深入解析ZSSC3286：一款强大的传感器信号调理IC

在工业和电子应用领域，传感器信号的准确调理至关重要。今天要给大家详细介绍的是ZSSC3286，这是一款具备IO - Link功能的双通道电阻式传感器信号调理IC，它在传感器信号处理方面表现卓越，能满足多种应用场景的需求。

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一、ZSSC3286概述

ZSSC3286作为一款双通道传感器信号调理IC，能够对传感器信号进行高精度的放大、数字化处理，并针对特定传感器进行信号校正。它支持IO - Link通信，集成了IO - Link协议栈，可运行IO - Link智能传感器配置文件，适用于数字测量和开关传感器。该设备适用于桥式和半桥式传感器，以及外部电压源元件。

1. 产品型号与规格

• 不同封装选项：提供了诸如ZSSC3286BI3R（5x5mm² NDG40S1 40 - VFQFPN封装）和ZSSC3286BI8R（3.57x3.12mm² WLCSP封装）等型号，以满足不同应用场景对封装尺寸和类型的要求。
• 工作温度范围：工作温度范围为 - 40°C至125°C，能适应较为恶劣的工作环境。

2. 引脚配置与功能

ZSSC3286的引脚配置丰富，涵盖了UART通信、传感器输入、模拟输出、电源等多种功能引脚。例如，UART RxD和UART TxD用于IO - Link PHY通信的UART收发；TOP1、T1、INP1等引脚用于连接传感器。

二、关键特性与优势

1. IO - Link集成优势

• 内置IO - Link栈，支持COM3模式下的智能传感器配置文件，可实现便捷的数字通信和配置。
• 支持通过IO - Link进行固件更新、校准和配置，方便设备的维护和功能升级。

2. 传感器适用性广泛

几乎可以适配各种不同配置的电阻式桥接传感器，包括电阻式电桥或半电桥、电阻分压器串和电压源等。

3. 高精度信号处理

• 具备可编程的传感器前端，可针对不同类型的传感器进行优化配置，适用于广泛的应用场景。
• 采用基于32位ARM的数学核心，运行校正算法，结合存储在非易失性、可重编程存储器中的校准系数，实现对传感器偏移、灵敏度、温度漂移和非线性的数字补偿。

4. 灵活的输出模式

• 提供可编程的16位数模转换器和输出，支持绝对电压输出（如0V至1V、0V至5V或0V至10V）和4mA至20mA电流环输出。
• 支持“True - 0Volt”输出，能满足一些特殊应用对零电压输出的需求。

5. 温度相关特性

• 片上集成温度传感器，同时也支持外部温度传感，可更精准地进行温度补偿。

6. 全面的诊断功能

片上诊断功能可对传感器连接、AFE自测试和内存完整性等进行监测，提高系统的可靠性和稳定性。

三、系统配置与工作模式

1. 系统模式

ZSSC3286可以工作在三种不同的主要模式：

• Bootloader模式：在硬件初始化成功后启动，用于检查固件和CCP CRC的正确性，允许更新CCP内容。
• 标准I/O模式（SIO）：启动后默认进入此模式，支持命令模式和循环模式，等待I2C接口的操作或唤醒请求以切换到IO - Link COM模式。
• IO - Link COM模式：当在现场操作或校准过程中建立IO - Link通信时，此模式成为默认工作模式，同样支持命令模式和循环模式。

2. 时钟系统

• 主内部振荡器：配备校准的、一阶温度补偿的16MHz系统时钟振荡器和未校准的、一阶温度补偿的32kHz超低功耗振荡器。
• 时钟功能：主系统时钟由内部系统时钟振荡器提供，用于驱动ARM MCU、存储器和外设；32kHz始终运行的时钟用于系统管理单元控制设备的基本初始化和内部低速定时器。

3. 系统复位

设备在多种情况下会进行复位，包括电源上电复位（VDD或VDDD电压低于指定限值）、外部复位（RESN引脚置低）、通过I2C发送启动固件更新命令以及通过IO - Link的解锁序列等。

四、模拟前端（AFE）

1. 信号路径与传感器输入

• 信号路径：模拟前端的信号路径设计合理，确保传感器信号能够高效地进行处理和转换。
• 传感器输入类型：支持电阻式桥接传感器，可采用恒压或恒流模式供电。对于恒流模式，需确保桥接输出在PGA的公共输入范围内，可通过外部电阻或内部电阻进行调整；对于恒压模式，可通过插入内部高低侧电阻或添加外部电阻来降低桥接电流。

2. 温度传感器输入

• 内部PTAT温度传感器：测量范围为 - 55°C至125°C，经过校准后的测量误差在 - 5K至5K之间，分辨率可编程。
• 外部温度传感器：支持PTC、二极管和TC桥式传感器等多种类型，可采用Sink模式或Source模式供电。

3. 可编程增益放大器（PGA）

PGA具有两级放大，第一级内置PGA偏移补偿（自动归零）功能，在每次测量开始时进行刷新，第二级无偏移补偿。两级均具备斩波功能，可抑制1/f噪声。PGA的增益设置可编程，并且对于存在直流偏移的传感器，可对输入信号进行偏移补偿。

4. 模数转换器（ADC）

采用增量式delta - sigma模数转换器，分辨率可在10位至24位之间进行编程，以优化转换时间和分辨率之间的平衡。ADC还支持额外的偏移移位功能，以适应不同的输入信号。

5. AFE定序器

测量流程可由用户进行配置，特别是主桥测量和辅助测量的频率。AFE定序器基于测量槽机制执行测量，每个AFE最多可分配八个测量槽，形成一个完整的测量周期。测量槽可配置为传感器测量（SM + 、SM - ）和辅助测量（auxi）等类型。

五、传感器信号调理

1. 信号处理流程

传感器信号经过调理后，可用于补偿偏移、增益、非线性和温度影响，最终计算出用于后续输出处理的调理数据。

2. 主要信号校正

• 支持传感器信号的抛物线和S形补偿曲线校正，以及温度信号校正。抛物线补偿适用于大多数传感器类型，可通过GUI进行选择。
• 校正公式涉及多个参数，如校正后的传感器读数（S）、原始传感器读数（S_Raw）、传感器增益项（Gain_S）、偏移项（OffsetS）等，所有原始数据和补偿系数需采用24位数据格式。

3. 桥接输出缩放

提供线性缩放功能，可将传感器输入范围的部分区域放大或压缩到所需的信号输出范围，适用于在传感器校准后区分不同产品衍生型号的需求。

4. IIR滤波器

两个主要传感器桥接通道（CH1和CH2）以及温度通道（TCh1至TCh3）的调理输出可进行低通滤波，以降低噪声。每个通道都配备独立的可编程IIR滤波器。

5. 第三逻辑通道组合

ZSSC3286的两个主要传感器桥接通道（Ch1和Ch2）经过预缩放和滤波后，可进行数学组合，计算出第三逻辑通道（Ch3）的输出。Ch3仅在同步AFE模式下可用，支持减法、除法和比率等数学运算。

六、后处理选项

1. 输出数据裁剪

可通过GUI激活模拟输出AOUT上的诊断故障状态信号。若启用该功能，检测到的诊断故障状态可映射到输出范围的上诊断范围（UDR）或下诊断范围（LDR），调理数据会被裁剪到UDR和LDR之间的输出范围。

2. IO - Link缩放

为了将24位SSC校正数据以SI单位提供给IO - Link智能传感器配置文件（SSP），需要进行缩放和偏移处理。可通过GUI在IO - LinkSSP Scaling选项中进行配置。

3. 报警功能

在SIO模式下，UART TxD（GPIO2）引脚可分配为二进制ALARM信号，该信号通过PHY在IO - Link的C/Q线上输出。任何IO - Link SSP的传感器切换通道都可映射到ALARM功能，其切换行为完全取决于IO - Link SSC配置。

七、传感器与系统诊断

1. 诊断功能

ZSSC3286的传感器和系统诊断功能可检测外部连接传感器的多种故障情况，同时监测模拟前端的长期增益和偏移漂移。支持的诊断功能包括主传感器桥接的开路和短路检测、温度传感器的短路和开路检测以及AFE的增益和偏移漂移检测等。

2. 诊断状态管理

所有传感器和AFE诊断功能都能在故障存储器中设置相应的位，故障存储器是非易失性的，可通过ClearFaultMem（0xB9）命令或系统复位进行清除。可通过RdFaultMem（0xB8）命令读取故障存储器的状态。

八、模拟输出

1. 输出通道选择

经过调理和后处理的输出数据可通过模拟输出AOUT输出，可选的通道包括桥接传感器通道1、桥接传感器通道2、第三逻辑通道和温度通道等。

2. 输出模式

• 绝对电压输出模式：包括1V绝对电压输出，以及通过外部放大器实现的5V或10V绝对电压输出。
• 3 - 线电流环模式：SSC输出可映射到CL - Out的输入电流，信号电流通常在4mA至20mA之间，可通过GUI进行后校准以补偿外部发射极电阻的公差。

3. 负电压生成

为了支持“True - 0V”信号，ZSSC3286可通过VDDN引脚外部提供负电压，也可通过内部电荷泵电路生成负电压，但会增加功耗，使用时需谨慎考虑。

九、数字接口

1. 接口类型

支持IO - Link（通过UART）、I2C和OWI三种数字接口协议。其中，I2C和IO - Link（COM模式）不能同时处于活动状态，上电后设备默认处于SIO模式，此时I2C通信可用，当接收到WURQ时，切换到IO - Link COM模式。

2. UART（IO - Link）

实现了UART接口以支持IO - Link（SDCI）通信，仅支持COM3 SDCI通信模式，传输速率为230.4kbit/s，周期时间为600µs。支持多种ISDUs，用于传感器数据读取、SSC配置和校准、固件更新等功能。

3. I2C

支持标准模式、快速模式和快速模式 + 的I2C通信，在系统启动后或未建立IO - Link连接时，I2C接口会监听接收电报。I2C通信模式在地址匹配并接收到电报的前8位数据后被选择和锁定。

4. OWI

仅用于配置RH4Z2501 IO - Link PHY，其寄存器值取自PhyCfg1寄存器。在设备默认状态下，RH4Z2501寄存器会设置默认值，若需要不同的设置，可通过I2C预先配置CCP寄存器。

5. 命令与响应格式

所有命令遵循相同的请求格式，命令响应格式根据I2C和IO - Link通信会略有不同。命令的可用性取决于当前的主要操作模式（命令模式或循环模式）和连接模式（I2C或IO - Link COM）。

十、固件与CCP更新

1. 固件更新

支持通过IO - Link和I2C接口进行固件更新，IO - Link使用BLOB传输机制下载更新文件。可通过ZSSC3286 GUI进行操作，为防止未经授权的更新，可设置固件密码。

2. CCP更新

支持通过IO - Link和I2C接口进行CCP更新，更新机制与固件更新类似。同样可通过ZSSC3286 GUI进行操作，为保护CCP，可设置CCP密码。

十一、应用信息

1. 2 - 桥接应用

适用于1.8V至5.5V电源的2 - 桥接应用场景，可实现对多个传感器信号的处理和调理。

2. 单桥接应用

• 单桥接与IO - Link应用：可与IO - Link结合使用，实现传感器数据的数字化传输和远程配置。
• 单桥接与IO - Link及电流环输出应用：在单桥接应用的基础上，还支持电流环输出，适用于需要将传感器信号转换为电流信号进行传输的场景。

十二、总结

ZSSC3286作为一款功能强大的传感器信号调理IC，凭借其丰富的特性和灵活的配置，能够满足工业传感器、智能数字传感器等多种应用场景的需求。其高精度的信号处理能力、全面的诊断功能以及便捷的通信接口，为电子工程师在设计传感器系统时提供了可靠的选择。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求，充分发挥ZSSC3286的优势，打造出更加高效、稳定的传感器解决方案。大家在使用过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。