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中继器长线收发器连接拓扑

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、无需外接电源的IO-Link中继器连接拓扑

图4-1是四星电子的无需外接电源的IO-Link中继器产品实物照片，可单个或二个使用，图4-2是该产品的应用连接拓扑。使用一个可将IO-Link最大通讯距离延长到100米并且支持SIO；使用二个可将IO-Link最大通讯距离延长到300米，不支持SIO。通讯速率COM1（4.8Kbps）、COM2（38.4Kbps）、COM3（230.4Kbps）自适应。

图4-1 无需外接电源的IO-Link中继器实物照片

图4-2 IO-Link中继器连接拓扑

5、IO-Link转光纤适配器连接拓扑

图5-1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5-2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5-1 IO-Link转光纤适配器

图5-2 IO-Link转光纤适配器连接拓扑

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