前言

物理層是 IO-Link 通信的 “硬件底座”，它直接決定了系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力和部署靈活性。打個(gè)比方，就像蓋房子，物理層就是地基和骨架，地基不穩(wěn)、骨架不牢，房子肯定住著不踏實(shí)。本期我們就來(lái)重點(diǎn)分析一下IO-Link的物理層，讓你看懂 IO-Link 的電纜、連接器和信號(hào)傳輸背后的 “硬核規(guī)則”。

物理層概覽

IO-Link的三線(xiàn)連接系統(tǒng)是基于IEC 60947-5-2 標(biāo)準(zhǔn)。三根導(dǎo)線(xiàn)的用途如下。

·L+：用于 24V 電源供電

·L-：用于地線(xiàn)（GND）

·C/Q：用于開(kāi)關(guān)信號(hào)（Q）或 SDCI 通信（C）

其實(shí)目前我們見(jiàn)到最多的是4線(xiàn)或者5線(xiàn)的接口，如之前我們解讀的規(guī)范，除了通用的3線(xiàn)分別作為電源和通信，另外1-2根線(xiàn)可以擴(kuò)展為電源或者信號(hào)，增加產(chǎn)品的靈活度。

IO-Link系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)，拓?fù)鋱D如上圖所示，有點(diǎn)類(lèi)似于交換機(jī)的星形連接，但和交換機(jī)的本質(zhì)不同的時(shí)，一般來(lái)講，兩個(gè)Device之間并不直接交互數(shù)據(jù)，只有Device和Master之間交互數(shù)據(jù)。

即使可以做到兩個(gè)Device之間交互數(shù)據(jù)，也是Master把數(shù)據(jù)終結(jié)后，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，再與另外一個(gè)Device交互；因?yàn)镈evice并沒(méi)有地址的概念，因此它沒(méi)有尋址操作，它只能無(wú)腦的把數(shù)據(jù)傳給Master而已！

三類(lèi)模式狀態(tài)

物理層規(guī)定了3種模式狀態(tài)：

①非活動(dòng)模式（Inactive）

②“開(kāi)關(guān)信號(hào)”模式（Switching Signal，DI/DO，即SIO模式）

③“編碼開(kāi)關(guān)”模式（Coded Switching，COMx，即 SDCI 通信模式）

三種模式的切換由協(xié)議棧的物理層的PL_SetMode來(lái)執(zhí)行

?如果端口處于非活動(dòng)模式，則 C/Q 線(xiàn)應(yīng)處于高阻狀態(tài)（即懸空）。

?在 SIO模式下（標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出模式），端口可以作為普通輸入或輸出接口使用，遵循IEC 61131-2的定義規(guī)定。此時(shí) SDCI 的通信層被繞，信號(hào)直接由主站應(yīng)用層處理。

?在SDCI模式下，主站通過(guò)PL_WakeUp.req 生成一個(gè)特殊的信號(hào)模式（電流脈沖），連接在該端口上的支持 SDCI 的從站設(shè)備可以檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)，從而進(jìn)入SDCI模式。

以上三種模式是針對(duì)主站來(lái)講的，而從站是沒(méi)有Inactive狀態(tài)的，默認(rèn)情況下，從站在上電后，就工作在SIO模式，等待主站的喚醒信號(hào)，對(duì)于主站，其就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SIO設(shè)備；從站在進(jìn)入SDCI后，可以接收主站的fallback命令，從而返回到SIO模式。

關(guān)于信號(hào)傳輸

IO-Link本質(zhì)是把MCU的3.3V的串口信號(hào)通過(guò)升壓到24V，在一根線(xiàn)上傳輸?shù)姆绞?，其根?jù)電壓的大小來(lái)表示0或者1；通過(guò)一系列的0或者1，構(gòu)成一個(gè)報(bào)文，再通過(guò)一系列的報(bào)文構(gòu)成一組信息，從而傳遞傳感器的數(shù)值。

下圖是在邏輯分析儀抓到的報(bào)文：

邏輯分析儀可以根據(jù)你設(shè)定的0或者1的高低電平邏輯自動(dòng)解析好了數(shù)據(jù)，這是進(jìn)行IO-Link產(chǎn)品開(kāi)發(fā)最方便的工具，它可以清晰的解讀每個(gè)Bit的高低電平，以及按照什么協(xié)議解析出具體的數(shù)值，方便進(jìn)行問(wèn)題定位。

如果邏輯分析儀未能正確解讀出數(shù)據(jù)，或者懷疑電壓的問(wèn)題，可以用示波器來(lái)具體查看電壓幅值是否滿(mǎn)足協(xié)議規(guī)范，一般采用市場(chǎng)上知名品牌(如ST的PHY 6362、瑞薩的4503、TI的111/112等）一般不會(huì)出現(xiàn)電壓的問(wèn)題。

通過(guò)示波器無(wú)法直接查看具體的報(bào)文數(shù)值，但能清晰的查看出電壓從0升高的24V所需要的時(shí)間，以及電源的紋波是否符合標(biāo)準(zhǔn)，上圖可以看到瞬間電壓可以到29.2 V左右。

邏輯1和0的高低電平規(guī)定

結(jié)合上表，我們知道邏輯1（H）就是高于10.5V~13V，那低于10.5V就一定是邏輯0嗎？不一定。我們看一下邏輯0（L)的定義，它是低于8~11.5V這個(gè)電平，為啥有個(gè)區(qū)間，就是看硬件的具體實(shí)現(xiàn)來(lái)確定。

另外我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)在H和L之間還有一片空白區(qū)域，甚至VTHH最小值小于VTHL的最大值，這樣的設(shè)計(jì)是防止電平的抖動(dòng)，即有遲滯的概念在里面。當(dāng)電壓在8~10.5V時(shí)，具體的邏輯H還是邏輯L，要看其之前的邏輯是什么，也就是它是一個(gè)不確定區(qū)域。

硬件參數(shù)對(duì)比

那么當(dāng)我們拿到每家的PHY芯片，可以對(duì)他們的電氣參數(shù)進(jìn)行比較，如ST 的L6362：

它的遲滯是2V左右，它低于8.5V肯定0，高于12.5V肯定1，典型值為11.75以上為H，9.75V以下為L(zhǎng)，之間為遲滯區(qū)域。

我們?cè)倏匆幌氯鹚_的CCE4503，也是標(biāo)準(zhǔn)的2V遲滯。

結(jié)語(yǔ)

本期先介紹到這里，通過(guò)這篇文章，相信各位童鞋對(duì)于IO-Link的物理層概覽已經(jīng)有了基礎(chǔ)的認(rèn)知。那么，下一期我們將繼續(xù)深入，看看IO-Link物理層究竟做了哪些規(guī)范要求。