制造业正在发生变化，随着我们迈向工业4.0，制造商需要更加灵活和可扩展的机器和生产线，它们具有更高的吞吐量和更低的停机时间
 
作者：Silicon Labs高级系统工程师Roland Gémesi和Kiruba Subramani，CoreTigo首席技术官Ofer Blonskey
 
工业4.0的一个关键推动者是有效的机器连接，包括在以前不可能的地方，以用于边缘更智能的设备。
对于工业应用，传统的解决方案是有线通信，它提供了高可靠性和低延迟。然而，电缆限制了机器的灵活性和灵活性，维护成本高昂，可能会退化和断裂，并且不能与快速移动或旋转的运动控制解决方案一起使用。
传统的无线通信是不合适的，因为它不能满足控制和监控的可靠性、延迟和可扩展性的严格工业要求。
这意味着工业4.0需要能够在恶劣环境中脱颖而出的工业级无线。在本文中，我们讨论一种方法，IO-Link Wireless。
 
无线工业通信
对现有IO-Link标准的扩展，是IO-Link无线高可靠性确定性无线通信标准，用于工厂自动化的控制和监控。
IO Link Wireless基于IO Link IEC 61139-9标准，提供工业可靠性、低延迟、可扩展性和确定性通信。它满足了工业4.0的要求，并得到了广泛的实施。
IO Link Wireless可实现无缝的、与供应商无关的通信。它扩展了有线IO链路的优势，为控制和监控提供了单一的无线协议。除了连接机器外，IO Link Wireless还支持其他应用和系统，如旋转组件、无线智能工具和运输轨道系统。
基于新标准部署设备既简单又具有成本效益，既适用于改造，也适用于新建。在没有布线限制的情况下，无线系统可以提供更大的灵活性和模块性。与现有的IO Link标准相比，IO Link无线数据的处理方式没有差异，从而简化了实现。
 
可靠性和确定性
IO Link Wireless在未经许可的2.4 GHz工业、科学和医疗（ISM）频带中运行。它通过使用高斯频移键控（GFSK）RF调制进行通信，由于其恒定的包络，该调制为金属和多径衰落效应提供了固有的免疫力。它将发射限制在一个狭窄的光谱带内，使设备更不受噪音和干扰的影响。
它提供了10^-9周期错误率的可靠性，比WLAN、Zigbee和蓝牙等其他无线标准好几个数量级，与电缆级可靠性类似。
一个称为W-Master的IO-Link主机最多可以有五个称为磁道的无线电收发器，每个收发器最多支持8个IO-Link W-Device，因此每个W-Master最多可以添加40个设备（图1）。W-Master同时跟踪不同频率上的通信，实现最佳网络利用率。对于较大的网络，多个IO-Link无线主机可以共存。IO-Link Wireless也可以通过使用W-Bridge或W-Hub添加为现有有线IO-Link设备的改装选项。
 

图1：IO-Link Wireless系统拓扑
 
该协议被设计为通过自适应跳频与其他无线网络和干扰共存。它支持信道排除，以避免与其他无线系统（如Wi-Fi）发生潜在的空中冲突。W-Master控制每个W-Device的传输时间帧，保证公平共享空中带宽。
内置的自动数据包重传机制用于关键数据，以确保卓越的可靠性，同时最大限度地减少延迟。这是由无线电的物理层实现和控制的。
IO-Link Wireless旨在提供确定性通信。这是通过遵循严格的通信周期（称为W-cycle）和限制W-Master可以服务的无线设备的最大数量来保证的。IO Link Wireless提供5毫秒的确定延迟，同时每个W-Master最多支持40个节点（传感器、执行器或I/O集线器）。
 
IO-Link Wireless系统架构
在构建具有IO-Link Wireless功能的设备时，制造商可以根据其应用限制（如成本和外形因素）从不同的系统架构中进行选择。以下是三种最常见的选项：

• 片上系统（SoC）：最紧凑的实现方式，即使是更高层的IO-Link Wireless协议功能也在SoC上执行，从而形成单芯片解决方案。
• 无线协处理器：要求更高的应用可以添加专用主机处理器，并使用无线SoC作为协处理器。这两个IC通常通过UART或SPI接口。
• 模块上系统（SoM）：为了最短的硬件开发时间，可以围绕完全集成和认证的IO-Link Wireless模块实施来构建项目。

图2显示了提供计算能力的合适的无线SoC的框图。
 

图2：IO-Link Wireless的无线SoC框图
 
硬件接口、模拟和数字外围设备以及2.4GHz无线电收发器。它包括一个运行频率高达80 MHz的Arm Cortex^® M33内核，具有256 kB的RAM和1536 kB的闪存，以支持无线堆栈的实现，还可以选择应用程序代码。该芯片集成了广泛的模拟和数字外围设备，以及适用于多种应用的硬件接口。
SoC的总线系统支持直接内存访问（DMA）和外围反射系统（PRS），从而在无需MCU核心持续干预的情况下实现外围操作。这显著降低了执行延迟和电流消耗，从而提高了电池寿命。
 
无线电子系统
集成无线电子系统有一个专用的Arm M0+核，用于执行低级别收发器操作。集成无线电提供工业级IO-Link Wireless设备所需的所有功能，如接收路径中的自适应增益控制、10 dBm RF功率放大器、-97.6dBm的接收器灵敏度以及通过硬件抽象层和软件API对底层无线电PHY的深入配置。
该无线电具有微秒精度的时间同步功能，将不同的无线电和设备设置为相同的时基，因此设备可以在非常小的抖动下工作。它还提供IO-Link Wireless W-Cycle所需的快速RF模式和信道切换时间。此外，它支持对跳频的低级别支持，以及IO-Link Wireless协议所需的其他几种机制。
 
低功耗
低功耗操作对IO-Link Wireless设备至关重要。根据应用情况，电源可能来自有线24 V电源、感应电源轨、集电环（slip rings）或电池。
SoC架构支持先进的能量管理技术，包括禁用未使用的模拟和数字外围设备，降低时钟速度和电源电压，以及在未使用时关闭无线电。SoC的能源模式可以使用软件API快速无缝地改变。
 
经得起未来考验
SoC提供了各种功能，以支持IO-Link Wireless空间中应用的未来需求。例如，SoC中提供的硬件和软件安全功能，如安全引导、安全调试接口、加密通信和安全密钥存储，这些功能解决了各种安全痛点。此外，集成机器学习（AI/ML）加速器支持W-Devices中的节能处理，实现边缘的更多本地计算，节省网络流量，并从后端卸载资源。
 
结论
对于工业4.0和工业物联网（IIoT）来说，无线连接是必须的。传统的无线是不合适的，因为它不能同时控制和监控生产机械，并且不符合延迟、可靠性和可扩展性的行业标准。
IO-Link Wireless基于工厂自动化的有线IO-Link标准，完全满足当今工业通信的要求。它非常适合智能工具和预测性维护的数据收集和反馈等应用，以及机器人手臂末端工具（EOAT）的灵活可靠通信；智能输送机系统物流区的分拣系统。
 
IO-Link Wireless为新机器和现有设备的改造提供了经验证的解决方案，并满足监控用例的延迟和可靠性标准。它简化了安装，并支持市场上广泛可用的IO Link有线传感器。IO-Link Wireless是使机器和生产线自适应、更快、更灵活的不可或缺的组件。
通过使用能够处理无线堆栈并支持所需的快速无线电切换时间的模块上系统（SoM）或芯片上无线系统（SoC）来简化IO链路无线的实现。此外，通过集成必要的模拟和数字外围设备、通信接口和2.4 GHz无线电收发器，SoC可以显著降低IO-Link Wireless设备的占地面积和成本。
 
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