IO-Link 连接：IO-Link 收发器(MAX14827A)、降压稳压器(MAX17552) 和监控微控制器。

图2：IO-Link 节点的简化框图，其中包含三个有源器件：IO-Link 收发器、降压调节器和监控微控制器。 （图片来源：Maxim Integrated）

IO-Link 收发器

Maxim Integrated 的MAX14827A 收发器发送和接收IO-Link 消息，并通过三线UART 与监控微控制器交换数据。该器件还具有提供诊断信息的SPI 接口。复用UART/SPI 选项将SPI 和UART 接口组合到一组共享引脚中（图3）。

图3：MAX14827A 将IO-Link 收发器、电源驱动器和线性稳压器集成在单个封装中（图片来源：Maxim Integrated）

MAX14827A 有两种工作模式，由SPI/PIN 上的电压决定。在PIN 模式（SPI/PIN 低电平）下，SPI 和UART 均被禁用，并且可以根据需要通过将SPI/UART 引脚连接为高电平或低电平来设置器件配置。在此模式下，某些功能被设置为固定值。当SPI/PIN连接为高电平时，SPI和UART均被使能，用于配置MAX14827A、监控其操作以及发送和接收IO-Link消息。

除了IO-Link接口外，MAX14827A还集成了工业物联网传感器节点所需的许多常用功能，例如驱动器和稳压器。这减少了组件数量和节点大小。这些功能包括：

两个低功耗逻辑电平LED 驱动器

用于低噪声模拟或逻辑电源轨的集成3.3 V 和5 V 线性稳压器。

如果DI/DQ 操作不需要，则可以使用推挽、PNP 和NPN 模式的附加数字输入和输出。

MAX14827A可检测热过载等故障情况，并提供反极性保护和热插拔电源保护。该器件还可以针对各种情况引发中断，例如IO-Link 唤醒、过温、驱动器过载、V24 引脚低电压。

降压稳压器和电源

IO-Link L+/L- 引脚为节点提供24V 直流电源。 MAX17552A高效DC-DC转换器为其他组件、传感器和执行器产生5V总线电压。它采用集成功率MOSFET 的同步降压拓扑。

MAX14827A中的内置LDO使用5伏总线电压为微控制器产生3.3伏电压。由于MAX17552提供5伏电压，因此本应用不会使用MAX14827A的内置5伏稳压器。

标准IO-Link L+电压为24伏，如果需要，MAX17552A可以在4伏至60伏的输入电压范围内工作。该转换器能够在0.8 V 至0.9 x VIN 的可调输出电压下产生高达100 mA 的输出电流。在-40C 至+125C 温度范围内，输出电压精度为1.75%。

该器件采用峰值电流模式控制，MODE 引脚可以在脉冲宽度调制(PWM) 或脉冲频率调制(PFM) 控制方案之间进行选择。 PWM 操作可在所有负载条件下实现恒定频率操作，使其适合对可变开关频率敏感的应用。 PFM 模式在轻负载时实现脉冲跨周期调制，以实现高效率。在此模式下，转换器仅消耗22 A 的空载电源电流。

图4：MAX17552A 的开关拓扑可有效地将IO-Link 24V 输入转换为节点所需的5V 总线电压。 （图片来源：Maxim Integrated）

微控制器选择

微控制器格式化传出IO-Link 消息并处理传入消息。它还接收来自传感器的数据，并通过外部驱动器或MAX14827A中的驱动器控制执行器。

在最小引脚数配置中，微控制器串行端口支持UART 和SPI 功能，管理收发器控制(SPI) 和IO-Link 数据通信(UART)。单片机常用的UART和SPI接口引脚是复用的，但使用模式有所不同。 SPI 用于在上电时配置收发器配置，很少用于重新配置或诊断目的。另一方面，UART消息可以随时生成。

由于工业物联网节点的功能差异很大，因此微控制器必须具有灵活的功能集。这些功能可能包括模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、数字I/O 功能（例如定时器和PWM 输出），具体取决于应用。

工业物联网的总体设计原则是在有意义的地方处理数据，而不是自动将数据向上游发送到更高级别的节点进行操作。这将提高节点级微控制器的门槛，因为它需要浮点支持等功能。然而，最大限度地降低功耗仍然是重中之重，因此微控制器必须具有电源管理功能，使其能够更长时间地保持低功耗模式，仅在需要处理传感器输入或发送和接收消息时才唤醒。

节点工作方式

在操作期间，设备必须等待响应主站的传输：它无法启动通信。主器件通过在C/Q 线上实施80 微秒低脉冲来唤醒器件（图5）。 MAX14827A 检测IO-Link 唤醒条件，并通过将引脚驱动为低电平200 微秒来通知微控制器。由于MAX14827A包含电路，明显长于或短于80微秒的脉冲不会引起变化。此外，在SPI模式下，当检测到IO-Link唤醒事件时，MAX14827A中断寄存器中的WuInt位被置1，并且/引脚变为有效。

图5：当检测到传入的IO-Link 唤醒时，MAX41827A 通知微控制器。 （图片来源：Maxim Integrated）

在IO-Link 通信未发生期间，微控制器会收集传感器数据、响应故障情况或进入睡眠模式以节省电量。

设计考虑因素

在设计工业物联网节点时，请务必牢记一些重要的注意事项。

由于IO-Link 插座暴露在外部环境中，因此ESD 保护和瞬态保护至关重要。插入或移除连接器时存在ESD 电击风险。

感性负载开关、突发和浪涌会产生高瞬态电压。应保护V24、C/Q、DI 和DO 引脚免受过压和欠压瞬态影响。 V24、C/Q、DO 和DI 上的正电压瞬变必须限制在相对于GND 的+70 伏。负电压瞬变必须限制为相对于V24 的-70 伏。在C/Q、DO 和DI 处使用保护二极管（图3）。

如果设计需要满足IEC 61000-4-5 规范的浪涌额定值，Littelfuse Inc. 的SMAJ33A 或Fairchild 的SMBJ36ATVS 保护器是不错的选择。为了提供最大程度的保护，意法半导体的SM6T39A 满足IEC 61000-4-2 4 级ESD 规范的15 kV 空气放电和8 kV 接触放电要求。

另一方面，IO-Link规范规定了最低级别的ESD保护和突发保护；如果这是设计要求，TVS 可以用于小型封装。

开关稳压器元器件选择

当设计包含MAX17552A 等开关电源转换器时，实现高效率也会带来一些值得注意的问题。例如，选择外部组件时要特别小心，这一点很重要。

电感器选择：选择具有最低直流电阻并适合分配空间的低损耗电感器。铁氧体和铁粉是最常用的磁芯材料。铁氧体磁芯具有较低的磁芯损耗，推荐用于高效率设计，铁粉磁芯的成本低于铁氧体，但磁芯损耗较高。

输入电容器选择：输入电容器可减少从电源汲取的峰值电流，并减少因开关电路而导致的输出纹波和噪声。建议使用小型陶瓷X7R 级输入电容器。对于MAX17552的输入电容，建议电容值至少为1微法，以保持低输入电压纹波并满足最大纹波电流要求。

输出电容选择：输出电容有两个功能。它存储足够的能量以在瞬态负载条件下维持输出电压并稳定稳压器的内部控制环路。 X7R 级陶瓷器件仍然是首选。输出电容器经过定制，可支持应用最大输出电流50% 的阶跃负载，从而使输出电压偏差小于3%。

另请注意，陶瓷电容器中使用的介电材料会因直流偏置水平而产生电容损失，因此请务必适当降额。

PC 板布局指南

典型的IIoT 边缘节点包括用于收集实际传感器数据的噪声敏感模拟电路，以及噪声数字和开关电源设备。仔细的印刷电路板布局对于实现稳定工作至关重要。

建议的布局指南包括保留对噪声敏感的模拟组件以及将走线布线远离噪声源和接地。将模拟输入与噪声走线隔离，并分别运行模拟和电源接地。

开关功率级需要特别注意，因为它将数字开关与高电压和电流结合在一起。例如，输入陶瓷电容器应尽可能靠近VIN 和GND 引脚。所有反馈连接应短而直接，高速开关节点LX的布线应与信号引脚隔离。

MAX14827A 评估板

评估套件可帮助设计人员开始设计基于IO-Link和MAX14827A的边缘节点。 MAX14827EVKIT 可用作独立评估板，也可与基于Arduino 的小型ARM mbed 板配合使用。该评估板包括一个GUI，允许用户在PIN 模式和SPI 模式下操作（图6）。

图6：上电后MAX14827A评估板SPI模式默认配置GUI屏幕（图片来源：Maxim Integrated）

总结

工业物联网需要大量低成本、低功耗的边缘层节点来收集数据和控制工业过程。 IO-Link 是一种针对工业自动化而优化的低成本协议，特别适合在现场总线网络中连接在一起的大量PLC。 MAX14827A IO-Link收发器将稳压器与低功耗微控制器相结合，形成紧凑的边缘层节点设计，适合多种工业物联网应用。