全面解析CCE4511：4通道IO-Link主站PHY的卓越之选

在工业自动化的浪潮中，IO-Link标准的应用愈发广泛，它为设备间的通信提供了高效、稳定的解决方案。而CCE4511作为一款高性能的4通道IO-Link主站PHY，集成了帧处理功能，无疑是工业IO模块设计中的一颗璀璨明星。今天，我们就来深入剖析这款芯片的特点、功能及应用。

文件下载：Renesas ， Dialog CCE4511 4通道IO-Link主接口IC.pdf

一、CCE4511概述

CCE4511采用了0.18 µm HV - CMOS技术，是一款具备过压检测、高温和过流保护功能的高压接口IC。其典型应用场景为工业IO模块，这些模块需支持IO - Link标准。为提升应用性能，芯片集成了IO - Link帧处理器，可自动完成大部分底层通信任务，显著减轻了微控制器的负载，即便使用较慢的微控制器，也能为其他任务留出更多的性能空间。同时，不同的配置选项使其在众多应用领域都能大显身手。

主要应用领域

• 多端口IO - Link主站应用：适用于4/8/12/16端口的IO - Link主站，为不同规模的工业自动化系统提供灵活的解决方案。
• 工厂自动化：在工厂的生产线上，可实现设备之间的高效通信，提高生产效率和自动化程度。
• 过程自动化：满足过程自动化领域对数据传输和处理的严格要求，确保系统的稳定运行。

可用支持文档

瑞萨电子为方便用户使用，提供了应用笔记[3]、评估板用户手册[4]等文档，让用户在开发过程中能够更加顺利地使用CCE4511。

二、CCE4511的特性亮点

通信与时钟特性

• 就绪脉冲检测：能够准确检测就绪脉冲，为系统的稳定运行提供保障。
• 四通道兼容：具备四个与IO - Link标准兼容的主站通道，可同时连接多个IO - Link设备。
• SPI接口：采用SPI接口，方便与其他设备进行数据传输和通信。
• 标准IO模式（SIO）：支持标准IO模式，增加了芯片的使用灵活性。
• 集成UART（COM1 - 3）：集成UART，满足不同的通信需求。
• 硬件帧处理器：支持所有IO - Link v1.1.3帧类型，自动化完成通信任务。
• 时钟功能：集成晶体振荡器，支持时钟的直通，确保系统时钟的稳定。

电气与保护特性

• 宽电压范围：工作电压范围为8 V至36 V，适应不同的电源环境。
• 自动唤醒脉冲生成：能够自动生成唤醒脉冲，方便唤醒IO - Link设备。
• 状态指示：配备八个状态LED驱动器，可直观显示设备的工作状态。
• 同步功能：支持传输与外部信号的同步，提高系统的协同工作能力。
• 门驱动器：集成用于外部NMOS的门驱动器，可开关每个设备的电源，同时具备软启动功能，以限制设备的浪涌电流。
• 温度与电压保护：工作温度范围为 - 40 °C至125°C，具备过温保护、电源电压监控、通道和连接设备的过载保护、欠压检测和关闭功能。
• 抗干扰能力：集成了毛刺滤波器，有效减少外界干扰对芯片的影响。

三、详细规格参数

绝对最大额定值

在使用CCE4511时，需严格遵守其绝对最大额定值，如HV电源电压（Vvs）范围为 - 0.3至45 V，IO电源电压（VVDDIO）范围为 - 0.3至5.5 V等。超出这些额定值可能会导致设备永久损坏，因此在设计时务必注意。

电气特性

• 一般参数：主电源电压（VVS）范围为8至36 V，主电源电流（IVS）典型值为6 mA等。
• IO - Link通道：CQ电压范围、内部可调电流吸收精度、输出峰值电流等参数都有明确规定，确保IO - Link通道的稳定运行。
• NMOS门驱动器：具备特定的输出电压、电流和开关时间等参数。
• 振荡器：频率典型值为14.7456 MHz，上电到振荡器运行的延迟时间在一定条件下不超过2 ms。
• 数字焊盘：规定了输入电压、电容、泄漏电流以及输出电压等参数。
• 串行外设接口：不同电源电压下，SCLK频率有不同的最大值，同时对脉冲宽度、延迟时间等也有详细要求。
• 监控：对电源电压和温度的监控有相应的阈值设定，如VDDD和VDDIO欠压检测的上升和下降沿阈值等。
• LED驱动器：PWM频率典型值为225 Hz，输出占空比范围为1至100%，LED输出电流可通过寄存器进行设置。

四、功能深度解析

时钟与电源管理

• 时钟：通过在XTAL1和XTAL2引脚连接外部14.7456MHz晶体为IC提供时钟。可以使用单个晶体为多个CCE4511提供参考时钟信号，但所有CCE4511必须共享相同的VS和VDDIO电源。振荡器输出频率精度需满足IO - Link定时要求，偏差不得超过±0.1%。
• 电源：CCE4511需要两个外部电源，VS（24V）电源为内部电压和电流参考以及其他调节器和模拟电路供电；VDDIO为所有数字IO和1.8 V电压调节器供电。在不同的VDDIO电压下，芯片的供电和配置方式有所不同，需根据实际情况进行设置。

温度与电压监控

芯片对每个电源都进行了欠压监控，高压电源还进行了过压监控。默认情况下，当芯片温度过高或VS电源电压超出范围时，会自动禁用所有通道。当LP电压低于欠压阈值时，相应的CQ驱动器会被禁用。用户可以通过读取相关寄存器获取中断标志，自动保护功能可通过PROT寄存器进行控制。

操作模式

CCE4511的每个IO - Link通道有三种操作模式：标准I/O（SIO）模式、UART模式和帧处理器模式。用户可以在任何时候通过MODE字段配置每个通道的模式。同时，自动唤醒程序可用于唤醒IO - Link设备并转换到帧处理器模式。

• 标准I/O（SIO）模式：在该模式下，输出级的状态可自由配置。用户可以通过CFG1寄存器的DRV位选择不同的驱动模式，根据CSS位的状态选择控制CQ输出级的方式。此外，还可以启动自动唤醒或就绪脉冲检测功能。
• UART模式：输出级根据CFG1寄存器的DRV字段进行配置，COM速度也需在该寄存器中设置。通道默认监听CQ引脚的UART事务，接收到字符时会触发中断，数据可从UART寄存器中读取。发送数据时，将数据写入UART寄存器即可。
• 帧处理器模式：该模式扩展了UART模式，可自动交换由IO - Link接口和系统规范定义的消息（M - 序列）。能自动计算主消息的校验和和奇偶信息，并验证设备消息的校验和和奇偶信息，同时还会监控指定的时序约束。

帧处理器功能

• 消息序列配置：每个IO - Link消息序列（M - 序列）由主消息和设备消息组成。帧处理器通过分析发送到帧缓冲区的MC和CKT八位字节，结合MPD、OD和DPD寄存器中的信息，确定M - 序列的类型、通信通道和写方向，从而计算出主消息和设备消息需要发送和接收的字节数。不同类型的M - 序列（Type 0、Type 1、Type 2）有不同的处理规则。
• 帧缓冲区：每个通道有一个66字节的帧缓冲区，用于以先入先出的方式存储主消息或设备消息。在帧处理器模式下，数据可以通过写入FHD寄存器添加到帧缓冲区，通过读取FHD寄存器从帧缓冲区获取数据。帧缓冲区一次只能存储一个主消息或一个设备消息，在特定情况下需要进行复位操作。
• 校验和：当自动校验和计算功能启用时，帧处理器会计算帧缓冲区中主消息的6位校验和，并覆盖之前存储的校验和值。在接收设备消息后，会计算其6位校验和并验证其正确性。
• 收发器模式：帧处理器根据自动校验和、同步和周期定时器的启用情况，决定何时可以启动M - 序列。不同的配置组合会产生不同的工作模式，如自动校验和关闭、同步关闭、周期定时器关闭时，写入FHD寄存器的字节会立即在CQ引脚发送；而在自动校验和开启、同步开启、周期定时器开启时，需要满足特定的条件才会发送主消息。
• M - 序列处理：可以配置中断在部分或全部设备消息接收后触发。帧处理器会检查IO - Link接口和系统规范中的时序约束，如主端口和设备的UART帧传输延迟、设备的响应时间等。对于违反这些约束的情况，会标记超时。同时，通过配置相关寄存器，可以放宽对部分时序约束的检查，以支持一些特殊的设备。
• 状态、跳过和复位功能：帧处理器以有限状态机（FSM）的形式实现，有空闲、发送主消息和接收设备消息三种状态。设置FHC寄存器的RST或SKIP位可以将FSM重置为空闲状态，同时会对帧缓冲区、Cycle Timer等产生不同的影响。在某些特定操作时，如写入FHC寄存器（SKIP位未设置）、启用或禁用Cycle Timer、写入OD、MPD和DPD寄存器等，也会触发帧处理器的复位操作。
• 周期定时器：在帧处理器模式下，通道可以使用周期定时器。通过CYCT寄存器设置周期时间，用户可以轻松满足IO - Link周期时间的要求。不建议将周期时间配置得短于标准规定的400µs。通过设置FHC寄存器的SKIP位，可以在不影响周期定时器的情况下重置帧处理器。当周期定时器启动后，只有在配置的周期时间（和偏移定时器，如果启用）过去后，才会发送新的主消息。
• 同步：传输的开始可以由外部信号或写入SYNC寄存器的STx位触发。通过设置FHC寄存器的SYNC_EXT_EN位，可以启用与外部信号的同步，每个通道可以选择TXD [3:0]引脚之一作为同步源。设置SYNC_INT_EN位后，写入SYNC寄存器的STx位可以触发传输。
• 偏移定时器：偏移定时器（SOTO_TIMER）可用于延迟主消息的传输开始时间，以实现多个通道上设备消息开始时间的对齐。但这是一个实验性特性，所需的延迟时间因设备而异，并且不是IO - Link IODD规范的一部分。通过SOTO_PRESCALER字段和WRP_SOTO_TIMER寄存器可以设置偏移定时器的超时时间。

中断处理

每个通道有四个中断源寄存器（INT_SRC_STAT、INT_SRC_SIO、INT_SRC_UART、INT_SRC_FH）和一个全局中断源寄存器（INT_SRC_ENV）。这些中断源可以通过配置相应的中断使能寄存器来单独启用。所有启用的中断标志会进行逻辑“或”运算，其反相结果连接到INTX引脚。默认情况下，所有中断源在启动时都被禁用，且没有全局中断使能。当相关信号转换到活动状态时，中断源位会被设置，MCU读取相关中断源寄存器可以清除中断。

其他IO - Link相关功能

• 自动唤醒：当通道配置为SIO模式且将2’b01写入SIO寄存器的STARTUP_SEQ位时，自动唤醒程序启动。在此过程中，通道会进入帧处理器模式并执行符合IO - Link标准的唤醒程序。完成后会设置WURQ中断，CQ引脚自动配置为推挽输出。如果设备未响应，程序会尝试以较低的通信速度发送消息。如果唤醒程序成功，MISO状态半字节中的FH_RXD标志会被设置，帧处理器将使用检测到的COM模式。
• 就绪脉冲检测：当SIO寄存器的STARTUP_SEQ位设置为2’b10时，CCE4511开始运行就绪脉冲检测程序。该程序会启用通道的门驱动器，等待LP的欠压消失后开始检测就绪脉冲。可以通过WRP_SOTO_TIMER寄存器设置等待就绪脉冲的超时时间。如果检测失败，MISO状态半字节中的ERR位会被设置；如果检测成功，FH_RXD位会被设置。当STARTUP_SEQ的两个位都在一次寄存器写入中设置时，CCE4511会先进行就绪脉冲检测，若成功则在最大“就绪脉冲结束到准备好唤醒”时间tRW后开始自动唤醒序列。

过流保护与其他功能

• 过流保护：LPx电源电流和CQ输出晶体管的电流都受到监控。当电流超过安全限制时，会采取相应的保护措施，如关闭LPx电源、禁用相关通道等，并设置相应的中断标志。
• LPx开关和电流感测：可以使用外部NMOS单独开关每个通道的LP电压。通过GTEN控制外部开关的开启和关闭，在不同的情况下，如无电流限制和有电流限制时，GTx引脚的操作方式不同。同时，LPx电流感测可以检测到连接的IO - Link设备和相关通道IO - Link级的高电源电流，并通过两种机制进行处理：LPx过流功能和LPx电流限制功能。
• CQ输入和输出级：
  • 输入缓冲区：将CQ引脚的电压转换为逻辑值，采用固定阈值和与LP电压成比例的阈值两种比较器，根据电源电压的不同自动选择合适的阈值。可以通过CFG2.CQ_IBUF_CNTRL寄存器单独启用或禁用这两种比较器。
  • 电流限制和过流检测：监控CQ输出PMOS和NMOS晶体管的正向电流，将其内部限制在ICQ_LIM。当电流超过ICQ_OVC时，会标记过流并设置相应的中断标志。如果通道因过流而被禁用，也会有相应的中断标志设置。当检测到过流或电流限制事件时，根据CSS位的状态，SDX引脚会有不同的表现。
  • 电流吸收：根据IO - Link接口和系统规范的要求，CCE4511在CQ输出处提供电流吸收功能。可以通过ICQ_EN寄存器激活电流吸收，通过ICQ_SEL寄存器选择吸收电流的大小。
• LED驱动器：芯片为每个通道集成了两个LED驱动器，通过三个寄存器（LSEQ_A、LSEQ_B、LHLD_A、LHLD_B、LDRV_A、LDRV_B）控制LED的输出。可以调整LED的正向电流，使用PWM进行调光，并通过编程设置8位模式来实现不同的闪烁序列。通过写入LED_SYNC寄存器，可以同步LED的闪烁序列。
• 串行外设接口：CCE4511通过SPI接口进行寄存器的读写操作，作为SPI从设备，需要一个SPI主设备提供芯片选择和串行时钟信号。SPI事务格式和帧结构有明确的规定，在读写寄存器时，需要按照特定的顺序和规则进行操作。MISO格式和状态半字节可以让用户在SPI通信早期获取每个通道的状态信息。

五、寄存器详解

寄存器概述

CCE4511共有256个8位寄存器，可通过SPI接口进行读写操作。部分寄存器标记为保留，用户只能将其写入零值。每个寄存器位有特定的访问模式，如只读（R）、读写（R/W）、读清除（RC）、只写（W）等。

内存映射

寄存器分为芯片控制寄存器（0x00 - 0x1F）、保留区域（0x20 - 0x7F）和通道寄存器（0x80 - 0xFF）。芯片控制寄存器用于控制芯片的整体功能和状态，通道寄存器用于控制每个通道的功能和报告其状态。

芯片控制寄存器

• REV（0x00）：存储CCE4511的修订代码，包含主修订代码和次修订代码。
• PROT（0x01）：控制通道在芯片高温或VS过压保护时是否禁用。
• INT_SRC_ENV（0x02）：环境中断源寄存器，包含芯片高温和高压的相关信息。
• INT_EN_ENV（0x03）：INT_SRC_ENV的中断使能寄存器，用于启用或禁用相应的中断源。
• LED_SYNC（0x04）：用于同步LED序列，通过设置相应的位可以使LED输出的模式从位0重新开始。
• SYNC（0x05）：同步配置寄存器，通过写入STx位可以触发相应通道的同步传输。
• MONITOR_EN（0x06）：启用电压和温度监控的信号，可对各个电源的监控功能进行单独控制。
• CFG（0x07）：全局配置寄存器，包含芯片就绪信号、复位内部逻辑、控制1.8V电压调节器、配置IO - Pad驱动强度和温度监控滞后等功能。
• FLAG_ENV（0x18）：环境标志寄存器，包含芯片高温、过压和欠压的相关标志信息。

通道寄存器

每个通道有32个相同的寄存器，以通道0为例进行介绍，其他通道的寄存器地址可参考内存映射。

• CFG1（0x80）：用于配置通道的多个参数，如门驱动器的启用、输出级的配置、通道源选择、UART通信速度和通道操作模式等。
• **CFG2（0x8