IO-Link协议规范解读（二）：解读物理层

其中本章要讲解的物理层是 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。

本章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”。

核心通信原理：点对点连接

IO-Link采用的是一种串行的、点对点的通信方式。这意味着一个IO-Link主站（Master）的端口仅连接一个IO-Link设备（Device），例如传感器或执行器。这种简单的拓扑结构极大地简化了网络设计和安装的复杂性。

通信的建立由主站发起。主站首先向设备发送一个特定的“唤醒”脉冲信号。设备在检测到该信号后，会从标准的输入/输出（SIO）模式切换到IO-Link通信模式，并准备好与主站进行双向数据交换。

在传统 SIO（Standard IO）模式下，Pin 4 的 CQ 仅作为普通开关量输入或输出使用。而在 IO-Link 模式下，CQ 则变为单线、半双工、点对点通信通道，负责在主站（Master）与设备（Device）之间传输数据信息。

电气规范与信号传输

IO-Link的通信基于标准的24V直流工业电源环境，其物理层信号传输具有以下关键特征：

• 三线制：这是IO-Link的核心。在SIO模式下，它作为标准的数字输入（DI）或数字输出（DQ）使用。在IO-Link模式下，它转变为半双工的串行通信线路。

• C/Q通信线：这是IO-Link的核心。在SIO模式下，它作为标准的数字输入（DI）或数字输出（DQ）使用。在IO-Link模式下，它转变为半双工的串行通信线路。

• 数据帧结构：数据传输采用标准的UART（通用异步收发传输器）协议，编码格式为不归零（NRZ）。数据帧由1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位构成，共11位。

通信速率

为了适应不同设备的数据量需求，IO-Link规范定义了三种不同的通信速率。IO-Link设备本身只支持其中一种固定的速率，而主站则必须支持所有三种速率，以便能与任何设备进行通信。在建立连接时，主站会自动匹配所连接设备的速率。

IO-Link 定义了三种通信速率等级（称为 COM 模式）：

主站在启动通信时会自动检测从站支持的最高速率，并根据协商结果进入合适的通信模式。这种自适应速率机制使得 IO-Link 能在性能和兼容性之间灵活平衡。

端口类型与引脚定义

为了满足不同设备的供电和功能需求，IO-Link规范定义了两种主要的端口类型：A类端口（Port Class A）和B类端口（Port Class B）。A类端口采用M5、M8和 M12连接器，最多有五个引脚。B类端口仅使用5针M12连接器，具体如下图所示：

下表列出了Master主站端口上的引脚分配：

下表列出了Device从站端口上的引脚分配：

此外，主站通常还具备检测端口状态的功能，例如：

• 端口是否连接设备

• 线缆是否断开或短路

• 设备供电是否正常

• 通信错误或帧冲突情况

这些诊断特性为 IO-Link 提供了“智能诊断”的基础。

总结

IO-Link的物理层设计兼顾了工业现场的严苛要求与用户部署的便捷性和经济性。通过标准化的24V电气特性、灵活的通信速率、通用的电缆和连接器以及明确的端口规范，IO-Link为实现从传感器到控制系统的无缝、可靠通信提供了坚实的物理基础，是推动工业自动化向智能化、数字化转型的重要基石。

下期预告

在下一篇《IO-Link协议规范解读（三）：数据链路层详解中，我们将继续分析物理层之上的通信机制，包括帧结构、服务数据单元（SDU）、以及周期性数据与ISDU之间的交互流程。