【睿远研究院】IO-Link物理层概览

前言

物理层是 IO-Link 通信的 “硬件底座”，它直接决定了系统的可靠性、抗干扰能力和部署灵活性。打个比方，就像盖房子，物理层就是地基和骨架，地基不稳、骨架不牢，房子肯定住着不踏实。本期我们就来重点分析一下IO-Link的物理层，让你看懂 IO-Link 的电缆、连接器和信号传输背后的 “硬核规则”。

物理层概览

IO-Link的三线连接系统是基于IEC 60947-5-2 标准。三根导线的用途如下。

·L+：用于 24V 电源供电

·L-：用于地线（GND）

·C/Q：用于开关信号（Q）或 SDCI 通信（C）

其实目前我们见到最多的是4线或者5线的接口，如之前我们解读的规范，除了通用的3线分别作为电源和通信，另外1-2根线可以扩展为电源或者信号，增加产品的灵活度。

IO-Link系统本质上是一个点到点的通信系统，拓扑图如上图所示，有点类似于交换机的星形连接，但和交换机的本质不同的时，一般来讲，两个Device之间并不直接交互数据，只有Device和Master之间交互数据。

即使可以做到两个Device之间交互数据，也是Master把数据终结后，进行相关运算，再与另外一个Device交互；因为Device并没有地址的概念，因此它没有寻址操作，它只能无脑的把数据传给Master而已！

三类模式状态

物理层规定了3种模式状态：

①非活动模式（Inactive）

②“开关信号”模式（Switching Signal，DI/DO，即SIO模式）

③“编码开关”模式（Coded Switching，COMx，即 SDCI 通信模式）

三种模式的切换由协议栈的物理层的PL_SetMode来执行

✅如果端口处于非活动模式，则 C/Q 线应处于高阻状态（即悬空）。

✅在 SIO模式下（标准输入输出模式），端口可以作为普通输入或输出接口使用，遵循IEC 61131-2的定义规定。此时 SDCI 的通信层被绕，信号直接由主站应用层处理。

✅在SDCI模式下，主站通过PL_WakeUp.req 生成一个特殊的信号模式（电流脉冲），连接在该端口上的支持 SDCI 的从站设备可以检测到这个信号，从而进入SDCI模式。

以上三种模式是针对主站来讲的，而从站是没有Inactive状态的，默认情况下，从站在上电后，就工作在SIO模式，等待主站的唤醒信号，对于主站，其就是一个标准的SIO设备；从站在进入SDCI后，可以接收主站的fallback命令，从而返回到SIO模式。

关于信号传输

IO-Link本质是把MCU的3.3V的串口信号通过升压到24V，在一根线上传输的方式，其根据电压的大小来表示0或者1；通过一系列的0或者1，构成一个报文，再通过一系列的报文构成一组信息，从而传递传感器的数值。

下图是在逻辑分析仪抓到的报文：

逻辑分析仪可以根据你设定的0或者1的高低电平逻辑自动解析好了数据，这是进行IO-Link产品开发最方便的工具，它可以清晰的解读每个Bit的高低电平，以及按照什么协议解析出具体的数值，方便进行问题定位。

如果逻辑分析仪未能正确解读出数据，或者怀疑电压的问题，可以用示波器来具体查看电压幅值是否满足协议规范，一般采用市场上知名品牌(如ST的PHY 6362、瑞萨的4503、TI的111/112等）一般不会出现电压的问题。

通过示波器无法直接查看具体的报文数值，但能清晰的查看出电压从0升高的24V所需要的时间，以及电源的纹波是否符合标准，上图可以看到瞬间电压可以到29.2 V左右。

逻辑1和0的高低电平规定

结合上表，我们知道逻辑1（H）就是高于10.5V~13V，那低于10.5V就一定是逻辑0吗？不一定。我们看一下逻辑0（L)的定义，它是低于8~11.5V这个电平，为啥有个区间，就是看硬件的具体实现来确定。

另外我们发现，其实在H和L之间还有一片空白区域，甚至VTHH最小值小于VTHL的最大值，这样的设计是防止电平的抖动，即有迟滞的概念在里面。当电压在8~10.5V时，具体的逻辑H还是逻辑L，要看其之前的逻辑是什么，也就是它是一个不确定区域。

硬件参数对比

那么当我们拿到每家的PHY芯片，可以对他们的电气参数进行比较，如ST 的L6362：

它的迟滞是2V左右，它低于8.5V肯定0，高于12.5V肯定1，典型值为11.75以上为H，9.75V以下为L，之间为迟滞区域。

我们再看一下瑞萨的CCE4503，也是标准的2V迟滞。

结语

本期先介绍到这里，通过这篇文章，相信各位童鞋对于IO-Link的物理层概览已经有了基础的认知。那么，下一期我们将继续深入，看看IO-Link物理层究竟做了哪些规范要求。