Analogtipp Smarte Automatisierung mit IO-Link

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Feldgeräte wie Sensoren und Aktoren sind mittlerweile Multitasking-Systeme, die eine ständige Kommunikation mit dem Prozess-Controller erfordern. Dies bedeutet einen zusätzlichen Overhead für den Mikrocontroller im Feldgerät, der sorgfältig gemanagt werden muss. In diesem Analogtipp stellen wir eine Alternative zu einem zweiten Mikrocontroller vor.

IO-Link ist ein industrieller 24-V-/Dreidraht-Kommunikationsstandard, der Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den industriellen Feldgeräten (device) und einem IO-Link-Master ermöglicht, der wiederum mit Prozesssteuernetzwerken auf höherer Ebene kommuniziert (Bild 1). Ein Transceiver dient als physikalisches Layer-Interface zwischen dem Mikrocontroller, auf dem das Data-Link-Layer-Protokoll (stack) läuft, und der 24-V-IO-Link-Signalleitung.

Die IO-Link-Kommunikation beinhaltet mehrere unterschiedliche Datentypen wie Prozessdaten, Statuswerte, Gerätedaten und Ereignisse. Tritt ein Fehler auf, kann die Information durch diese Datentypen helfen, das Problem schnell zu identifizieren, nachzuverfolgen und zu lösen. Das hilft, Stillstandzeiten zu reduzieren.

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Die Kommunikation zwischen einem IO-Link-Master und einem Feldgerät unterliegt verschiedenen Timing-Einschränkungen und findet in einem festen Zeitplan, genannt M-Sequenz-Zeit, statt. Eine M-Sequenz-Nachricht enthält einen Befehl oder eine Anfrage (request), die von einem IO-Link-Master zu einem Feldgerät gesendet wird und die Antwort vom Feldgerät (Bild 2).

Das Feldgerät muss innerhalb seiner Antwortzeit t_A auf den Master antworten, die von 1 TBIT bis 10 TBIT (TBIT = Bit-Zeiten). Für eine COM3-Baudrate sollte t_A zwischen 4,3 und 43 µs liegen. Ist die Antwort vom Feldgerät länger als t_A verzögert, gehen Daten verloren und ein Kommunikationsfehler tritt auf.

Wenn die Pünktlichkeit verlorengeht

Der Mikrocontroller eines IO-Link-Feldgerätes muss mehrere Aufgaben simultan erledigen. Dies kann zu Problemen bei der Reaktion auf eine Anfrage führen, bevor t_A abgelaufen ist. Das ist besonders dann der Fall, wenn gerade eine Aufgabe erledigt wird, die nicht unterbrochen werden kann – bezeichnet als nicht-maskierbarer Interrupt (NMI). Antwortet das Feldgerät nicht im spezifizierten Zeitfenster, bricht die Kommunikation ab und muss neu initiiert werden.

Das kontinuierliche Verarbeiten von Prozessdaten lässt einem Mikroprozessor nur wenig Zeit, die Aufgaben der IO-Link-Data-Layer-Kommunikation zu managen. Dies kann zu beträchtlichen Variationen der Feldgeräte-Antwortzeit führen. In Extremfällen ist es dann nicht mehr möglich, die Timing-Anforderungen für t_A einzuhalten.

Die Datenverbindung managen

Durch NMIs verursachte Timing-Probleme können nicht immer einfach durch den Einsatz eines schnelleren Mikrocontrollers mit größerem Funktionsumfang behoben werden. Der Einsatz eines zweiten Mikrocontrollers, der die IO-Link-Kommunikation übernimmt, kann helfen, ein konstanteres Antwortzeitintervall zwischen dem Feldgerät und dem IO-Link-Master beizubehalten. Dies ist jedoch eine sehr ineffiziente Methode. Sie verbraucht mehr Strom, benötigt größere Leiterplatten und damit auch ein größeres Sensorgehäuse.

Eine neue Alternative ist die Verwendung eines Transceivers, der sowohl den Datenlink als auch die physikalischen Lagen im Kommunikationspfad managt. Bild 3 zeigt, wie der MAX22516 die Notwendigkeit für einen zweiten Mikrocontroller reduziert, weil sein integrierter Datenverbindungscontroller die Kommunikation mit dem IO-Link-Master übernimmt.

Antwortzeit mit integrierter Funktion verbessern

Der IO-Link-Datencontroller MAX22516 (Bild 4) ist ein voll ausgestatteter Datenverbindungs-Controller, der das Timing der IO-Link-Datenkommunikation vollständig handhabt. Er enthält sämtliche Funktionen, die man üblicherweise in IO-Link-Feldgeräte-Transceivern findet, einschließlich 24-V C/O, eines integrierten DC/DC-Abwärtswandler sowie 5- und 3,3-V-Linearregler, mit der zusätzlichen Möglichkeit, die IO-Link-Kommunikation zwischen einem Feldgerät und einem IO-Link-Master zu managen.

Der MAX22516 managt autonom die Kommunikation mit dem IO-Link-Master für Anfragen einschließlich der Konfigurierung und Wartung der Requests. Das Auslagern dieser Aufgabe erlaubt es dem Mikrocontroller die erforderliche Antwortzeit von 43 µs auf großzügige 5 s auszuweiten (bei angenommener COM3-Datenrate), eine exponentielle Steigerung!

Das Referenzdesign für ein IO-Link-Feldgerät MAXREFDES281 (Bild 5) enthält den MAX22516 und kann verwendet werden, um das Timing des MAX22516 zu verifizieren, wenn er mit unterschiedlichen Arten von IO-Link-Sensoren eingesetzt wird.

Fazit: Wenn Mikrocontroller mehrfache Aufgaben simultan erledigen müssen, können sie manchmal das Timing für die IO-Link-Datenkommunikation nicht einhalten. Das bedeutet, dass verschiedene Equipment-Hersteller mit der ineffizienten Alternative allein gelassen werden, einen zweiten Mikrocontroller einzusetzen,der das Management des IO-Link-Stacks übernimmt.

Diese Methode mit zwei Mikrocontrollern ist nicht länger nötig, denn der IO-Link-Daten-Transceiver MAX22516 enthält einen Datenverbindungscontroller, der die gesamte IO-Link-Kommunikation übernimmt und damit den Haupt-Mikrocontroller des Feldgerätes davon befreit, damit dieser andere zeitkritische Aufgaben erledigen kann. (kr)

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* Brian Condell und Michael Jackson arbeiten als Marketingingenieure bei Analog Devices in Limerick / Irland.

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