MAXREFDES23 (Santa Cruz)

自20世纪80年代以来，工业现场总线支持使用更智能的器件，使安装更快捷、布线更少、维护工作更轻松。然而，缺乏单个统一认可的现场总线也造成了混乱，带来培训挑战、高成本和设备之间的兼容性问题。1 IO-Link是首个与现场总线无关的开放式、低成本、点对点串行通信协议，用于与传感器和执行器进行通信，已成为一项国际标准(IEC 61131-9)。2 它最终使全球各地的工业设备都能够按照国际标准实现互操作。IO-Link可以直接存在于PLC中，也可集成到所有标准现场总线中，从而使其迅速成为与Santa Cruz (MAXREFDES23#)等智能设备进行通用通信的实际标准。IO-Link简单且智能，可实现业内超小尺寸、低成本智能传感器。

Santa Cruz是一款超小尺寸IO-Link光传感器，在6.5mm x 25mm的微型印刷电路板(PCB)上集成了六个传感器，用于检测环境光（透明）、红光、绿光、蓝光、红外和温度。ADI、Renesas^® Electronics和Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE)携手合作，将Santa Cruz构建为符合IO-Link版本1.1/1.0要求的光传感器参考设计。 Santa Cruz设计包括符合行业标准的ADI IO-Link器件收发器(MAX14821)、瑞萨电子采用TMG TE的IO-Link器件协议栈的超低功耗16位微控制器(RL78)以及ADI光传感器( MAX44008)。参见图1。

快速入门（用例#1）

设备要求：

从ADI公司购买：

• Santa Cruz (MAXREFDES23#)板

用户自备：

• 带USB端口的Windows^® PC
• Balluff USB IO-Link主机，部件号BNI USB-901-000-A501
• Balluff IO-Link器件工具（使用版本2.11.1进行测试，随IO-Link主机一起提供）
• M12 4针或3针IO-Link电缆(BCC05MC)

注：在购买Balluff软件之前，请与Balluff确认您的Windows版本是否受支持。

下载并仔细阅读Santa Cruz快速入门指南，按照说明执行每个步骤。

实验室测量

使用的设备：

• Thorlabs MCWHL5—冷白光高功率LED，1000mA
• Thorlabs DC2100—具有脉冲调制功能的高功率、单通道LED驱动器，2A，24V
• Thorlabs CR1-27—连续旋转台
• Thorlabs TDC001—T型立方体直流伺服电机控制器
• Thorlabs PM100D—紧凑型功率电能表控制台，数字4英寸LCD
• 带USB端口的Windows 7 PC
• Santa Cruz (MAXREFDES23#)板
• 编程适配器(MAXREFDES23DB#)板
• Balluff USB IO-Link主机，部件号BNI USB-901-000-A501
• Balluff IO-Link器件工具（使用版本2.11.1进行测试，随IO-Link主机一起提供）
• M12 4针或3针IO-Link电缆
• RD23_RL78_VXX_XX.ZIP（IODD文件）；其中XX_XX = 下载页面的最新版本
• Tektronix^® TDS2024B—4通道200MHz/2GSps示波器

测试Santa Cruz设计时必须特别小心，并使用合适的设备。测试任何高精度设计的关键是使用精度比被测设计更高的信号源和测量设备。Thorlabs设备和Tektronix示波器均适用于这些实验室测量。图7显示了Santa Cruz的读数与水平和垂直旋转入射角变化的匹配程度。这些测量在没有传感器外壳透镜和传感器外壳的情况下进行。图8显示Santa Cruz与IO-Link主机进行2ms循环数据交换。Santa Cruz能够稳健地处理热插拔事件，不会出现故障，这对于每个传感器都至关重要，如图9-11所示。

参考资料

¹ Fieldbus Inc的IEC61158技术比较研究，幻灯片58：“现场总线技术挑战”。

² IO-Link公司社区2013年IO-Link系统说明。第3页，前言。

IO-Link是ifm electronic GmbH的注册商标。
Renesas是Renesas Electronics Corporation的注册商标和注册服务标志。
Tektronix是Tektronix, Inc.的注册商标和注册服务标志。
Windows是Microsoft Corporation的注册商标和注册服务标志。

硬件详细说明

Santa Cruz的尺寸经过优化，可满足空间有限的工业控制和自动化光检测应用的需求。同时精心选择分立式元件的外壳尺寸，确保其适用于工业环境中的严苛工作条件。

MAX14821 IO-Link器件收发器符合IO-Link 1.1/1.0版物理层标准，集成3.3V/5V线性稳压器，具有可配置输出（推挽、pnp或npn）、极性反接/短路保护和丰富的故障监控功能，采用超小型2.5mm x 2.5mm WLP封装。

可通过I²C接口，从MAX44008连续读取环境光（透明）、红光、绿光、蓝光、红外和温度数据。该光传感器具有六个集成传感器，每个传感器在超小型光学2mm x 2mm OTDFN封装中都有自己的片上专用PGA和14位ADC。采用与板边缘呈直角的方式接收光非常重要，有助于兼容M12圆形外壳并避免产生定制光管的高成本。由于这种考虑，我们将MAX44008置于极小的半月形板(MAXREFDES26#)，然后焊接到Santa Cruz板的尖端，如图2所示。

超低功耗RL78/G1A微控制器的功耗低至66μA/MHz，用于为Santa Cruz提供系统控制。它具有64KB片内可编程闪存、4KB片内数据闪存，工作电压低至1.8V，采用超小型3mm x 3mm LGA封装。

瞬态电压抑制器(TVS)二极管并不完全相同。SDC36 TVS二极管的钳位电压低于55V，符合IEC 61000-4-2(ESD)和IEC 61000-4-4(EFT)标准。有许多较小的TVS二极管无法满足所有这些规格要求。

在24V（18V至30V）系统中选择电阻时必须小心。尽管设计人员可能需要最小尺寸的元件，但如果在正常工作期间连接到24V，则应避免使用0201外壳尺寸的电阻。即使未超过最大额定功率，电阻也可能因超过其最大工作电压而发生故障。

Santa Cruz使用行业标准M12连接器，可以使用4线或传统的3线电缆，从而保持低成本。添加六个二进制传感器的传统方式需要六组3线电缆。现在，单个IO-Link通道上的六个智能14位传感器不再需要六个二进制传感器，仅需一根3线电缆。Santa Cruz可以在功耗低于12mA（典型值）的同时做到这一切。

软件详细说明

Santa Cruz使用TMG TE的TMG IO-Link器件工具V3进行了验证，购买TMG-USB IO-Link主机TS硬件时附带该工具。如需了解更多信息，请联系TMG TE。Santa Cruz还使用Balluff IO-Link器件工具版本2.11.1进行了验证，购买Balluff IO-Link主机（部件号BNI USB-901-000-A501）时附带该工具。请联系Balluff或其当地经销商以获取订购信息。下载本文档末尾“所有设计文件”部分的IODD文件(*.xml)，然后转至下面的“快速入门”部分，获取有关如何使用该软件的分步说明。图3为Balluff IO-Link器件工具的屏幕截图。

IQ² Development还有一个IO-Link器件协议栈，已移植到MAXREFDES23#。其最新源代码和文档可通过下面的链接获取。

http://iq2-development.com/downloads

http://iq2-development.com/iqmaxrefdes23

有关IQ² Development的IO-Link器件协议栈的更多信息，请访问：

www.iq2-development.com.

固件详细说明

Santa Cruz出厂时已预编程为有效的IO-Link光传感器，可随时连接到IO-Link主机。固件针对瑞萨电子RL78微控制器设计，并遵循图4所示的简单流程图。该固件使用IAR Systems的IAR嵌入式工作台以C语言编写，采用TMG TE的IO-Link器件协议栈。

热插拔后，Santa Cruz等待IO-Link主机发出的唤醒信号。一旦接收到唤醒信号，Santa Cruz就会与IO-Link主机的230.4kbps波特率(COM3)同步。交换通信参数。然后，Santa Cruz将传感器处理数据发送到IO-Link主机，每2毫秒启动一次循环数据交换。如果将传感器移除，IO-Link主机会检测到传感器丢失。

用例详细说明

在购买Santa Cruz之前，应考虑两种不同的用例。用例#1只需使用Santa Cruz，其经过预编程，开箱即用，可与用户自备的IO-Link主机和IO-Link电缆连接，如图5所示。用例#2需要使用整个固件开发系统，如图6所示。

仅用例#2（即瑞萨入门套件）同时提供源代码。如需了解更多信息，请联系瑞萨电子。